钻具随钻安全装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种钻具随钻安全装置，包括外壳体组件、芯轴组件、密封件等元件。外壳体组件包括上壳体、下接头；芯轴组件包括芯轴、压帽、花键体、活塞体。密封组件包括芯轴密封件、活塞体密封件、下接头外密封件、下接头外密封件、下接头内密封件；当钻具正常钻进作业时，依靠钻具随钻安全装置内部的锁止结构，可稳定进行钻进，不会自动脱扣。当井内发生卡钻事故时，可以很容易地从它本体联接螺纹处倒扣(即脱扣)，起出母接头及以上钻具或仪器，最大程度上避免先进的工具、仪器损坏或掩埋井底的情况发生，减少经济损失。
【专利说明】钻具随钻安全装置
【技术领域】
[0001]本发明属于地下资源钻采工程设备【技术领域】，尤其涉及一种钻具随钻安全装置。【背景技术】
[0002]随着国家对能源需求的日益增加，深井、超深井、定向井、水平井等，各类复杂井身结构越来越多地被采用，同时也就面临井下复杂情况，事故多、钻井周期长、费用高，先进的钻井、测井工具都依赖于进口，价格昂贵。其中在钻井施工的作业过程中，井下钻具事故发生频繁是一个突出的问题，而卡钻几乎又是钻进复杂地层的必出事故。而且在钻井施工作业过程中，卡钻是发生频率最高、处理花费时间最长和造成经济损失最大的钻井事故之一。
[0003]特别是在石油钻井定向井、水平井中，因卡钻造成国内外先进工具损坏或掩埋井底的情况履有发生，给钻井带来严重的安全隐患和巨大的财产损失。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种钻具随钻安全装置，目的是在需要的情况下可以顺利地倒扣，使其上下钻具脱开。本发明提供的钻具随钻安全装置能作为一种随钻工具，安装在近钻头位置，当井内发生卡钻需要脱扣时，可以很容易地从它本体联接螺纹处倒开，起出母接头及以上钻具或仪器；另外，正常钻进过程中有一锁止装置，不会自动脱扣。
[0005]本发明提供了一种钻具随钻安全装置，包括外壳体组件、芯轴组件、密封组件，其中:
[0006]所述外壳体组件包括筒形的上壳体、销子和圆柱形的下接头，所述上壳体与所述下接头的一端螺纹轴向联接；所述下接头的一端的端面上还设有牙嵌；所述上壳体的侧壁上设有定位销孔；所述上壳体的内壁上还设有内花键；
[0007]所述芯轴组件包括芯轴体、弹簧、弹簧座、并帽、花键体、活塞体，所述芯轴体外表面自顶部至底部依次套接装配设置有所述弹簧、弹簧座、并帽、花键体和活塞体；所述芯轴体的顶部还设有台阶，所述台阶用于卡住所述弹簧的一端，所述弹簧的另一端固定连接有弹簧座；花键体的外表面设有外花键；所述花键体上的外花键与所述上壳体的内花键花键联接；所述销子伸入所述上壳体侧壁上的所述定位销孔以及所述弹簧座内定位配合；所述并帽和所述活塞体与所述芯轴体螺纹联接，且所述并帽与所述弹簧座之间存在间隙；
[0008]所述密封组件包括芯轴密封件、活塞体密封件、下接头外密封件、下接头外密封件、下接头内S封件；
[0009]所述芯轴体的顶部外表面设有密封槽；所述芯轴密封件用于密封所述芯轴体的顶部的密封槽与所述外壳体组件内壁所形成的空腔；所述活塞体的外表面设有密封槽，所述活塞体密封件用于密封所述活塞体上的密封槽与所述下接头的内壁所形成的空腔；所述下接头的内壁设有密封槽，所述下接头外密封件用于密封所述下接头上的密封槽与芯轴体外表面所形成的空腔；所述下接头内密封件设置在所述下接头的外螺纹的末端处与上壳体的内螺纹末端处之间；所述芯轴密封件至活塞体密封件之间密封形成油腔；所述下接头外密封件与所述下接头内密封件密封形成平衡腔；所述上壳体的侧壁上还设有第一平衡孔，所述下接头的一端设有第二平衡孔；在上壳体与所述芯轴组件驱动到所述下接头处于预定相对位置时，所述第一平衡孔与所述第二平衡孔的相连通。
[0010]较佳地，所述上壳体的底部的内壁设有内螺纹，所述下接头的顶端的外壁设有外螺纹。
[0011]较佳地，所述钻具随钻安全装置设置在近钻头位置；
[0012]所述上壳体的顶部与仪器或钻具固定连接，所述下接头与螺杆钻具或钻头连接。
[0013]较佳地，所述上壳体的底部的内螺纹与所述下接头的顶端的外螺纹的牙数范围为
4-5 个。
[0014]较佳地，所述弹簧座的外表面的中间位置处设置有环槽；
