CN107532461B - 改进的短节组件 - Google Patents

Abstract

一种用于联接至钻柱的短节组件，该组件包括：心轴；套筒，所述套筒围绕所述心轴同轴设置；第一止动件，所述第一止动件被设置成避免套筒沿着心轴在第一方向上轴向移动；第二止动件，所述第二止动件被设置成避免套筒在第二方向上轴向移动；其中所述第二止动件与心轴可释放地接合。

Description

改进的短节组件

技术领域

本发明涉及钻柱，更具体地涉及限制或避免所述钻柱的磨损和磨耗的组件。

背景技术

在石油和天然气工业中，勘探和开发过程通常需要使用在长孔中旋转的长钻柱钻探深井。钻柱和井壁之间的相互作用引入巨大的磨损负载，所述磨损负载进一步发展成钻柱上的极高力矩以及钻柱和壁之间的接触点处的极大摩擦力。力矩的增加造成更大的能耗，而摩擦可能造成钻柱以及用于对齐井部段的钢套管的磨耗和损坏。上述问题都造成经济损失，造成钻探服务提供者的竞争劣势。此外，随着更多钻管的加入，钻柱变得更长且更重，柔性增加并且相对于预期轴线存在更多横向偏转的风险。偏转可能引发钻头的颤动，并且进一步降低钻探速度并且增加孔的严重偏差。

该问题是公知的，已经做出了巨大努力克服钻柱摩擦和偏转问题。一种解决方案涉及用于井操作的旋转轴环，从而避免相对于井套管的摩擦，所述旋转轴环使用滚珠轴承从而允许轴环相对于钻柱自由旋转。另一种解决方案涉及钻柱轴衬工具，所述钻柱轴衬工具夹在钻柱上。轴衬工具包括刚性管状增强金属内套筒，所述刚性管状增强金属内套筒具有模制在套筒的内侧和外侧上的橡胶类材料。多个钻柱轴衬工具可以设置在旋转钻柱上并且允许相对于其相对旋转从而避免钻柱偏转。

另一种系统涉及使用摩擦减少元件，所述摩擦减少元件作为短节安装在钻柱中，所述钻柱具有经由轴承安装在心轴上的双套筒。内套筒固定在心轴上，而外套筒通过轴衬安装在内套筒上，所述轴衬允许外套筒自由旋转。由于套筒可以在心轴上旋转并且相对于井壁不旋转(静止)，这种短节被划分成“非旋转”短节。

然而，上述方法由于成本、复杂性和操作的问题而具有有限的工业发展。仍然非常需要具有容易制造、操作和维修的简单构造特征以及合理低成本的摩擦减少元件。

发明内容

在本发明的第一方面，提供一种用于联接至钻柱的短节组件，该组件包括：心轴；套筒，所述套筒围绕所述心轴同轴设置；第一止动件，所述第一止动件被设置成避免套筒沿着心轴在第一方向上轴向移动；第二止动件，所述第二止动件被设置成避免套筒在第二方向上轴向移动；其中所述第二止动件与心轴可释放地接合。

用于减少短节上的摩擦的元件作为其部件进行调节。公开的元件包括：管状心轴，所述管状心轴具有第一端部和第二端部从而连接至钻柱的相邻元件；套筒，所述套筒安装在心轴上，通过心轴上铸造的第一止动件和附接在心轴上的第二可除去止动件限制套筒相对于心轴的轴向移动。第二可除去止动件可以脱离从而允许通过心轴的第二端部除去套筒。

因此，通过提供与心轴对齐的短节，心轴本身不需要特殊修改。止动件用于将套筒限制或围绕在短节上，并且套筒相对于心轴保持固定。通过除去可释放止动件并且使旧套筒从短节上滑掉从而实现更换，允许容易更换。

