一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置的制作方法

本发明属于定向井、水平井定向钻井作业，具体地，涉及一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置。

背景技术：

1、目前，定向井、水平井主要利用螺杆钻具进行井眼轨迹控制。当滑动钻进时，钻柱不旋转以保证螺杆钻具工具面的稳定，但这将导致钻柱与井壁之产生很大轴向摩阻，尤其对于长水平段水平井和大位移井，巨大的轴向摩阻会导致钻压传递不顺利，机械钻速低。为解决螺杆钻具滑动定向钻进时机械钻速低的缺点，国内外开发了各种技术，主要的思路是通过使钻柱旋转起来以降低摩阻，从而实现提高机械钻速的目的。

2、现有技术中有多种方案，例如，利用先进的旋转导向工具，可以在有效控制井眼轨迹的同时旋转钻柱，从而克服了滑动导向技术的不足，且钻压传递顺利，机械钻速高，井眼质量好，然而，由于现有的旋转导向工具为机电液一体化设备，使用及维护成本昂贵，不利于钻井成本的降低。

3、还有在保持井眼轨迹控制能力的前提下，通过研究大弯角螺杆复合钻进技术，通过降低滑动钻机比例，提高钻井速度。其研究应用可变径稳定器等螺杆导向钻具的配置工具和措施，尽可能提高常规导向钻具的性能等。然而，大弯角螺杆钻具在复合钻进时其断裂、磨损等失效频率升高，并且提高复合钻进的比例有限。

4、还有通过对顶驱程序进行改变，在滑动钻进时，顶驱首先正转一定的圈数，再反转相同的圈数，持续往复上述过程，一定长度的钻柱即受到持续正反的震荡作用，可降低钻柱与井壁之间的摩擦力，正反转圈数要限制在一定数值范围内。但是，震荡长度有限，并且存在卸扣的风险

5、中国专利文献zl201620363357.0公开了一种井下管柱转动控制开关，其安放于螺杆钻具以上300m左右的位置，可以通过钻井液打开开关，钻柱旋转时利用300m左右钻柱的摩擦力来克服螺杆钻具的反扭矩，从而实现定向钻进时旋转钻柱的目标。然而其存在的问题为，该井下管柱转动控制开关利用钻柱的重力产生摩擦力，导致其受运动状态影响较大，可能出现不能稳定螺杆钻具的情况，并且在300m左右的钻柱不能旋转，缩小了钻柱旋转的比例，严重影响了降摩提速的效果。

6、中国专利文献cn201220454297公开了上转下滑钻井减摩降扭工具，提出了一种用于减阻的工具，通过采用上提下放的控制方式。然而，在实际钻进过程中存在剧烈轴向振动，会出现控制困难的问题，并且未涉及传动部分的设计，对于承受100kn左右轴向力的短节而言，将出现较快磨损，因此实用性差。

技术实现思路

1、针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置，其能够实现螺杆钻具复合钻进模式和定向滑动钻进模式自动调节，在复合钻进状态下机械钻速高，摩擦机构没有磨损。在滑动钻进状态下，反扭矩自动平衡装置能够自动平衡螺杆钻具反扭矩，并能够使其产生的摩擦矩始终与螺杆反扭矩高效率高精度的平衡，大大降低轴向摩阻，从而在保持螺杆钻具工具面稳定的同时，大幅度提高了机械钻速。

2、为此，根据本发明提供了一种用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置，包括：构造为圆筒状的壳体，在所述壳体的上端固定连接有用于连接上部钻柱的上接头；同心布置在所述壳体内的中空芯轴；设置在所述壳体与所述中空芯轴的径向之间的摩擦机构；以及固定连接在所述中空芯轴的下端的电控辅助短节；其中，在第一状态下，通过所述电控辅助短节能够自动控制钻杆排量以连续调节所述摩擦机构产生的摩擦扭矩，并能够在达到特定排量条件下使所述摩擦扭矩与螺杆钻具反扭矩相等并保持平衡，从而使螺杆钻具进行定向滑动钻进，在第二状态下，通过所述电控辅助短节关闭钻柱内外通道，且所述特定排量小于正常钻井排量，使得所述摩擦机构产生的摩擦扭矩高于所述螺杆钻具反扭矩，从而使螺杆钻具进行复合钻进，所述第一状态和所述第二状态能够切换。

