本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井、煤層氣鉆井、地質(zhì)勘探、礦山鉆探裝置領域，尤其是一種半自動扭矩耦合裝置。

背景技術：

定向井、長水平段水平井、大斜度井、大位移井等復雜結構井的鉆井過程中，地面設備產(chǎn)生的扭矩沿鉆柱傳遞至井底鉆頭，驅動鉆頭旋轉破巖，復雜結構井的鉆井主要是由滑動鉆進和復合鉆進兩種鉆井方式相互結合完成的。穩(wěn)斜井段主要是復合鉆進，即鉆具組合整體旋轉，此時鉆柱與井壁之間的摩擦副屬于滾動摩擦，摩阻力較小，有利于快速鉆進；導向井段的鉆進方式，國內(nèi)主要采用由泥漿馬達為動力的滑動鉆井系統(tǒng)實施鉆井作業(yè)，動力鉆具帶動鉆頭旋轉破巖，鉆柱本身并不旋轉，但由于自重的作用平躺在井底，鉆柱與井壁之間的摩擦副屬于滑動摩擦，導致摩阻力較大難以對鉆頭有效施加鉆壓，造成“脫壓”現(xiàn)象，影響了鉆井效率。國外由于擁有旋轉導向鉆井技術，已經(jīng)能夠完全克服導向鉆井時的摩阻問題，國內(nèi)正積極開展旋轉導向鉆井技術的研究，但是因為國外的技術壟斷以及關鍵部件的限制，目前還沒有成功工業(yè)化應用，僅依靠進口或租用國外公司的產(chǎn)品，大大增加了鉆井綜合成本。雖然國內(nèi)的復雜結構井鉆井工藝技術難以實現(xiàn)鉆具組合整體旋轉導向的工藝，但基于復雜結構井鉆井工藝的原理，可采用一部分鉆具組合旋轉另一部分鉆具組合不旋轉（即滑動）的方法進行鉆進，也能大幅降低鉆井過程中的摩擦阻力，減小“脫壓”的影響，這種方法的功效介于常規(guī)鉆井工藝技術與先進旋轉導向鉆井工藝技術之間，即比常規(guī)工藝技術能夠進一步降低摩擦阻力，提高鉆井效率，又比旋轉導向鉆井工藝節(jié)省成本，是一種非常適合于國內(nèi)現(xiàn)有技術裝備條件的實用性工藝技術。通過上述分析可知，既具在井下有能將鉆具組合的扭矩實時連接與斷開的功能，又具有不間斷傳遞軸向力功能的裝置，是實現(xiàn)上述工藝的關鍵。因此，急需設計一種地面精確遙控，又能滿足復雜結構井鉆井工藝要求的自動扭矩耦合裝置，同時還要結構簡單、成本低廉、維護方便。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了最大限度減小摩擦阻力的影響，在沒有旋轉導向鉆井設備的條件下，充分發(fā)揮現(xiàn)有泥漿動力馬達的功能，變常規(guī)全滑動鉆井方式為部分旋轉鉆井方式，提高導向鉆井施工作業(yè)的效率，降低鉆井成本，進一步提高定向井、長水平段水平井、大斜度井、大位移井等復雜結構井的井身質(zhì)量及鉆井安全性，為石油天然氣鉆井、地質(zhì)勘探、礦山鉆探的施工現(xiàn)場提供一種半自動扭矩耦合裝置。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

1.半自動扭矩耦合裝置，包括上殼體1、防護裝置2、壓力傳感裝置4、步進電機5、傳動軸7、花鍵軸11和下殼體14，其中：上殼體1和下殼體14同軸旋轉密封連接后構成外殼體，在上殼體1中段設有內(nèi)凸沿，內(nèi)凸沿下方的上殼體1和下殼體14結合部的內(nèi)壁設有花鍵槽；防護裝置2為上端封閉、下端開口的桶狀體，在其下端內(nèi)射凸沿，防護裝置2外部通過肋板6固定在上殼體1內(nèi)凸沿上方，防護裝置2與上殼體1之間形成導流通道，在防護裝置2的頂部或外側部開設傳壓孔3；壓力傳感裝置4和步進電機5固定在傳壓孔3下方的防護裝置2內(nèi)部；傳動軸7連接在步進電機5的下端；花鍵軸11上部設外凸沿和內(nèi)盲板，其外凸沿與防護裝置2下端內(nèi)凸沿軸向限位配合，內(nèi)盲板與傳動軸7軸向向限位配合，中部設有旁通孔9，旁通孔將防護裝置2與上殼體1之間的導流通道和花鍵軸11盲板下方的中心通孔貫通，花鍵軸11與傳動軸7結合部采用螺旋副配合，花鍵軸11下部是擴徑段，擴徑段外壁設有花鍵，花鍵與上殼體1和下殼體14結合部內(nèi)壁的花鍵槽構成插接配合。

