用于井下钻孔的过扭矩保护装置的制作方法

1.本技术涉及油气完井技术领域，特别涉及一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置。


背景技术：

2.在石油和天然气的勘探开发过程中，径向钻孔技术作为近些年新兴的一种完井技术，在部分重点井获得推广使用。
3.上述井下钻孔技术通常采用电机或其它动力元件带动柔性钻杆和钻头旋转，从而进行破岩，但由于井下情况比较复杂以及地层结构变化等原因，施工时常会遇到钻头卡死在地层里，不能转动，即卡钻事故的发生。此时阻力扭矩会在瞬间急剧上升，该扭矩向上传递至电机，超过电机的最大扭矩，会导致电机卡住，电机的电流急剧升高，进而烧坏电机或驱动电路。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置，能够避免卡钻时的电机卡住，进而避免烧坏电机或驱动电路。该技术方案如下：
5.提供了一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置，该装置包括：壳体、主动轮盘、从动轮盘和多个弹性机构；
6.该主动轮盘、该从动轮盘以及该多个弹性机构均位于该壳体的内腔中；
7.该壳体的第一端具有第一开口，该壳体的第二端具有第二开口；
8.该主动轮盘的输入端插入该第一开口中，该主动轮盘的输出端位于该壳体的内腔中，且该主动轮盘的输出端的端面上设有多个凹槽；
9.该从动轮盘的输入端上设有多个通孔，每个通孔与一个凹槽相对应，且每个通孔中设有一个弹性机构，该从动轮盘的输出端插入该第二开口中；
10.该弹性机构包括球体、弹性件和封堵件，该球体位于该通孔的第一端内，用于卡止于该凹槽中，该封堵件连接于该通孔的第二端，该弹性件位于该球体和该封堵件之间。
11.在一种可能设计中，该壳体包括：筒体和压盘，该筒体和该压盘之间可拆卸的连接；
12.该第一开口位于该筒体上，该第二开口位于该压盘上。
13.在一种可能设计中，该凹槽的截面形状为半圆形。
14.在一种可能设计中，该凹槽的数量为2
‑
6个。
15.在一种可能设计中，该主动轮盘的输入端的侧壁上具有第一卡止槽，用于通过第一平键连接电机的输出轴。
16.在一种可能设计中，该球体为钢球。
17.在一种可能设计中，该弹性件为弹簧。
18.在一种可能设计中，该封堵件上有外螺纹；
19.该通孔的第二端具有与该外螺纹适配的内螺纹。
20.在一种可能设计中，该从动轮盘的输出端用于通过转接件连接柔性钻杆。
21.在一种可能设计中，该从动轮盘的输出端的侧壁上具有第二卡止槽，用于通过第二平键连接该转接件。
22.本技术实施例提供的装置，通过在主动轮盘的输出端的端面上设置多个凹槽，并在从动轮盘中设置多个通孔，每个通孔与一个凹槽相对应，且每个通孔中设有一个弹性机构，在该弹性机构中，通过弹性件和封堵件支撑一个球体，在正常使用时，球体基于弹性件的弹力卡止于凹槽中，主动轮盘带动从动轮盘转动，在发生卡钻时，阻力扭矩急剧上升，由于从动轮盘停止转动，因此，主动轮盘向球体施加大于正常工作所需的力，由于球体的形状，造成凹槽与球体之间的接触面不是沿周向的，而是与周向之间具有一定的夹角，因此，该力具有沿轴向的分力，该轴向分力作用在球体上，使球体向远离凹槽的方向移动，并压缩弹性件，从而使主动轮盘与从动轮盘之间脱离，主动轮盘在电机的带动下空转，从动轮盘随钻头一起停转，从而避免了电机卡住，进而避免烧坏电机或驱动电路。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本技术实施例提供的一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置的使用示意图；
25.图2是本技术实施例提供的一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置10的结构示意图；
26.图3是本技术实施例提供的一种主动轮盘12的结构示意图。
27.附图中的各零件的标号说明如下：
28.10
‑
用于井下钻孔的过扭矩保护装置；
29.11
‑
壳体；
30.111
‑
第一开口；
31.112
‑
第二开口；
32.113
‑
筒体；
33.114
‑
压盘；
34.12
‑
主动轮盘；
35.121
‑
凹槽；
36.122
‑
第一卡止槽；
37.123
‑
第一平键；
38.13
‑
从动轮盘；
