井下旋转锁定机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于将额外旋转扭矩传输至安置于井筒中的工具串的井下旋转锁定机构的系统、组合件和方法，其中可能存在不利的条件以挑战井筒中的工具串的旋传递动。
技术背景
[0002]在油和气的勘探中，保护钻杆和连接至其的井下工具的操作进展是重要的。一般来说，位于地面处或上方的钻探设备可耦接至井筒中的钻杆的近端以使钻杆旋转。钻杆通常包括动力部分(例如，容积式泥浆马达)，其包括定子和转子，定子和转子旋转且将扭矩沿着钻孔向下传递至耦接至钻杆的远端的钻头或其它井下设备(一般称作“工具串”)。钻探设备上的地面设备在钻头钻孔至地壳中时使钻杆和钻头旋转以形成井筒。在正常操作期间，地面设备使定子旋转，且转子因为动力部分上的相对于定子的泵送的流体压力差异而旋转。诸如钻杆、动力部分、工具串和钻头的井下组件的旋转速度通常按照每分钟转数(RPM)来表示。随着钻头上的重量或钻探的地层阻力增大，钻头速度减慢。当钻头速度等于或小于定子的速度时(如可用RPM表示)，动力部分被称作“停转的”。
[0003]附图简述
[0004]图1是钻探设备和包括安置在井筒中的旋转锁定机构的井下设备的示意性说明。
[0005]图2A是实施例井下旋转锁定机构的部分透视图。
[0006]图2B是图2A的实施例井下旋转锁定机构的另一横截面视图。
[0007]图3A至6B包括处于各个啮合阶段的实施例井下旋转锁定机构的俯视横截面视图和侧视横截面视图。
[0008]图7A至9B展示处于各个脱离阶段的实施例井下旋转锁定机构的俯视横截面视图和侧视横截面视图。
[0009]图10是用于提供旋转锁定以将旋转扭矩传输至井下工具串的实施例过程的流程图。
【具体实施方式】
[0010]参看图1，一般来说，位于地面12处或上方的钻探设备10使在地面下方的安置于井筒60中的钻杆20旋转。钻杆20通常包括井下容积式马达(例如，Moineau型马达)的动力部分22，井下容积式马达包括定子24和转子26，定子24和转子26旋转且将扭矩沿着钻孔向下传递至附接至井下容积式马达的纵向输出轴45的钻头50或其它井下设备(一般称作“工具串”)40。钻探设备上的地面设备14在钻头50钻孔至地壳中时使钻杆20和钻头50旋转以形成井筒60。井筒60通过套管34和在套管34与钻孔之间的环中的水泥护套32加固。在正常操作期间，地面设备14使定子24旋转，且转子26因为动力部分22上的相对于井下容积式马达的定子24的泵送的流体压力差异而旋转。随着钻头50上的重量或钻探的地层阻力增大，和/或当由动力部分产生的扭矩不足以克服此阻力时，钻头50速度减慢。当钻头50速度等于或小于定子24的RPM时，动力部分22被称作“停转的”。
[0011]在此阶段，钻头50和转子26的旋转落后于定子24的旋转，这意味着转子26相对于定子24相对地向后转动。在马达停转期间，机械负荷和高压流体侵蚀的结合可迅速导致对定子的弹性体的严重损坏，且可减少动力部分22的工作寿命和效率。
[0012]在一些情形中，可通过将额外扭矩提供至钻头50以便穿透导致旋转阻力的地层来避免马达停转。在所说明的实施例中，提供井下旋转锁定机构100以将额外扭矩从定子24传输至钻头50。
[0013]在正常操作下，定子24和转子26彼此大体上旋转地去耦。在停转或接近停转的情况下，井下旋转锁定机构100啮合以使定子24旋转地耦合至由转子26驱动的输出驱动轴102，以将额外扭矩递送至可拆卸地紧固至输出驱动轴的纵向输出轴45。当阻力减小时，井下抗旋转工具脱离以使定子24与转子26大体上去耦。
[0014]图2A和2B展示实施例井下旋转锁定机构100的部分透视图和横截面视图。机构100包括输出驱动轴102和管状外壳104。管状外壳包括纵向孔103和内壁105。输出驱动轴102可由图1的转子26驱动，且管状外壳104可耦接至定子24且由定子24驱动。