上述方案進一步包括：

上殼體1與下殼體14之間通過軸承12連接構成旋轉密封配合。

下殼體14的花鍵槽頂部加工花鍵導入體15。

在花鍵軸11與防護裝置2、上殼體1和下殼體14對合部分別安裝密封裝置。

傳動軸7與花鍵軸11的空間充滿潤滑油。

上殼體1與下殼體14的接觸面均鑲嵌防磨片。

本發(fā)明的半自動扭矩耦合裝置在復雜結構井鉆井過程中，半自動扭矩耦合裝置根據(jù)鉆井設計安裝在鉆具組合中，當在穩(wěn)斜井段進行復合鉆進時，地面操作人員利用鉆井泵向鉆具組合內(nèi)輸入具有壓力脈沖頻率特征的鉆井液，鉆井液進入半自動扭矩耦合裝置時，依次經(jīng)過防護裝置與上殼體之間的環(huán)空、花鍵軸旁通孔、花鍵軸內(nèi)部中心孔、下殼體，然后流向下部鉆具，最終達到井底鉆頭，與此同時，鉆井液中含有的壓力脈沖信號經(jīng)過傳壓孔傳遞至壓力傳感裝置，壓力傳感裝置接收到信號后，觸發(fā)步進電機轉動，進而驅動傳動軸轉動，由于傳動軸與花鍵軸之間是螺旋副配合，因此花鍵軸開始向下移動，在下殼體花鍵導入體的導入作用下，花鍵軸進入下殼體花鍵，花鍵軸與上殼體之間也是花鍵配合，花鍵軸上部與防護裝置之間設計有防脫結構，當防脫結構接觸時，即花鍵軸下行至下止點，花鍵軸與下殼體花鍵之間實現(xiàn)完整配合，同時花鍵軸上旁通孔的過流面積被上殼體內(nèi)部構件遮擋而減小，但沒有完全關閉，過流面積的減小會造成鉆井液流動壓力的增加，地面鉆井泵壓力升高，根據(jù)這個現(xiàn)象就能判斷半自動扭矩耦合裝置處于閉合狀態(tài)，而上部鉆具傳遞的扭矩就經(jīng)過上殼體、花鍵軸、下殼體三者之間構成的花鍵副傳遞至下部鉆具，進而驅動鉆頭旋轉破巖，且上部鉆具的軸向力也通過上殼體、上殼體與下殼體之間的軸承、下殼體傳遞至下部鉆具直至鉆頭；在導向井段進行滑動鉆進時，按照相同的操作方法，只是操作人員利用鉆井泵輸入的鉆井液中包含的壓力信號不同，半自動扭矩耦合裝置內(nèi)的壓力傳感裝置接收到信號后，觸發(fā)步進電機驅動傳動軸反向轉動，帶動花鍵軸向上移動，當花鍵軸上移至上止點時，花鍵軸與下殼體花鍵脫離，配合解除，花鍵軸上的旁通孔完全打開，鉆井液流動壓力降低，地面鉆井泵壓力減小，從而能夠判斷半自動扭矩耦合裝置處于分離狀態(tài)，由于上殼體與下殼體之間安裝軸承，因此上殼體相對下殼體可獨立轉動，即半自動扭矩耦合裝置不能將上部鉆具的扭矩傳遞至下部鉆具，但仍能繼續(xù)傳遞軸向力，此時上部鉆具實現(xiàn)旋轉鉆進，而下部鉆具實現(xiàn)滑動鉆進，達到了既保持導向工具面穩(wěn)定不變，又減小鉆井摩擦阻力的目的。

現(xiàn)場井下測試結果表明，利用半自動扭矩耦合裝置能夠平均提高鉆井效率75.6%-96.8%，且鉆井質(zhì)量符合設計標準，達到了在國內(nèi)現(xiàn)有裝備和工藝技術基礎上，低成本、高效率完成復雜結構井鉆井施工的目的，打破了國外技術壟斷，對于提高我國復雜結構井鉆井工藝技術水平和國際市場競爭力，提供了有力的技術支撐。

同時，半自動扭矩耦合裝置還具有結構設計簡單、性能可靠、操作方便等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的半自動扭矩耦合裝置結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的半自動扭矩耦合裝置a-a截面示意圖。