[0015]所述销子伸入所述上壳体侧壁上的所述定位销孔和所述弹簧座内的环槽内定位配合。
[0016]较佳地，所述弹簧为压力弹簧。
[0017]与现有技术相比，本发明实施例的优点在于:
[0018]本发明提供的钻具随钻安全装置，分析其结构可知:其主要由外壳体组件(主要由上壳体、销子和下接头组成)、芯轴组件和密封组件三部分结构组成；其中，芯轴组件为芯轴体、弹簧、弹簧座、并帽、花键体、活塞体装配组成的可在外壳体组件内相对外壳体组件产生相对位移的组件，即芯轴总成；芯轴体外表面自顶部至底部依次套接装配设置有弹簧、弹簧座、并帽、花键体和活塞体；芯轴体的顶部还设有台阶，台阶用于卡住弹簧的一端，弹簧的另一端固定连接有弹簧座；花键体的外表面设有外花键；花键体上的外花键与上壳体的内花键花键联接；销子伸入上壳体侧壁上的定位销孔以及弹簧座内定位配合；并帽和活塞体与芯轴体螺纹联接，且并帽与弹簧座之间存在间隙；上壳体的顶部与钻具固定连接，所述下接头与所述泵体固定连接；这样参见图1示意的结构可知，与钻具固定连接的上壳体的顶部在受力时，弹簧将会受到压力作用处于压缩状态，这样芯轴体将于上壳体产生相对滑动；
[0019]密封组件包括芯轴密封件、活塞体密封件、下接头外密封件、下接头外密封件、下接头内密封件，并且还形成了油腔、平衡腔等结构；在上壳体与芯轴组件驱动到下接头处于预定相对位置时，第一平衡孔与第二平衡孔的相连通。
[0020]即当进行正常钻井作业时，泥浆通过钻具随钻安全装置的通径进入螺杆钻具、钻头水眼，再通过环空返回地面，泥浆液柱在螺杆钻具、钻头水眼处产生压力降，造成钻具随钻安全装置通径压力高于环空压力，而环空压力与平衡腔压力相同，从而芯轴组件(即芯轴总成)顶端压力大、底端压力小，(此时弹簧将会受到压力作用处于压缩状态)迫使芯轴组件向下移动，直至A处花键体8的外花键与下接头2的牙嵌完全啮合。由于花键体8的外花键同时与上壳体I的内花键啮合，所以上壳体I与下接头2周向锁止，不能相对转动，即钻具随钻安全装置无论此时处于受压、受拉状态，都不能倒扣成功，它们此时犹如一个整体，能承受正常钻进的正反扭矩。
[0021]当遇到卡钻事故时，这时泵体处于停泵状态(即停机状态)，这时下接头受到泵体给予的扭矩很小，该钻具随钻安全装置的芯轴组件(即芯轴总成)在弹簧4的弹力作用(恢复形变，摆脱压缩状态)，处于上死点位置，此时弹簧座5的下端面与并帽7的上端面贴合，带动A处花键体8的外花键与下接头2的牙嵌脱开。这时钻具随钻安全装置就可完成自动解锁(脱开牙嵌)操作，这时上壳体I与下接头2处于无锁止状态，另外由于上壳体的底部的内螺纹与下接头的顶端的外螺纹采用宽锯齿牙型和凹凸形拉紧端面设计，因此只需要停泵后施加10-20KN压力后很容易倒扣；进而完成卡钻脱扣操作，因此，本发明提供的钻具随钻安全装置可帮助钻头顺利完成脱扣，最大程度地保证卡点以上工具、仪器(包括钻具等)的安全取出，降低事故损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的主视图；
[0023]图2为本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的螺纹拉紧面示意图；
[0024]图3为本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的下接头端面牙嵌主视结构示意图；
[0025]图3a为图3中本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的下接头端面牙嵌侧视结构示意图；
[0026]图4为本发明实施例提供的钻具随钻安全装置芯轴组件的主视图；
[0027]图5为本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的花键体主视图；
[0028]图5a为图5中本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的花键体侧视图；
[0029]图6为图5中本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的花键体的立体视图；
