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(lǐng)域，尤其是一種半自動扭矩耦合裝置。

背景技術(shù)：

定向井、長水平段水平井、大斜度井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井過程中，地面設(shè)備產(chǎn)生的扭矩沿鉆柱傳遞至井底鉆頭，驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖，復(fù)雜結(jié)構(gòu)井的鉆井主要是由滑動鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩種鉆井方式相互結(jié)合完成的。穩(wěn)斜井段主要是復(fù)合鉆進(jìn)，即鉆具組合整體旋轉(zhuǎn)，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(jìn)；導(dǎo)向井段的鉆進(jìn)方式，國內(nèi)主要采用由泥漿馬達(dá)為動力的滑動鉆井系統(tǒng)實(shí)施鉆井作業(yè)，動力鉆具帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖，鉆柱本身并不旋轉(zhuǎn)，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(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)，已經(jīng)能夠完全克服導(dǎo)向鉆井時的摩阻問題，國內(nèi)正積極開展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)的研究，但是因?yàn)閲獾募夹g(shù)壟斷以及關(guān)鍵部件的限制，目前還沒有成功工業(yè)化應(yīng)用，僅依靠進(jìn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井工藝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)鉆具組合整體旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的工藝，但基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井工藝的原理，可采用一部分鉆具組合旋轉(zhuǎn)另一部分鉆具組合不旋轉(zhuǎn)（即滑動）的方法進(jìn)行鉆進(jìn)，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(shù)與先進(jìn)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工藝技術(shù)之間，即比常規(guī)工藝技術(shù)能夠進(jìn)一步降低摩擦阻力，提高鉆井效率，又比旋轉(zhuǎn)導(dǎo)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(shù)裝備條件的實(shí)用性工藝技術(shù)。通過上述分析可知，既具在井下有能將鉆具組合的扭矩實(shí)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(shí)現(xiàn)上述工藝的關(guān)鍵。因此，急需設(shè)計(jì)一種地面精確遙控，又能滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井工藝要求的自動扭矩耦合裝置，同時還要結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維護(hù)方便。

技術(shù)實(shí)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(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井設(shè)備的條件下，充分發(fā)揮現(xiàn)有泥漿動力馬達(dá)的功能，變常規(guī)全滑動鉆井方式為部分旋轉(zhuǎn)鉆井方式，提高導(dǎo)向鉆井施工作業(yè)的效率，降低鉆井成本，進(jìn)一步提高定向井、長水平段水平井、大斜度井、大位移井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

1.半自動扭矩耦合裝置，包括上殼體1、防護(hù)裝置2、壓力傳感裝置4、步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)密封連接后構(gòu)成外殼體，在上殼體1中段設(shè)有內(nèi)凸沿，內(nèi)凸沿下方的上殼體1和下殼體14結(jié)合部的內(nèi)壁設(shè)有花鍵槽；防護(hù)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(hù)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(hù)裝置2與上殼體1之間形成導(dǎo)流通道，在防護(hù)裝置2的頂部或外側(cè)部開設(shè)傳壓孔3；壓力傳感裝置4和步進(jìn)電機(jī)5固定在傳壓孔3下方的防護(hù)裝置2內(nèi)部；傳動軸7連接在步進(jìn)電機(jī)5的下端；花鍵軸11上部設(shè)外凸沿和內(nèi)盲板，其外凸沿與防護(hù)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(shè)有旁通孔9，旁通孔將防護(hù)裝置2與上殼體1之間的導(dǎo)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(jié)合部采用螺旋副配合，花鍵軸11下部是擴(kuò)徑段，擴(kuò)徑段外壁設(shè)有花鍵，花鍵與上殼體1和下殼體14結(jié)合部內(nèi)壁的花鍵槽構(gòu)成插接配合。

