一种自旋转牵引装置的制作方法

1.本发明属于油气钻井工具技术领域，具体涉及一种自旋转牵引装置。


背景技术：

2.在石油钻井作业过程中，需要下入套管，现有技术中通常利用引鞋牵引套管下入井筒。
3.在下套管过程中，如果引鞋遇到岩石堆积阻力，当阻力达到一定值时，会导致憋卡，即便继续施加钻压，也无法再牵引套管下行。在这种情况下，需要上提钻具，然后再下放，推动引鞋继续向井内下入，如果反复遇阻，则需要多次反复上提、下放套管和引鞋，导致套管下入效率非常低下，甚至会无法通过遇阻地层，严重影响了钻井施工作业的正常进行。


技术实现要素：

4.针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种自旋转牵引装置，该自旋转牵引装置能够在遇阻情况下通过继续增加钻压，产生自行旋转以破坏岩堆，从而继续牵引套管下入。
5.为此，根据本发明提供了一种自旋转牵引装置，包括：构造为圆筒状的壳体；用于连接套管的传动主轴，所述传动主轴同心布置在所述壳体内且能够相对于所述壳体转动，所述传动主轴设有第一中心流道，在所述传动主轴的下端内壁设有沿轴向部分延伸的螺旋花键，在所述传动主轴上套设有弹性件；同心布置在所述壳体内的引鞋轴，所述引鞋轴设有第二中心流道，并且在所述输出主轴的外壁面上设有能够与所述螺旋花键适配的螺旋花键槽；以及固定套装在所述引鞋轴上的引鞋传压套；其中，在第一状态下，所述传动主轴能够将井口施加的钻压依次通过所述弹性件和所述壳体传递给所述引鞋传压套，进而传递给所述引鞋轴以牵引套管下行，在第二状态下，通过继续增加钻压，使所述螺旋花键旋入所述螺旋花键槽，从而使所述传动主轴能够带动所述引鞋轴和所述引鞋传压套旋转以破坏岩堆，使得所述自旋转牵引装置能够在遇阻情况下继续牵引套管下入。
6.在一个实施例中，所述外壳构造成包括从上到下依次固定连接的上部外壳、中部外壳和下部外壳。
7.在一个实施例中，在所述弹性件的上端固定有压紧限位件，在所述弹性件的下端安装有第一顶紧套，所述第一顶紧套套装在所述传动主轴上且能沿所述传动主轴运动，所述第一顶紧套的下端面抵靠所述中部外壳的上端面。
8.在一个实施例中，所述上部外壳的上端固定连接有上接头，在所述上接头与所述上部外壳之间设有防磨套，所述压紧限位件处于所述防磨套的轴向内侧。
9.在一个实施例中，所述引鞋传压套的外侧设有端面朝上的台阶，且所述引鞋传压套的下端面构造成锥面，所述下部外壳套设在所述引鞋传压套上，在第一状态下，所述下部外壳的下端面能够抵靠所述台阶，从而将上部钻压传递给所述引鞋传压套，进而传递给所述引鞋轴。
10.在一个实施例中，所述弹性件的变形量l2满足以下关系式：
11.l1《l2《l3《l412.其中，l1指所述下部外壳的下端面与所述台阶之间的初始距离，l3指所述螺旋花键初始未旋入距离，l4指形成于所述传动主轴上端的外台阶端面与所述上接头的上端面之间的初始距离。
13.在一个实施例中，所述引鞋轴的末端构造成球形面，且在所述球形面的外周设有多个在周向均布的肋板。
14.在一个实施例中，所述螺旋花键的螺距设置成处于100-800mm的范围内，且所述螺旋花键螺旋形延伸而形成的螺旋线的螺旋角处于5-85度的范围内，所述螺旋花键的宽度设置成处于40-200mm的范围内，深度设置成处于5-20mm的范围内。
15.在一个实施例中，在所述传动主轴的外表面设有环形限位槽，在所述引鞋轴的侧壁上设有通孔，在所述通孔中安装有防掉销块，所述防掉销块的轴向内端延伸至所述环形限位槽内，所述环形限位槽的轴向宽度大于所述防掉销块的宽度。
16.在一个实施例中，在所述引鞋轴上套装有防窜套和第二顶紧套，所述防窜套处于所述防掉销块的径向外侧，所述第二顶紧套的两端分别顶紧所述防窜套的下端面和所述引鞋传压套的上端面。
17.与现有技术相比，本技术的优点之处在于：
18.根据本发明的自旋转牵引装置能够在正常工作状态下利用钻压牵引套管下入，并且能够在遇阻情况下通过继续增加钻压，使自旋转牵引装置产生自行旋转以破坏岩堆，从而能够继续牵引套管下入，能够有效避免引鞋轴端头憋卡，非常有利于提高套管下入效率，以及提高套管下入成功率。此外，自旋转牵引装置还能够在遇阻情况下产生压力脉冲，脉冲压力能够对引鞋轴产生一定程度的轴向冲击，这也非常有利于自旋转牵引装置对套管的牵引。
