用于油井钻探组件的内联扭转振动减轻机构制造技术

一种用于包括在钻头与钻柱之间的组件，所述组件具有超越离合器机构，所述超越离合器机构在粘滑周期的“滑”部分期间使所述钻头与所述钻柱脱离接合，以允许所述钻头比所述钻柱更快地自由旋转。所述组件还包括可操作地连接在所述超越离合器与所述钻头之间的旋转振动阻尼器。所述振动阻尼器可包括具有粘性流体或对流体流动进行限制以产生减弱效果的流体腔室。在正常操作期间，所述单向超越离合器保持接合以在所述钻柱与所述钻头之间传递扭矩，而所述扭转阻尼器处于其最大移位位置中以传递负荷。在滑动期间，将所述钻头脱离接合直到其速度低于所述钻柱速度。扭转振动阻尼器使所述超越离合器重新接合的突发冲击力减弱。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体涉及油田设备，并且具体地说涉及减轻井下工具中的扭转振动。专利技术背景常规钻头包括具有聚晶金刚石复合片(PDC)嵌件和刀具的刮刀型钻头，所述刮刀型钻头使用剪切动作破坏地层材料。这种PDC刀具和嵌件适于连续负载，但是在振动、颤动和冲击力下容易发生故障。因此，当使用PDC钻头进行钻探时，扭转振动是重要的考虑因素。扭转振动的一个普遍成因是称为“粘滑”的现象。当钻头旋转的速率突然减慢或停止时，诸如当钻头遭遇硬界面或硬细脉时发生粘滑。尽管钻头瞬间减慢或停止旋转，但是上方的钻柱继续旋转，从而致使钻柱卷紧并扭转地存储势能。这是粘滑周期的“粘”阶段。当钻柱卷紧时，钻柱扭矩增大并且钻柱长度减少。在某一时刻，由于增加的钻柱扭矩或减少的钻柱长度致使钻头更少地削减地层，地层切断并且钻头再次旋转。由于存储在钻柱中的高能量，当钻柱退绕时，钻头猛烈地脱离并过速。这是粘滑周期的“滑”阶段。粘滑引起颤动、PDC刀具对岩石面的重复冲击以及钻柱振荡。粘滑通常通过增加钻头速度或减少钻压而得以解决。然而希望提供一种减轻扭转振动而无需增加钻头速度或减少钻压的工具。附图简述在下文中参照附图详细描述各实施方案，在附图中：图1是根据实施方案的钻井系统的块级示意图，其示出用于在地球中进行钻孔的钻柱和内联扭转振动减轻系统(诸如图2中的内联扭转振动减轻系统)；图2是根据优选实施方案的内联扭转振动减轻系统的方框图，其示出钻铤、超越离合器组件、扭转阻尼器以及井底总成；图3是图2的超越离合器组件和扭转阻尼器的轴向截面；图4是图3的超越离合器组件(除去其止推轴承)的一部分以及图3的扭转阻尼器的一部分的轴向截面的放大分解图，为了清晰起见，两者均在将输出轴移除的情况下示出；图5是图4的组件的轴向截面的立视图，其示出位于超越离合器组件与扭转阻尼器之间的连接，示出超越离合器组件的外部离合器壳体和内部离合器芯轴以及扭转阻尼器的外部阻尼器壳体和内部阻尼器芯轴；图6是图4的超越离合器组件的底端的透视图，其示出具有内部不对称锯齿的外部离合器壳体、具有外纵向凹槽的内部离合器芯轴和定位在它们之间用于产生空转效果的楔块；图7A是图6的超越离合器组件的一部分的详细视图，其示出在径向向外位置中的接合外部离合器壳体的楔块；图7B是图6的超越离合器组件的部分的详细视图，其示出在径向向内位置中的与外部离合器壳体脱离接合的楔块；图8是图6的超越离合器组件的置中引导构件的详细透视图；图9是图6的超越离合器组件的波形弹簧的详细透视图；图10是图4的扭转阻尼器组件的底端的透视图，其示出具有内部凹槽的外部阻尼器壳体、具有外部纵向突起的内部阻尼器芯轴和可滑动地定位在所述突起内的刮片；图11是图10的扭转阻尼器组件的刮片的详细透视图；图12是图10的扭转阻尼器组件的一部分的详细视图，其示出形成封闭的流体腔室的阻尼器芯轴和壳体以及在径向向外的位置中接合阻尼器壳体的用于对阻尼器芯轴与壳体之间的相对移动提供流体阻力的外圆周壁的刮片；图13是随时间绘制的转速的定性曲线图，其示出在扭转振动的情况下具有和不具有图2的工具的井底总成的转速变化；并且图14是示出根据优选实施方案的扭转振动减轻的方法的流程图。