上述方案進(jìn)一步包括：

上殼體1與下殼體14之間通過軸承12連接構(gòu)成旋轉(zhuǎn)密封配合。

下殼體14的花鍵槽頂部加工花鍵導(dǎo)入體15。

在花鍵軸11與防護(hù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過程中，半自動扭矩耦合裝置根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)安裝在鉆具組合中，當(dāng)在穩(wěn)斜井段進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)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(jìn)入半自動扭矩耦合裝置時，依次經(jīng)過防護(hù)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(dá)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)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(dǎo)入體的導(dǎo)入作用下，花鍵軸進(jìn)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(hù)裝置之間設(shè)計(jì)有防脫結(jié)構(gòu)，當(dāng)防脫結(jié)構(gòu)接觸時，即花鍵軸下行至下止點(diǎn)，花鍵軸與下殼體花鍵之間實(shí)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(gòu)件遮擋而減小，但沒有完全關(guān)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(gòu)成的花鍵副傳遞至下部鉆具，進(jìn)而驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)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(dǎo)向井段進(jìn)行滑動鉆進(jìn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳動軸反向轉(zhuǎn)動，帶動花鍵軸向上移動，當(dāng)花鍵軸上移至上止點(diǎn)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(dú)立轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而下部鉆具實(shí)現(xiàn)滑動鉆進(jìn)，達(dá)到了既保持導(dǎo)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(jié)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了在國內(nèi)現(xiàn)有裝備和工藝技術(shù)基礎(chǔ)上，低成本、高效率完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井施工的目的，打破了國外技術(shù)壟斷，對于提高我國復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井工藝技術(shù)水平和國際市場競爭力，提供了有力的技術(shù)支撐。

同時，半自動扭矩耦合裝置還具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、性能可靠、操作方便等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的半自動扭矩耦合裝置結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-上殼體、2-防護(hù)裝置、3-傳壓孔、4-壓力傳感裝置、5-步進(jìn)電機(jī)、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(dǎo)入體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖來詳細(xì)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(hù)裝置2、傳壓孔3、壓力傳感裝置4、步進(jìn)電機(jī)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(dǎo)入體15組成。防護(hù)裝置2固定在上殼體1內(nèi)部，壓力傳感裝置4、步進(jìn)電機(jī)5安裝在防護(hù)裝置2內(nèi)部，壓力傳感裝置安裝在步進(jìn)電機(jī)5的上端，傳動軸7安裝在步進(jìn)電機(jī)5的下端，防護(hù)裝置2與上殼體1之間安裝固定肋板6，防護(hù)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(hù)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(dǎo)入體15。

在復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井過程中，半自動扭矩耦合裝置根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)安裝在鉆具組合中，當(dāng)在穩(wěn)斜井段進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)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(jìn)入半自動扭矩耦合裝置時，依次經(jīng)過防護(hù)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(dá)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(jìn)電機(jī)5轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動傳動軸7轉(zhuǎn)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(dǎo)入體15的導(dǎo)入作用下，花鍵軸11進(jìn)入下殼體花鍵，花鍵軸11與上殼體1之間也是花鍵配合?；ㄦI軸11上部與防護(hù)裝置2之間設(shè)計(jì)有防脫結(jié)構(gòu)，當(dāng)防脫結(jié)構(gòu)接觸時，即花鍵軸11下行至下止點(diǎn)，花鍵軸11與下殼體14花鍵之間實(shí)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(gòu)件遮擋而減小，但沒有完全關(guān)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(gòu)成的花鍵副傳遞至下部鉆具，進(jìn)而驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)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(dǎo)向井段進(jìn)行滑動鉆進(jìn)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(jìn)電機(jī)5驅(qū)動傳動軸反向轉(zhuǎn)動，帶動花鍵軸11向上移動，當(dāng)花鍵軸11上移至上止點(diǎn)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(dú)立轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而下部鉆具實(shí)現(xiàn)滑動鉆進(jìn)，達(dá)到了既保持導(dǎo)向工具面穩(wěn)定不變，又減小鉆井摩擦阻力的目的。