39.131
‑
通孔；
40.132
‑
第二卡止槽；
41.133
‑
第二平键；
42.14
‑
弹性机构；
43.141
‑
球体；
44.142
‑
弹性件；
45.143
‑
封堵件；
46.20
‑
电机；
47.30
‑
柔性钻杆；
48.40
‑
钻头；
49.50
‑
转接件。
具体实施方式
50.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
51.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
52.图1是本技术实施例提供的一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置的使用示意图，请参见图1，该用于井下钻孔的过扭矩保护装置10的输入端与电机20相连，输出端连接柔性钻杆30，柔性钻杆30的端部为钻头40，通过电机20带动该装置，该装置带动柔性钻杆30，柔性钻杆30带动钻头40来进行破岩。
53.图2是本技术实施例提供的一种用于井下钻孔的过扭矩保护装置10的结构示意图，请参见图2，该装置包括：壳体11、主动轮盘12、从动轮盘13和多个弹性机构14；该主动轮盘12、该从动轮盘13以及该多个弹性机构14均位于该壳体11的内腔中；该壳体11的第一端具有第一开口111，该壳体11的第二端具有第二开口112；该主动轮盘12的输入端插入该第一开口111中，该主动轮盘12的输出端位于该壳体11的内腔中，且该主动轮盘12的输出端的端面上设有多个凹槽121；该从动轮盘13的输入端上设有多个通孔131，每个通孔131与一个凹槽121相对应，且每个通孔131中设有一个弹性机构14，该从动轮盘13的输出端插入该第二开口112中；该弹性机构14包括球体141、弹性件142和封堵件143，该球体141位于该通孔131的第一端内，用于卡止于该凹槽121中，该封堵件143连接于该通孔131的第二端，该弹性件142位于该球体141和该封堵件143之间。
54.下面对该装置的工作原理进行详述：
55.在该装置的正常使用过程中，电机20将扭矩传递至主动轮盘12，主动轮盘12将扭矩传递至从动轮盘13，进而传递至柔性钻杆30和钻头40，实施切削破岩，当卡钻发生，出现阻力扭矩高于临界扭矩值时，主动轮盘12和从动轮盘13脱离，主动轮盘12和电机20一起旋转，而从动轮盘13静止不动，以此保护电机20，避免损坏。
56.具体地，在主动轮盘12和从动轮盘13脱离前，电机20输出扭矩施加到主动轮盘12上，使其旋转，采用使弹性件142预先压缩的形式给球体141施加推力，使球体141和主动轮盘12中的凹槽121啮合，从而实现将扭矩转递到从动轮盘13上，进而施加到柔性钻杆30和钻头40上，为切削地层提供扭矩。当钻孔出现意外，钻头40或柔性钻杆30卡在地层，静止不动时，会导致从动轮盘13也静止不动，而此时负载的变大会造成电机20的输出扭矩上升，将更
大的扭矩施加到主动轮盘12上，主动轮盘12的凹槽121将此力矩施加到球体141上，由于受力点接触角度的原因，会在球体141上产生两个分力，一个周向分力要克服从动轮盘13阻力扭矩，由于卡钻，所以该分力无效，另一个轴向分力会给球体141施加一个推力，此推力会克服弹性件142的弹力，将球体141压入通孔131内，从而脱离啮合，只有主动轮盘12随着电机20继续旋转，从动轮盘13则保持静止不动，从而避免了电机20出现“卡住”现象，也就避免了因电流过大，烧坏电机20或驱动电路的问题。当“卡钻”事故解除后，钻头40或柔性钻杆30的阻力扭矩即恢复正常值，此时球体141和主动轮盘12会重新啮合，可继续实施钻孔作业。
57.上述装置中的各部件之间采用独立结构设计，使连接、安装、更换方便；而且，通过采用弹性件142来对球体141与凹槽121之间的啮合施加预紧力，通过调节弹性件142的预紧力可以调节临界扭矩的大小。
58.本技术实施例提供的装置，通过在主动轮盘12的输出端的端面上设置多个凹槽121，并在从动轮盘13中设置多个通孔131，每个通孔131与一个凹槽121相对应，且每个通孔131中设有一个弹性机构14，在该弹性机构14中，通过弹性件142和封堵件143支撑一个球体141，在正常使用时，球体141基于弹性件142的弹力卡止于凹槽121中，主动轮盘12带动从动轮盘13转动，在发生卡钻时，阻力扭矩急剧上升，由于从动轮盘13停止转动，因此，主动轮盘12向球体141施加大于正常工作所需的力，由于球体141的形状，造成凹槽121与球体141之间的接触面不是沿周向的，而是与周向之间具有一定的夹角，因此，该力具有沿轴向的分力，该轴向分力作用在球体141上，使球体141向远离凹槽121的方向移动，并压缩弹性件142，从而使主动轮盘12与从动轮盘13之间脱离，主动轮盘12在电机20的带动下空转，从动轮盘13随钻头40一起停转，从而避免了电机20卡住，进而避免烧坏电机20或驱动电路。