具体实施方式先前公开内容可以重复各种实例中的元件符号和/或字母。这种重复是为了简单和清楚起见，并且本身不指示所讨论的各种实施方案和/或配置之间的关系。另外，空间相对术语如“在...之下”、“在...下方”、“下部”、“在...上方”、“上部”、“井上”、“井下”、“上游”、“下游”等在本文可能为了便于描述而使用以描述如图中所示的一个元件或特征结构与另一个元件或特征结构的关系。所述空间相对术语意图包含与图中所描绘的定向不同的在使用中或操作中的设备的定向。举例来说，如果图中的设备翻转，那么描述为在其他元件或特征“以下”或“下方”的元件接着被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，例示性术语“下面”可以包含上方和下面的定向两者。可以其他方式来定向设备(旋转90度或在其他定向)，且可以同样地相应解释本文所使用的空间相对描述符。图1示出根据优选实施方案的包括内联扭转振动减轻系统10的
钻井系统120。钻井系统120可以包括陆地钻机122。然而，本公开的教义可令人满意地与海上平台、半潜式钻井船和令人满意地形成延伸穿过一个或多个井下地层的井眼的任何其他钻井系统相关联使用。钻机122并且可紧邻井口124定位。钻机122还可包括旋转台138、旋转驱动马达140和与井眼160内的钻柱132的旋转相关联的其他设备。在钻柱132的外部与井眼160的内径之间可形成环空166。对于一些应用而言，钻机122还可包括顶部驱动马达或顶部驱动单元142。在井口124处也可提供防喷器(未明确地示出)和与钻探井眼相关联的其他设备。一个或多个泵148可用来将钻井液146从流体贮存器或凹坑130泵送至钻柱132的从井口124延伸的一个末端。导管134可用来将钻井泥浆从泵148供应至钻柱132的从井口124延伸的一个末端。导管136可用来将钻井液、地层切屑和/或井下碎屑从井眼160的底部或末端162返回至流体贮存器或凹坑130。各种类型的管道、管子和/或导管可用来形成导管134和136。钻柱132可从井口124延伸并且可与钻井液供应源(诸如凹坑或贮存器130)耦接。钻柱132的相反末端可包括邻近于井眼160的末端162设置的井底总成190和旋转钻头100。旋转钻头100可包括具有设置在其中的相应喷嘴的一个或多个流体流动通道。各种类型的钻井液146可通过泵148和导管134从贮存器130泵送至钻柱132的从井口124延伸的末端。钻井液146可流动通过钻柱132的纵向孔(未明确地示出)并从在旋转钻头100中形成的喷嘴离开。在井眼160的末端162处，钻井液146可与紧邻钻头100的地层切屑和其他井下碎屑混合。钻井液随后将向上流动穿过环空166以使地层切屑和其他井下碎屑返回至井口124。导管136可使钻井液返回至贮存器130。各种类型的筛网、过滤器和/或离心机(未示出)可提供来在使钻井液返回至凹坑130之前将地层切屑和其他井下碎屑移除。井底总成190包括根据优选实施方案的内联扭转振动减轻系统
10。井底总成190还可包括各种其他工具191，诸如提供测井或测量数据以及来自井眼160底部的其他信息的那些工具。测量数据和其他信息可使用已知随钻测量技术从井眼160的末端162通过钻柱132传送，并且在井表面124处转换成电信号，以除此之外监测钻柱132、井底总成190和关联的旋转钻头100的性能。图2示出根据优选实施方案的旋转振动减轻工具10的方框图。工具10主要是不需要任何电子器件和控件的机械工具。工具10理想地包括超越离合器组件12和扭转阻尼器组件14，并且工具10可连接在钻柱或钻铤16与井底总成18之间。超越离合器组件12允许扭矩在一个方向上从钻柱或钻铤16传递至井底总成18。在粘滑周期的“滑”部分期间，当钻头具有过速的倾向时，超越离合器组件12使井底总成18与和超越离合器组件12连接的钻柱或钻铤16的末端分离。扭转阻尼器组件14减轻来自在操作超越离合器组件12期间的突然接合的旋转冲击负荷。