[發明專利]井下旋轉鎖定機構

有效

• 申請號: 201380069875.0
• 申請日: 2013-02-20
• 公開（公告）號: CN104919131B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: A·P·克哈帕德;D·R·塔庫爾;S·S·索納
• 申請（專利權）人: 哈里伯頓能源服務公司
• 主分類號: E21B19/18
• 分類號: E21B19/18;E21B17/043;E21B4/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 丁曉峰

技術領域

本公開涉及用于將額外旋轉扭矩傳輸至安置于井筒中的工具串的井下旋轉鎖定機構的系統、組合件和方法，其中可能存在不利的條件以挑戰井筒中的工具串的旋傳遞動。

技術背景

在油和氣的勘探中，保護鉆桿和連接至其的井下工具的操作進展是重要的。一般來說，位于地面處或上方的鉆探設備可耦接至井筒中的鉆桿的近端以使鉆桿旋轉。鉆桿通常包括動力部分(例如，容積式泥漿馬達)，其包括定子和轉子，定子和轉子旋轉且將扭矩沿著鉆孔向下傳遞至耦接至鉆桿的遠端的鉆頭或其它井下設備(一般稱作“工具串”)。鉆探設備上的地面設備在鉆頭鉆孔至地殼中時使鉆桿和鉆頭旋轉以形成井筒。在正常操作期間，地面設備使定子旋轉，且轉子因為動力部分上的相對于定子的泵送的流體壓力差異而旋轉。諸如鉆桿、動力部分、工具串和鉆頭的井下組件的旋轉速度通常按照每分鐘轉數(RPM)來表示。隨著鉆頭上的重量或鉆探的地層阻力增大，鉆頭速度減慢。當鉆頭速度等于或小于定子的速度時(如可用RPM表示)，動力部分被稱作“停轉的”。

附圖簡述

圖1是鉆探設備和包括安置在井筒中的旋轉鎖定機構的井下設備的示意性說明。

圖2A是實施例井下旋轉鎖定機構的部分透視圖。

圖2B是圖2A的實施例井下旋轉鎖定機構的另一橫截面視圖。

圖3A至6B包括處于各個嚙合階段的實施例井下旋轉鎖定機構的俯視橫截面視圖和側視橫截面視圖。

圖7A至9B展示處于各個脫離階段的實施例井下旋轉鎖定機構的俯視橫截面視圖和側視橫截面視圖。

圖10是用于提供旋轉鎖定以將旋轉扭矩傳輸至井下工具串的實施例過程的流程圖。

具體實施方式

參看圖1，一般來說，位于地面12處或上方的鉆探設備10使在地面下方的安置于井筒60中的鉆桿20旋轉。鉆桿20通常包括井下容積式馬達(例如，Moineau型馬達)的動力部分22，井下容積式馬達包括定子24和轉子26，定子24和轉子26旋轉且將扭矩沿著鉆孔向下傳遞至附接至井下容積式馬達的縱向輸出軸45的鉆頭50或其它井下設備(一般稱作“工具串”)40。鉆探設備上的地面設備14在鉆頭50鉆孔至地殼中時使鉆桿20和鉆頭50旋轉以形成井筒60。井筒60通過套管34和在套管34與鉆孔之間的環中的水泥護套32加固。在正常操作期間，地面設備14使定子24旋轉，且轉子26因為動力部分22上的相對于井下容積式馬達的定子24的泵送的流體壓力差異而旋轉。隨著鉆頭50上的重量或鉆探的地層阻力增大，和/或當由動力部分產生的扭矩不足以克服此阻力時，鉆頭50速度減慢。當鉆頭50速度等于或小于定子24的RPM時，動力部分22被稱作“停轉的”。

在此階段，鉆頭50和轉子26的旋轉落后于定子24的旋轉，這意味著轉子26相對于定子24相對地向后轉動。在馬達停轉期間，機械負荷和高壓流體侵蝕的結合可迅速導致對定子的彈性體的嚴重損壞，且可減少動力部分22的工作壽命和效率。

在一些情形中，可通過將額外扭矩提供至鉆頭50以便穿透導致旋轉阻力的地層來避免馬達停轉。在所說明的實施例中，提供井下旋轉鎖定機構100以將額外扭矩從定子24傳輸至鉆頭50。

在正常操作下，定子24和轉子26彼此大體上旋轉地去耦。在停轉或接近停轉的情況下，井下旋轉鎖定機構100嚙合以使定子24旋轉地耦合至由轉子26驅動的輸出驅動軸102，以將額外扭矩遞送至可拆卸地緊固至輸出驅動軸的縱向輸出軸45。當阻力減小時，井下抗旋轉工具脫離以使定子24與轉子26大體上去耦。

圖2A和2B展示實施例井下旋轉鎖定機構100的部分透視圖和橫截面視圖。機構100包括輸出驅動軸102和管狀外殼104。管狀外殼包括縱向孔103和內壁105。輸出驅動軸102可由圖1的轉子26驅動，且管狀外殼104可耦接至定子24且由定子24驅動。

主動齒輪110位于縱向孔103中沿圓周在輸出驅動軸102與管狀外殼104之間。主動齒輪110包括緊固至縱向孔103的內壁105的外圍邊緣111。主動齒輪110與管狀外殼104一起旋轉，且個別地不耦合至輸出驅動軸102的旋轉。主動齒輪110包括以鋸齒形棘輪的圖案沿圓周切割的鋸齒形配置的“齒輪齒”112，其安置于穿過主動齒輪110的中心縱向孔114的周圍。