附图说明
19.下面将参照附图对本发明进行说明。
20.图1是根据本发明的自旋转牵引装置的剖视图。
21.图2示意性地显示了图1所示自旋转牵引装置中的传动主轴的结构。
22.图3示意性地显示了图1所示自旋转牵引装置中的引鞋轴的结构。
23.图4是图3所示引鞋轴的剖视图。
24.图5显示了图1所示自旋转牵引装置中的引鞋传压套的结构。
25.在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
26.下面通过附图来对本发明进行介绍。
27.在本技术中，需要说明的是，将根据本发明的自旋转牵引装置下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，将远离井口的一端定义为下端或相似用语。
28.另外需要说明的是，本技术中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”、等均是针对
所参照的附图1而言。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。
29.图1是根据本发明的自旋转牵引装置100的剖视图。如图1所示，自旋转牵引装置100包括构造为圆筒状的壳体1、用于连接套管的传动主轴2、同心布置在壳体1内的引鞋轴4、套设在传动主轴2上的弹性件5，以及固定套装在引鞋轴4上的引鞋传压套7。传动主轴2同心布置在壳体1内且能够相对于壳体1转动。传动主轴2内设有沿轴向延伸的第一中心流道21，引鞋轴4内设有沿轴向延伸的第二中心流道41，且第一中心流道21与第二中心流道41导通，用于过流钻井液。
30.根据本发明，如图1所示，在传动主轴2的下端内壁设有沿轴向部分延伸的螺旋花键22。同时，在引鞋轴4的上端外壁面设有能够与螺旋花键22适配的螺旋花键槽42。传动主轴2与引鞋轴4能够通过螺旋花键22与螺旋花键槽42配合而形成适配连接，并且能够使传动主轴2相对于引鞋轴4旋入或旋出，从而实现两者的相对轴向运动和相对转动。由此，传动主轴2与引鞋轴4能够通过螺旋花键22与螺旋花键槽42结构传递扭矩。
31.在实际应用中，自旋转牵引装置100与套管(未示出)相连。在下入套管的过程中，在正常下入状态下，井口转盘通过套管向传动主轴2施加钻压，传动主轴2依次通过弹性件5、壳体1、引鞋传压套7将钻压传递给引鞋轴4。此时，自旋转牵引装置100处于第一工作状态，螺旋花键22与螺旋花键槽42没有配合，传动主轴2与引鞋轴4处于未连接状态，自旋转牵引装置100利用钻压牵引套管下入井筒。
32.在引鞋轴4的端头遇阻情况下，通过继续增加钻压，能够使螺旋花键22旋入螺旋花键槽42，并在螺旋花键22与螺旋花键槽42的作用下使传动主轴2能够带动引鞋轴4和引鞋传压套7旋转，以破坏岩堆，从而使得自旋转牵引装置100能够在遇阻情况下继续牵引套管下入。此时，自旋转牵引装置100处于第二工作状态。
33.如图1和图2所示，传动主轴2的上端构造有连接部，连接部的直径大于传动主轴2的主体部分的直径，从而在传动主轴2的上端形成有端面朝下的外台阶端面26。在一个实施例中，连接部构造成内锥形连接扣，传动主轴2通过连接部与套管进行固定连接。外台阶端面26的作用将在下文进行介绍。
34.根据本发明，如图1所示，壳体1构造成包括从上到下依次固定连接的上部外壳11、中部外壳12和下部外壳13。传动主轴2对应处于上部外壳11和中部外壳12内，引鞋轴4对应处于下部外壳13内。中部外壳12可以为扶正器(螺旋扶正器或直棱扶正器)，使得中部外壳12能够对自旋转牵引装置100形成扶正，非常有利于增强自旋转牵引装置100的性能。
35.在一个实施例中，上部外壳11、中部外壳12和下部外壳13均通过正、负锥形连接扣形成固定连接。这种连接方式安装方便快捷，且能够有效保证连接的稳定性。
36.根据本发明的一个实施例，弹性件5采用蝶形弹簧。
37.如图1所示，在弹性件5的上端固定有压紧限位件51。压紧限位件51例如可以为压紧螺母，其通过螺纹固定安装在传动主轴2上。
38.在弹性件5的下端安装有第一顶紧套52。第一顶紧套52套装在传动主轴2上且能沿传动主轴2运动。第一顶紧套52为圆筒状，且上端内壁设有向内延伸的环形凸台，环形凸台的内壁对应套装在传动主轴2上。中部外壳12的上端面对应处于上部外壳11内，从而在上部外壳11的内部形成为端面朝上的台肩。第一顶紧套52的下端面抵靠在中部外壳12的上端面