此外，扭转阻尼器组件14还减轻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于减轻扭转振动的井下工具，其包括：超越离合器组件，其被布置用于连接在钻柱与钻头之间，所述超越离合器组件接合以在第一钻柱旋转方向上将扭矩从所述钻柱传递至所述钻头，并且脱离接合以防止将扭矩在与所述第一方向相反的第二钻柱旋转方向上从所述钻柱传递至所述钻头。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于减轻扭转振动的井下工具，其包括：超越离合器组件，其被布置用于连接在钻柱与钻头之间，所述超越离合器组件接合以在第一钻柱旋转方向上将扭矩从所述钻柱传递至所述钻头，并且脱离接合以防止将扭矩在与所述第一方向相反的第二钻柱旋转方向上从所述钻柱传递至所述钻头。2.如权利要求1所述的井下工具，其还包括：扭转阻尼器组件，其耦接到所述超越离合器组件。3.如权利要求2所述的井下工具，其中：所述扭转阻尼器组件定位在所述超越离合器组件与所述钻头之间。4.如权利要求2所述的井下工具，其中所述扭转阻尼器组件包括：第一构件，其由所述钻柱的旋转驱动；第二构件，其由所述第一构件的旋转驱动并且能够相对于所述第一构件进行受限制旋转移动，所述第一构件和所述第二构件共同地限定在其之间的流体腔室；限流器，其设置在所述腔室中；以及流体，其接收在所述腔室中；借此在所述第一构件与所述第二构件之间的相对运动通过所述流体而减弱。5.如权利要求4所述的井下工具，其中：所述第一构件是管状阻尼器壳体，其限定具有在其中形成的凹槽的内壁；并且所述第二构件是阻尼器芯轴，其同轴地设置在所述阻尼器壳体内并且限定具有在其中形成的突起的外壁，所述突起接收在所述凹槽内。6.如权利要求5所述的井下工具，其还包括：输出轴，其连接到所述阻尼器芯轴并且由其旋转驱动，所述输出轴具有适于耦接到所述钻头的下端；以及止推轴承，其耦接在所述超越离合器组件与所述输出轴之间；其中所述阻尼器芯轴是管状的，并且所述输出轴的一部分同轴地设置在所述阻尼器芯轴内。7.如权利要求1所述的井下工具，其中所述超越离合器组件包括：大体管状离合器壳体，其限定具有在其中形成的楔形锯齿的内壁；离合器芯轴，其同轴地设置在所述离合器壳体内并限定具有在其中形成的凹槽的外壁；楔块，其被捕获在所述凹槽内并抵靠所述离合器壳体的所述内壁径向向外推动；其中所述楔块接合所述锯齿以防止所述离合器壳体在第一方向上相对于所述离合器芯轴的无限制相对旋转，并且与所述锯齿脱离接合以
\t允许所述离合器壳体在与所述第一方向相反的第二方向上相对于所述离合器芯轴的无限制相对旋转。8.如权利要求1所述的井下工具，其中：所述超越离合器组件自动地机械接合以在第一旋转方向上将扭矩从所述钻柱传递至所述钻头，并且脱离接合以防止扭矩在与所述第一方向相反的第二旋转方向上从所述钻柱传递至所述钻头。9.一种用于减轻井下扭转振动的方法，其包括：将超越离合器组件连接在钻柱与钻头之间；在第一方向上旋转所述钻柱；使所述超越离合器组件接合以允许在所述钻柱与所述钻头之间不存在相对运动，以便将扭矩从所述钻柱传递至所述钻头；以及使所述超越离合器组件脱离接合以允许在所述钻柱与所述钻头之间的相对运动，只要所述钻头在所述第一方向上比所述钻柱更快地旋转，以便防止扭矩在所述钻柱与所述钻头之间传递。10.如权利要求9所述的方法，其还包括：提供定位在所述超越离合器组件与所述钻头之间的扭转阻尼器组件；以及通过所述扭转阻尼器组件减弱所述超越离合器组件接合的冲击负荷。11.如权利要求9所述的方法，其还包括：当推动所述钻柱以比所述钻头旋转更快时，使所述超越离合器组件自动接合以将扭矩从...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·S·卡戴姆，B·加吉，A·普罗希特，R·R·盖克维德，
申请(专利权)人：哈里伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US