59.下面对该装置各部分结构及工作原理进行详述：
60.在一种可能设计中，该壳体11包括：筒体113和压盘114，该筒体113和该压盘114之间可拆卸的连接；该第一开口111位于该筒体113上，该第二开口112位于该压盘114上。
61.在上述结构中，该壳体11的可拆卸结构可以便于将主动轮盘12、从动轮盘13以及弹性机构14安装在壳体11内，其中，该筒体113和压盘114可以是通过螺纹、螺钉等任何连接方式，本实施例对此不作限定。
62.图3是本技术实施例提供的一种主动轮盘12的结构示意图，请参见图3，在一种可能设计中，该凹槽121的截面形状为半圆形，这样可以更好的与球体141啮合，该半圆形的半径可以是大于或等于球体141的半径，本实施例对此不作限定。
63.在该装置中，该主动轮盘12的输入端的直径小于输出端的直径，从而便于该输入端插入该第一开口111中。
64.在该装置中，该凹槽121、该通孔131和该弹性机构14的数量相等。
65.在一种可能设计中，该凹槽121的数量为2
‑
6个，例如，可以是4个，则对应的通孔131和弹性机构14的数量也是4个。
66.在一种可能设计中，该主动轮盘12的输入端的侧壁上具有第一卡止槽122，用于通过第一平键123连接电机20的输出轴，从而便于通过该第一平键123传递扭矩。
67.在一种可能设计中，该球体141为钢球，钢球具有一定的刚度和强度，有利于提高该装置的使用寿命。
68.在一种可能设计中，该弹性件142为弹簧，弹簧造价低廉，且容易取得，使用寿命
长。
69.在一种可能设计中，该封堵件143上有外螺纹；该通孔131的第二端具有与该外螺纹适配的内螺纹，从而通过该外螺纹和内螺纹的配合，封堵件143可以连接在该通孔131的第二端，螺纹连接的方式便于拆卸和安装。
70.在一种可能设计中，该从动轮盘13的输出端用于通过转接件50连接柔性钻杆30，使连接、安装、更换方便。
71.在一种可能设计中，该从动轮盘13的输出端的侧壁上具有第二卡止槽132，用于通过第二平键133连接该转接件50，基于第二卡止槽132和第二平键133，便于扭矩的传递。
72.上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本技术的可选实施例，在此不再一一赘述。
73.本技术实施例提供的装置，通过在主动轮盘12的输出端的端面上设置多个凹槽121，并在从动轮盘13中设置多个通孔131，每个通孔131与一个凹槽121相对应，且每个通孔131中设有一个弹性机构14，在该弹性机构14中，通过弹性件142和封堵件143支撑一个球体141，在正常使用时，球体141基于弹性件142的弹力卡止于凹槽121中，主动轮盘12带动从动轮盘13转动，在发生卡钻时，阻力扭矩急剧上升，由于从动轮盘13停止转动，因此，主动轮盘12向球体141施加大于正常工作所需的力，由于球体141的形状，造成凹槽121与球体141之间的接触面不是沿周向的，而是与周向之间具有一定的夹角，因此，该力具有沿轴向的分力，该轴向分力作用在球体141上，使球体141向远离凹槽121的方向移动，并压缩弹性件142，从而使主动轮盘12与从动轮盘13之间脱离，主动轮盘12在电机20的带动下空转，从动轮盘13随钻头40一起停转，从而避免了电机20卡住，进而避免烧坏电机20或驱动电路。
74.在一种可能设计中，该壳体11包括：筒体113和压盘114，该筒体113和该压盘114之间可拆卸的连接；该第一开口111位于该筒体113上，该第二开口112位于该压盘114上。在上述结构中，该壳体11的可拆卸结构可以便于将主动轮盘12、从动轮盘13以及弹性机构14安装在壳体11内，其中，该筒体113和压盘114可以是通过螺纹、螺钉等任何连接方式，本实施例对此不作限定。
75.上述仅为本技术的可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。