圖3是本發(fā)明的半自動扭矩耦合裝置下殼體花鍵結構示意圖。

圖中：1-上殼體、2-防護裝置、3-傳壓孔、4-壓力傳感裝置、5-步進電機、6-肋板、7-傳動軸、8-密封裝置、9-旁通孔、10-密封裝置、11-花鍵軸、12-軸承、13-密封裝置、14-下殼體、15-花鍵導入體。

具體實施方式

下面結合附圖來詳細描述本發(fā)明。

參照附圖1、圖2和圖3，半自動扭矩耦合裝置主要由上殼體1、防護裝置2、傳壓孔3、壓力傳感裝置4、步進電機5、固定肋板6、傳動軸7、密封裝置8、旁通孔9、花鍵軸11、軸承12、下殼體14、花鍵導入體15組成。防護裝置2固定在上殼體1內(nèi)部，壓力傳感裝置4、步進電機5安裝在防護裝置2內(nèi)部，壓力傳感裝置安裝在步進電機5的上端，傳動軸7安裝在步進電機5的下端，防護裝置2與上殼體1之間安裝固定肋板6，防護裝置2上部加工傳壓孔3，傳動軸7連接在花鍵軸11上部，花鍵軸11與防護裝置2之間安裝密封裝置8，花鍵軸11上加工旁通孔9，花鍵軸11與上殼體1之間安裝密封裝置10，上殼體1與下殼體14之間安裝軸承12和密封裝置13，下殼體14的花鍵上部加工花鍵導入體15。

在復雜結構井鉆井過程中，半自動扭矩耦合裝置根據(jù)鉆井設計安裝在鉆具組合中，當在穩(wěn)斜井段進行復合鉆進時，地面操作人員利用鉆井泵向鉆具組合內(nèi)輸入具有壓力脈沖頻率特征的鉆井液，鉆井液進入半自動扭矩耦合裝置時，依次經(jīng)過防護裝置2與上殼體1之間的環(huán)空、花鍵軸11旁通孔9、花鍵軸內(nèi)部中心孔、下殼體14，然后流向下部鉆具，最終達到井底鉆頭。

與此同時，鉆井液中含有的壓力脈沖信號經(jīng)過傳壓孔傳遞至壓力傳感裝置4，壓力傳感裝置4接收到信號后，觸發(fā)步進電機5轉動，進而驅動傳動軸7轉動，由于傳動軸7與花鍵軸11之間是螺旋副配合，因此花鍵軸11開始向下移動，在下殼體花鍵導入體15的導入作用下，花鍵軸11進入下殼體花鍵，花鍵軸11與上殼體1之間也是花鍵配合。花鍵軸11上部與防護裝置2之間設計有防脫結構，當防脫結構接觸時，即花鍵軸11下行至下止點，花鍵軸11與下殼體14花鍵之間實現(xiàn)完整配合，同時花鍵軸11上旁通孔9的過流面積被上殼體1內(nèi)部構件遮擋而減小，但沒有完全關閉，過流面積的減小會造成鉆井液流動壓力的增加，地面鉆井泵壓力升高，根據(jù)這個現(xiàn)象就能判斷半自動扭矩耦合裝置處于閉合狀態(tài)，而上部鉆具傳遞的扭矩就經(jīng)過上殼體1、花鍵軸11、下殼體14三者之間構成的花鍵副傳遞至下部鉆具，進而驅動鉆頭旋轉破巖，且上部鉆具的軸向力也通過上殼體1、上殼體1與下殼體14之間的軸承12、下殼體14傳遞至下部鉆具直至鉆頭。

在導向井段進行滑動鉆進時，按照相同的操作方法，只是操作人員利用鉆井泵輸入的鉆井液中包含的壓力信號不同，半自動扭矩耦合裝置內(nèi)的壓力傳感裝置4接收到信號后，觸發(fā)步進電機5驅動傳動軸反向轉動，帶動花鍵軸11向上移動，當花鍵軸11上移至上止點時，花鍵軸11與下殼體14花鍵脫離，配合解除，花鍵軸11上的旁通孔9完全打開，鉆井液流動壓力降低，地面鉆井泵壓力減小，從而能夠判斷半自動扭矩耦合裝置處于分離狀態(tài)。由于上殼體1與下殼體14之間安裝軸承12，因此上殼體1相對下殼體14可獨立轉動，即半自動扭矩耦合裝置不能將上部鉆具的扭矩傳遞至下部鉆具，但仍能繼續(xù)傳遞軸向力，此時上部鉆具實現(xiàn)旋轉鉆進，而下部鉆具實現(xiàn)滑動鉆進，達到了既保持導向工具面穩(wěn)定不變，又減小鉆井摩擦阻力的目的。