3、在一个实施例中，所述摩擦机构包括：套设在所述中空芯轴上的环形活塞；以及若干依次交替套设在所述中空芯轴上且处于所述环形活塞的下端的摩擦定子和摩擦转子；其中，所述摩擦定子与所述壳体内壁周向固定连接，所述摩擦转子与所述中空芯轴周向固定连接，所述环形活塞能够在液压力的作用下轴向向下运动，以使所述摩擦定子与所述摩擦转子紧密贴合，从而所述摩擦机构能够在所述壳体相对于所述中空芯轴旋转时产生摩擦扭矩。

4、在一个实施例中，在所述壳体的内壁设有若干限位凹槽，在所述摩擦定子的外周表面设有若干限位凸起，所述限位凸起能够适配安装到所述限位凹槽内，从而使所述摩擦定子与所述壳体形成周向固定连接。

5、在一个实施例中，在所述中空芯轴外壁设有第一渐开线齿，在所述摩擦转子的内壁设有第二渐开线齿，所述第一渐开线齿能够与所述第二渐开线齿适配安装，从而使所述摩擦转子与所述中空芯轴形成周向固定连接。

6、在一个实施例中，所述第一渐开线齿和所述第二渐开线齿的齿高均设置成低于3mm。

7、在一个实施例中，在所述环形活塞的上端形成有液压通道，所述液压通道与所述中空芯轴的中心流道连通，所述液压通道能够将所述中空芯轴内的液压力传递至所述环形活塞的上端面，从而使所述环形活塞产生轴向推力而推动所述摩擦定子与所述摩擦转子紧密贴合。

8、在一个实施例中，在所述环形活塞与所述中空芯轴和所述壳体之间分别设有第一密封件和第二密封件。

9、在一个实施例中，所述电控辅助短节包括：构造成中空圆柱体形的下接头，所述下接头的侧壁设有通孔；设置在所述下接头内的主体阀，所述主体阀内设有泄流通道和阀芯，所述泄流通道的两端分别与所述下接头的内部和所述通孔连通；与所述主阀体固定连接的密封舱，在所述密封舱内设有电机、计算控制模块、重力传感器和电源，所述计算控制模块分别与所述重力传感器和所述电机信号连接，所述电机的输出端与所述阀芯形成周向固定连接；其中，所述重力传感器能够测量所述下接头的角度位置和转速，所述计算控制模块能够实时采集所述重力传感器的测量数据，并控制所述电机转动而带动所述阀芯轴向运动，以调节所述泄流通道的开口大小，从而自动控制钻杆排量。

10、在一个实施例中，所述电控辅助短节还包括用于测量钻柱内压力的压力传感器。

11、在一个实施例中，所述主体阀包括外圆筒和同心分布在所述外圆筒内的内圆筒，所述外圆筒用于与所述下接头的内壁固定连接，所述密封舱设置在所述内圆筒的轴向端部，所述内圆筒通过径向对称分布的连接部与所述外圆筒形成连接，从而在所述内圆筒和所述外圆筒之间形成了轴向延伸的钻井液流道。

12、在一个实施例中，所述中空芯轴通过轴承组件与所述壳体形成转动连接，在所述上接头的内壁上设有端面朝下的台阶，所述轴承组件设置在所述台阶和所述壳体的上端面之间。

13、在一个实施例中，在所述中空芯轴的外壁上设有环形凸起，所述轴承组件通过紧固件和所述环形凸起与所述中空芯轴形成固定连接。

14、在一个实施例中，在所述中空芯轴的下端还固定连接有防掉环。

15、与现有技术相比，本技术的优点之处在于：

16、根据本发明的用于螺杆钻具的反扭矩自动平衡装置能够实现螺杆钻具复合钻进模式和定向滑动钻进模式自动调节，其能够利用特定的开关泵程序可实现钻柱-旋转滑动钻进和复合钻进的切换，操作简单，效率高。在复合钻进状态下，机械钻速高，摩擦机构中的摩擦定子和摩擦转子没有磨损。在滑动钻进状态下，反扭矩自动平衡装置能够自动平衡螺杆钻具反扭矩，使得螺杆钻具在滑动钻进时可以旋转钻柱以顺利传递钻压，并能有效控制工具面的工具，并且大大降低了轴向摩阻，从而在保持螺杆钻具工具面稳定的同时，大幅度提高了机械钻速，有效解决了滑动钻进托压、机械钻速低等问题。并且，利用电控辅助短节控制泄流量以调节钻井液排量，使摩擦机构产生的摩擦矩始终与螺杆反扭矩高效率高精度的平衡，这大大提高了调节排量的效率和精度。反扭矩自动平衡装置使得螺杆钻具能够根据实际工况自动切换工作状态，大大提高了钻进施工效率，显著增强了钻进施工效果。