形成的台肩上。
39.在本实施例中，蝶形弹簧可以预先通过设计，设定一定承受力，在该承受力的范围内，传动主轴2能够在钻压作用下通过压紧限位件51压缩蝶形弹簧，以将钻压传递给第一顶紧套52，碟簧顶紧套7再依次将钻压传递给中部外壳12、下部外壳13，使得下部外壳13的下端面与引鞋传压套7的台阶71(见下文)抵靠接触，从而将钻压传递给引鞋传压套7和引鞋轴4。
40.为了保证下部外壳13的下端面能够与引鞋传压套7的台阶71接触，碟形弹簧的变形量l2大于下部外壳13的下端面与引鞋传压套7的台阶71之间的初始距离l1。自旋转牵引装置100的初始状态为入井前状态，初始距离即为在初始状态下的距离。也就是，l1《l2。
41.如图1所示，上部外壳11的上端固定连接有上接头24，在上接头24与上部外壳11之间设有防磨套23，压紧限位件51处于防磨套23的轴向内侧。防磨套23例如可以构造成包括固定在传动主轴2上的防磨动套，以及固定在上接头24的内壁上的防磨静套。由此，通过防磨套23有效防止传动主轴2与上接头24之间的磨损。
42.如图1和图5所示，引鞋传压套7构造成圆筒状。在引鞋传压套7的外侧设有端面朝上的台阶71。在一个实施例中，引鞋传压套7的内孔73设有内螺纹，同时，引鞋轴3的相应的外壁面上设有一段外螺纹。引鞋传压套7套设在引鞋轴3上，并通过内螺纹与外螺纹配合形成固定连接。引鞋传压套7的下端面构造成锥面72，这样便于引导套管下入。下部外壳13套设在引鞋传压套7上，且下部外壳13的下端面对应处于台阶71的上方，下部外壳13能够相对于引鞋传压套7轴向滑动。
43.如图3所示，引鞋轴4的末端可以构造成球形面44，球形面44能够起到良好的引导作用。同时，在球形面44的外周可以设有多个在周向均布的肋板8，肋板8能够起到良好的导流作用。
44.根据本发明的一个实施例，以7”钻具为例，传动主轴2上的螺旋花键22的螺距设置成处于100-800mm的范围内，且螺旋花键22螺旋形延伸而形成的螺旋线的螺旋角设置成处于5-85度的范围内。螺旋花键22的宽度设置成处于40-200mm的范围内，深度设置成处于5-20mm的范围内。相应地，引鞋轴4上的螺旋花键槽42与螺旋花键22适配。为了方便螺旋花键槽42与螺旋花键22配合，螺旋花键槽42的宽度、深度均设置成略大于螺旋花键22宽度、深度。
45.如图2至图4所示，在传动主轴2的外表面设有环形限位槽25，在引鞋轴4的侧壁上设有通孔45，在通孔45中安装有防掉销块6，防掉销块6的轴向内端延伸至环形限位槽25内。自旋转牵引装置100在牵引套管入井过程中，防掉销块6能够起到良好的防掉作用，有效防止引鞋轴4掉落。安装时，防掉销块6从通孔45中从外向内穿过通孔45并插入环形限位槽25中。在本实施例中，环形限位槽25的轴向宽度大于防掉销块6的轴向宽度。
46.为了避免防掉销块6在工作时掉出，在一个实施例中，在引鞋轴4上套装有防窜套61和第二顶紧套62。防窜套61对应处于防掉销块6的径向外侧，能够有效防止防掉销块6脱出。防窜套61的内壁设有凸起，引鞋轴4上设有端面朝下的限位台阶。第二顶紧套62的两端分别顶紧防窜套61的下端面和引鞋传压套7的上端面，从而使防窜套61内壁的凸起顶紧限位台阶，由此对防窜套61形成轴向限位。
47.在本实施例中，环形限位槽25的宽度减去防掉销块6的轴向宽度的值大于传动主
轴2能够相对于引鞋轴4轴向运动的行程的最大值，以保证引鞋轴4相对于传动主轴2向上运动至最高点时，设有第一偏心孔211的轴向端面位置能够与设有第二偏心孔411的轴向端面位置重合。
48.在一个未示出的实施例中，在动力主轴2内设有与第一中心通道21连通的第一偏心孔，第一偏心孔处于螺旋花键槽22的轴向内端。同时，在输出主轴4的上端设有与第二中心流道41连通的第二偏心孔。第一偏心孔的轴向外端形成为第一轴向冲击面211，输出主轴4的上端面形成为第二轴向冲击面411。动力主轴2在轴向往复运动过程中，第一轴向冲击面211与第二轴向冲击面411之间的距离随之变化。