[0030]图6a为本发明实施例提供的钻具随钻安全装置的上壳体的带有内花键部分的局部结构示意图；
[0031]其中，外壳体组件:1-上壳体、2-下接头、6-销子；
[0032]芯轴组件:3-芯轴体、4-弹簧、5-弹簧座、7-并帽、8_花键体、9_活塞体；
[0033]密封组件:12_芯轴密封件、13-活塞体密封件、11-下接头外密封件、14-下接头内密封件。
【具体实施方式】
[0034]下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0035]首先，在叙述【具体实施方式】之前，在本发明提供的实施例中，规定工具母扣端为上端，公扣端为下端。
[0036]如图1所示，本实施例中提供的钻具随钻安全装置，主要包括外壳体组件、芯轴组件和密封组件三个部分结构；
[0037]其具体结构包括上壳体1、下接头2、芯轴体3、弹簧4、弹簧座5、销子6 ;并帽7、花键体8、活塞体9 ;下接头外密封件11、芯轴密封件12、活塞体密封件13、下接头内密封件14。
[0038]关于外壳体组件:外壳体组件包括上壳体、销子、下接头，下壳体与下壳体通过宽锯齿螺纹轴向联接；销子固定在上壳体侧壁上。上壳体中间设计有内花键；下接头宽锯齿螺纹端面，设计有牙嵌(如图3以及图3a所示)。
[0039]需要说明的是，锯齿螺纹(例如宽锯齿螺纹)可实现紧固连接，单向受力和传动作用。[0040]上壳体I侧壁上周向设置有3个销子孔，用于固定销子6 ;内孔设置有内花键，上壳体I上的内花键可与芯轴组件上的花键体8的外花键啮合(即花键联接)；上壳体I的底端是宽锯齿内螺纹，可与下接头2的宽锯齿外螺纹旋合，并通过特有的凹凸端面来拉紧螺纹，如图2 (从左至右为拉紧凸齿重合状态到拉紧凸齿被拉紧状态的对比变化示意图)，此处螺纹的设计，使其在施加10-20KN压力后很容易倒扣，该螺纹设计五扣即可承受井内各种作业的复合应力，在深井和弯曲的井眼中倒扣时，只需要2?3圈，而在直井和浅井中倒2圈即可，在井下倒扣或重新对扣的速度要比钻杆或油管接头快4?8倍，且螺纹的找中性好。
[0041 ] 参见图5以及图5a，需要说明的是，花键联接由内花键和外花键组成(例如矩形花键或是渐开线花键)。在内圆柱表面上的花键为内花键，在外圆柱表面上的花键为外花键。与平键联接比较，花键联接在强度、工艺和使用方面有下列特点:齿数较多，总接触面积较大，因而可承受较大的载荷；轴上零件与轴的对中性好，这对高速及精密机器很重要；导向性好，这对动联接很重要；适用场合:定心精度要求高、传递转矩大或经常滑移的联接。因此花键联接受力较为均匀，更适应与钻具随钻安全装置这样的受力载荷较大、受扭矩较大的结构装置；
[0042]关于芯轴组件:(芯轴组件安装在外壳体组件内，通过销子固定在外壳体组件内壁上。)如图4所示，芯轴体3外面从上至下依次装配有所述弹簧4、弹簧座5、并帽7、花键体8、活塞体9。花键体8设计有外花键(另参见图5)，能与上壳体I的内花键啮合，同时也能与下接头2的牙嵌啮合，如图A处。
[0043]关于密封组件:芯轴体3顶端(即图1中的芯轴体的大端)外圆设置有密封槽，安装芯轴密封件12，与上壳体I内孔配合；活塞体9外圆设置有密封槽，安装活塞体密封件13，与下接头2牙嵌端内孔配合；下接头2最小内孔设置有密封槽，安装下接头内密封件14，与芯轴体3小端外圆配合。前两组密封形成油腔，后两组密封形成平衡腔，通过平衡孔B与环空压力平衡。
[0044]通过弹簧作用，芯轴体、并帽、花键体、活塞体能在外壳体组件内轴向移动。当芯轴体处于上端位置，花键体的外花键与上壳体的内花键啮合；当芯轴体下行，花键体的外花键同时与上壳体的内花键、下接头的牙嵌啮合(即实现锁止作用)。在牙嵌啮合后可进行钻井作业，这样的牙嵌与花键体的外花键啮合结构以及上壳体的内花键与花键体的外花键啮合结构可起到一定的承载载荷的作用，而且其导向性、对中性(即找中性)更好，应力集中较小。
[0045]下面介绍一下上述钻具随钻安全装置的工作原理:
[0046]在正常钻井过程中，泥浆通过钻具随钻安全装置的通径进入螺杆钻具、钻头水眼，再通过环空返回地面，泥浆液柱在螺杆钻具、钻头水眼处产生压力降，造成钻具随钻安全装置通径压力高于环空压力，而环空压力与平衡腔压力相同，从而芯轴组件上端压力大、下端压力小，迫使芯轴向下移动，直至A处花键体8的外花键与下接头2的牙嵌完全啮合。由于花键体8的外花键同时与上壳体I的内花键啮合，所以上壳体I与下接头2周向锁止，不能相对转动，即钻具随钻安全装置无论此时处于受压、受拉状态，都不能倒扣成功，它们此时犹如一个整体，能承受正常钻进的正反扭矩。
[0047]在起下钻等停泵状态，本钻具随钻安全装置的芯轴组件在弹簧4的弹力作用，处于上死点位置，此时弹簧座5的下端面与并帽7的上端面贴合，A处花键体8的外花键与下接头2的牙嵌脱开。故上壳体I与下接头2的无锁止，施加10-20KN压力后很容易倒扣。
[0048]进一步的，将本钻具随钻安全装置安装在测井仪器与螺杆钻具、钻头之间，当钻头卡钻后，只需停泵后施加10-20KN压力就很容易倒扣，即而可起出本钻具随钻安全装置以上的仪器和钻柱，最大程度地保证卡点以上工具、仪器的安全，降低事故损失。
[0049]需要说明的是，本发明实施例提供的钻具随钻安全装置可用于处理卡钻事故和钻井施工的作业中，例如:钻具在钻井内执行钻井作业时，在井内某一深度时发生卡钻，这时候除了需要了解卡点深度(利用专用测卡仪)和被卡钻具长度等处理卡钻事故，最为重要的就是及时倒扣，钻具随钻安全装置其在正常钻进时，工作稳定，不会发生倒扣等现象，在遇到卡钻事故后可顺利脱扣。
[0050]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种钻具随钻安全装置，其特征在于，包括外壳体组件、芯轴组件、密封组件，其中: 所述外壳体组件包括筒形的上壳体、销子和圆柱形的下接头，所述上壳体与所述下接头的一端螺纹轴向联接；所述下接头的一端的端面上还设有牙嵌；所述上壳体的侧壁上设有定位销孔；所述上壳体的内壁上还设有内花键； 所述芯轴组件包括芯轴体、弹簧、弹簧座、并帽、花键体、活塞体，所述芯轴体外表面自顶部至底部依次套接装配设置有所述弹簧、弹簧座、并帽、花键体和活塞体；所述芯轴体的顶部还设有台阶，所述台阶用于卡住所述弹簧的一端，所述弹簧的另一端固定连接有弹簧座；花键体的外表面设有外花键；所述花键体上的外花键与所述上壳体的内花键花键联接；所述销子伸入所述上壳体的侧壁上的所述定位销孔以及所述弹簧座内定位配合；所述并帽和所述活塞体与所述芯轴体螺纹联接，且所述并帽与所述弹簧座之间存在间隙； 所述密封组件包括芯轴密封件、活塞体密封件、下接头外密封件、下接头内密封件；所述芯轴体的顶部外表面设有密封槽；所述芯轴密封件用于密封所述芯轴体的顶部的密封槽与所述外壳体组件内壁所形成的空腔；所述活塞体的外表面设有密封槽，所述活塞体密封件用于密封所述活塞体上的密封槽与所述下接头的内壁所形成的空腔；所述下接头的内壁设有密封槽，所述下接头外密封件用于密封所述下接头上的密封槽与芯轴体外表面所形成的空腔；所述下接头内密封件设置在所述下接头的外螺纹的末端处与上壳体的内螺纹末端处之间；所述芯轴密封件至活塞体密封件之间密封形成油腔；所述下接头外密封件与所述下接头内密封件密封形成平衡腔；所述上壳体的侧壁上还设有第一平衡孔，所述下接头的一端设有第二平衡孔；在上壳体与所述芯轴组件驱动到所述下接头处于预定相对位置时，所述第一平衡孔与所述第二平衡孔的相连通。
2.如权利要求1所述的钻具随钻安全装置，其特征在于， 所述上壳体的底部的内壁设有内螺纹，所述下接头的顶端的外壁设有外螺纹。
3.如权利要求2所述的钻具随钻安全装置，其特征在于， 所述钻具随钻安全装置设置在近钻头位置； 所述上壳体的顶部与钻具固定连接，所述下接头与螺杆钻具或钻头固定连接。
4.如权利要求2所述的钻具随钻安全装置，其特征在于， 所述上壳体的底部的内螺纹与所述下接头的顶端的外螺纹的牙数范围为4-5个。
5.如权利要求1所述的钻具随钻安全装置，其特征在于， 所述弹簧座的外表面的中间位置处设置有环槽； 所述销子伸入所述上壳体侧壁上的所述定位销孔和所述弹簧座内的环槽内定位配合。
6.如权利要求1所述的钻具随钻安全装置，其特征在于， 所述弹簧为压力弹簧。
【文档编号】E21B12/00GK103924920SQ201410168343
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】王岳, 李子杰, 刘湘华, 胡波 申请人:王岳