[0015]主动齿轮110位于纵向孔103中沿圆周在输出驱动轴102与管状外壳104之间。主动齿轮I1包括紧固至纵向孔103的内壁105的外围边缘111。主动齿轮110与管状外壳104 —起旋转，且个别地不耦合至输出驱动轴102的旋转。主动齿轮110包括以锯齿形棘轮的图案沿圆周切割的锯齿形配置的“齿轮齿”112，其安置于穿过主动齿轮110的中心纵向孔114的周围。
[0016]从动齿轮120位于纵向孔103中沿圆周在输出驱动轴102与管状外壳104之间。从动齿轮120的下表面包括以锯齿形棘轮的图案沿圆周切割的齿轮齿122，其对应于齿轮齿112且可与齿轮齿112配套。从动齿轮120包括一个或多个纵向凹槽123，其轴向地安置于从动齿轮120的纵向孔114的内壁125中以收纳一个或多个花键124，花键124适合于允许从动齿轮在输出轴102上纵向地滑动。花键124纵向地定向在输出驱动轴102的外部外围表面106的周围且收纳在从动齿轮120的孔的内壁中的配套的纵向凹槽123中，使得从动齿轮120能够沿着输出驱动轴102纵向地滑动，且花键124将旋转扭矩从从动齿轮120传输至输出轴102。
[0017]在一些实施方式中，花键124可形成(例如，机械加工或模制)为输出驱动轴102的部分。在一些实施方式中，花键124可以可拆卸地连接至输出驱动轴102。举例来说，花键124可形成为通过系固件、焊接件或任何其它适当的连接器纵向地附着至驱动轴的条。在一些实施方式中，花键124可形成为一个或多个锁定键，且纵向凹槽123可以是被形成来接纳锁定键的一个或多个对应键槽。举例来说，输出驱动轴102可包括一个、两个、三个、四个或任何其它适当的数目的锁定键，且从动齿轮120可包括对应数目的键槽。在一些实施方式中，花键124可形成为大体上围绕输出驱动轴120的外围的纵向肋条的集合，且纵向凹槽123可形成为在从动齿轮120的纵向孔103的大体上整个内壁105中形成的对应凹槽的集合。在一些实施方式中，花键124和纵向凹槽123横截面可以是大体上矩形的。在一些实施方式中，花键124和纵向凹槽123横截面可以是大体上三角形的。
[0018]从动齿轮120包括螺旋形凸轮凹槽126和圆周凹槽128的集合。凹槽126至128形成以接纳球头螺杆130的集合。球头螺杆130螺旋穿过管状外壳104中形成的螺纹132以部分地延伸至凹槽126至128中。
[0019]圆周凹槽128形成在从动齿轮120的径向向外的表面内且沿圆周在从动齿轮120的径向向外的表面周围。圆周凹槽128形成，使得球头螺杆130在圆周凹槽128内传递以允许从动齿轮120自由地旋转，同时将从动齿轮120大体上维持在沿着输出驱动轴102的轴线的一位置处，使得齿轮齿122脱离主动齿轮110的齿轮齿112。
[0020]螺旋形凸轮凹槽126形成在从动齿轮120的径向向外的表面内，从而在交叉点134处与圆周凹槽128交叉且螺旋地延伸远离圆周凹槽128和齿轮齿122。螺旋形凸轮凹槽126形成，使得球头螺杆130在螺旋形凸轮凹槽126内传递以在管状外壳104相对于输出驱动轴102旋转时使从动齿轮120沿着花键124纵向地移动。从动齿轮120的纵向移动在管状外壳104在第一方向上旋转得相对快于输出驱动轴102时使齿轮齿122与齿轮齿112啮合，如图3A至6B所展示，且在管状外壳104旋转得比输出驱动轴102更慢时使齿轮齿122脱离齿轮齿112，如图3A至6B所展示。
[0021]图3A至6B展示处于各个啮合阶段的实施例井下旋转锁定机构100的俯视横截面视图和侧视横截面视图。参看图3A和3B，机构100展示为处于脱离配置。在一些实施方式中，输出轴102可适合于将旋转扭矩传输至安置于井筒60中的在井下旋转锁定机构100下方的钻头50。
[0022]从动齿轮120的齿轮齿122不与主动齿轮110的齿轮齿112旋转接触。在正常操作下，输出驱动轴102和管状外壳104两者在相同方向上旋转，其中输出驱动轴102的旋转速度相对快于管状外壳104的旋转速度。在所说明的实施例中，两个构件的旋转展示为如从图3A所示的角度观看是顺时针的，但在一些实施方案中，机构100可被配置用来执