49.自旋转牵引装置100在工作过程中，引鞋轴4相对于传动主轴2向上旋入至达到最高点之前，第一中心通道21依次通过第一偏心孔、第二偏心孔与第二中心流道41导通。此时，设有第一偏心孔的轴向端面位置(第一轴向冲击面211)与设有第二偏心孔的轴向端面(第二轴向冲击面411)位置之间有一定距离，第一偏心孔和处于全开口状态。而在引鞋轴4向上运动至最高点时，传动主轴2的第一轴向冲击面211与引鞋轴4的第二轴向冲击面411接触重合，使得第一偏心孔与第二偏心孔重叠且导通面积最小，此时，第一中心通道21通过第一偏心孔与第二偏心孔重叠区域与第二中心流道41导通，由于重叠区域面积减小而形成节流，从而能够产生压力脉冲。产生的脉冲压力能够作用于引鞋轴4的上端面。由此，使引鞋轴4在脉冲压力的作用下能够产生一定程度的轴向冲击，这非常有利于自旋转牵引装置100对套管的牵引。
50.为了确保动力主轴2的第一轴向冲击面211与输出主轴4的第二轴向冲击面411能够接触重合，第一轴向冲击面211与第二轴向冲击面411之间的最大距离，设置成小于传动主轴2的上端的外台阶端面26与上接头24的上端面之间的最大距离。第一轴向冲击面211与第二轴向冲击面411之间的最大距离，即为螺旋花键22初始未旋入螺旋花键槽42时两者之间的初始距离l3。传动主轴2的上端的外台阶端面26与上接头24的上端面之间的最大距离，即为初始状态下，两者之间的初始距离l4。也就是，l3《l4。
51.根据本发明，为确保当弹性件5受压收缩量达到最大值时，传动主轴2能够通过螺旋花键旋入引鞋轴4的螺旋花键槽42内，以使引鞋轴4和引鞋传压套7旋转，弹性件5的变形l2小于螺旋花键22的初始未旋入距离l3。由此，弹性件5的变形量l2满足以下关系式：
52.l1《l2《l3《l453.其中，l1指下部外壳13的下端面与台阶71之间的初始距离，l3指螺旋花键22初始未旋入距离(即第一轴向冲击面211与第二轴向冲击面411之间的最大距离)，l4指形成于传动主轴2上端的外台阶端面26与上接头24的上端面之间的初始距离。
54.下面简述根据本发明的自旋转牵引装置100的工作过程。首先，将自旋转牵引装置100通过传动主轴2与套管连接，并使自旋转牵引装置100处于初始状态。然后下入套管，在下套管的过程中，自旋转牵引装置100能够牵引套管下入。井口转盘通过套管向传动主轴2施加钻压，传动主轴2通过防磨套23、压紧限位件51压缩弹性件5，在弹性件5预先设定的承受力的范围内，弹性件5受压缩，进而将钻压传递给第一顶紧套52，第一顶紧套52依次将钻压传递给中部外壳12和下部外壳13，并推动下部外壳13下行直至使下部外壳13的下端面与引鞋传压套7的台阶71接触，从而将钻压传递给引鞋传压套7和引鞋轴7。由此，使得引鞋轴7能够在钻压作用下牵引套管下入。在下入过程中，当引鞋轴4的端头遇阻时，通过继续增加
钻压，直至弹性件5受压收缩量达到最大值时，传动主轴2通过螺旋花键22旋入引鞋轴4的螺旋花键槽42内，从而使得引鞋轴4在螺旋花键22与螺旋花键槽42的配合作用下旋转，并带动引鞋传压套7同步旋转。由此使得自旋转牵引装置100能够产生自行旋转，从而能够破坏岩堆，继续下入，有效避免了引鞋轴4端头憋卡，非常有利于提高套管下入效率。
55.根据本发明的自旋转牵引装置100能够在正常工作状态下利用钻压牵引套管下入，并且能够在遇阻情况下通过继续增加钻压，使自旋转牵引装置100产生自行旋转以破坏岩堆，从而能够继续牵引套管下入，能够有效避免引鞋轴4端头憋卡，非常有利于提高套管下入效率，以及提高套管下入成功率。此外，自旋转牵引装置100还能够在遇阻情况下产生压力脉冲，脉冲压力能够对引鞋轴4产生一定程度的轴向冲击，这也非常有利于自旋转牵引装置100对套管的牵引。
56.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
57.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“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发明中的具体含义。
58.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
59.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。