不修改心轴即可容易更换可以允许根据本发明的短节组件的特殊材料。

在本发明的某些实施方案中，每个凸耳可以包括弹性悬臂，并且每个轴向定向的凹槽可以包括通道，所述通道和悬臂共同限定弹簧锁接合装置从而将止动环固定至轴环。

轴环可以包括间隙，所述间隙邻近通道从而提供通路以便更换悬臂，并且因此释放所述弹簧锁接合装置使止动环与所述轴环脱离。

在本发明的其它实施方案中，悬臂可以包括开口，所述开口被设置成提供通路从而释放捕获的钻探碎片。

在本发明的其它实施方案中，通道可以包括通孔，所述通孔被设置成提供通路从而释放所述弹簧锁接合装置。

在其它实施方案中，凸耳的尺寸可以避免与所述套筒接触。

在本发明的某些实施方案中，止动环可以被轴环完全环绕。

附图说明

参考附图方便地进一步描述本发明，附图显示了本发明的可能的布置。本发明的其它布置也是可能的，因此附图的特殊性不能被理解成代替本发明前文描述的一般性。

图1为本发明的一个实施方案的短节的正视图；

图2为根据本发明的另一个实施方案的短节的横截面图；

图3A至3C为根据本发明的另一个实施方案的可除去止动件的等距视图；

图4A至4C为根据本发明的另一个实施方案的锁定环的等距视图；

图5A和5B为根据本发明的实施方案的轴环和可除去止动件的布置的分解图和等距视图；

图6为根据图5A和5B的轴环和可除去止动件的布置的立体图；

图7A至7D为根据本发明的各个实施方案的可除去止动件和轴环的相继横截面图；

图8A和8B为根据本发明的另一个实施方案的可除去止动件和轴环的相继横截面图；

图9A至9D为根据本发明的各个实施方案的悬臂的等距视图；并且

图10A至10C为根据本发明的另一个实施方案的固定销钉的各个视图。

具体实施方式

本发明描述了具有相对较少元件的摩擦减少短节(短节)。短节5包括管状心轴10和套筒35，所述套筒35安装和限制在心轴10上并且在心轴10的接触表面上涂布有特定润滑材料(低摩擦系数铬合金)从而允许心轴10围绕套筒35以较少的摩擦和磨耗旋转。心轴10具有第一螺纹端部25和第二螺纹端部30用于连接至相邻的钻管元件。套筒35被第一铸造非移动止动件15和第二快锁止动件20限制在心轴10上而无法相对于心轴10轴向移动。在钻探过程中套筒35相对于井壁保持静止。第二快锁止动件20可以从心轴10除去从而允许从心轴的第二端部30除去套筒35。第二止动件20的底部或套筒的上端(所述底部和上端彼此接触)可以具有圆齿22从而允许流体流动以提供必要的润滑。该短节5作为短柱部件设置从而减少力矩，降低钻柱和井壁之间的摩擦，并且消除套管磨耗以及短节工具接头磨耗。

在常规的非旋转短节中，在套筒和心轴之间使用轴承从而减少摩擦。根据本发明，相对简单的短节构造通过放弃轴承而在制造和维修方面相对于常规短节具有优点。制造成本更低，并且通过除去第二快锁止动件从而从心轴的第二端部拆卸套筒使得维修更容易。相比于常规短节，本发明使用更少的部件，通过更容易的安装和组装提高生产率同时维持稳固的设计。

根据该实施方案，所述非旋转短节的本体为直线管状一体式心轴的形式，两个端部25、30具有工业标准的螺纹从而容易作为部件连接成相关钻柱。用于制造心轴的材料可以包括钢4145H。

根据该实施方案，用于保持套筒的第一止动件15为一体式止动突起部的形式，所述一体式止动突起部整合在由单片金属机器加工的心轴10上。在该情况下，第一止动件位于短节上套筒的下游。然而，第一止动件还可以位于短节上套筒的上游。第一止动件还可以是附接至心轴的可除去轴环。第二止动件20是由单片金属机器加工的可除去轴环的形式。图2和图3显示了替代性实施方案，其中轴环可以以螺纹或可释放连接件例如螺栓、夹具和销钉40(例如弹性可收缩或可弹跳销钉/卡爪)的形式固定在心轴上，所述轴环从心轴10沿径向延伸从而接合并且保持轴环65。轴环可以限定竖向狭槽85从而允许卡爪40滑入。

轴环65还限定横向狭槽80，所述横向狭槽80与竖向凹槽或狭槽85连通使得轴环65可以旋转从而被卡爪40保持。竖向狭槽85被保持环50插入，所述保持环50包括环形部分55，当凸耳60滑动进入竖向凹槽85并且与竖向凹槽85接合时所述环形部分55被设置成坐落在轴环65上。本发明的该实施方案容易安装而无需任何工具，并且仅使用常规工具例如剪刀即可容易地除去和更换套筒。该元件可以保养而不需要特殊技能和复杂设备。

在该实施方案中，套筒(例如图1中显示的套筒35)为圆筒形和管形。可以在其外表面上限定叶片从而允许钻探流体流动通过。用于制造套筒的材料可以是钢4140H。用于叶片的材料可以是焊接至套筒的聚合物、金属和特殊润滑材料(低摩擦系数铬合金)。套筒的一体式稳固设计允许高的侧面负载和在井中旋转的长工作时间。

除了第二止动件的锁定机构之外，所述短节与图1中描述的短节相似。存在限定在快锁保持轴环65的内表面上的T形通道75或狭槽，包括横向狭槽80和竖向狭槽85。使用固定销钉40限制快锁保持轴环65使其不能相对于心轴10轴向移动，所述固定销钉40从心轴沿径向延伸从而接合和保持快锁保持轴环65。固定销钉40可以插入心轴中限定的狭槽，同时使用或不使用螺纹拧紧。

应理解固定销钉可以通过多个不同装置保持原位从而临时或可释放地与心轴接合。固定销钉是弹性可收缩销钉/卡爪的替代性布置。

固定销钉被引导进入快锁保持轴环的内表面上限定的相应狭槽。通过略微旋转快锁保持轴环使得固定销钉处于保持位置。具有止动凸耳60的止动环50沿着心轴轴线插入快锁保持轴环65的内表面的竖向狭槽85。止动凸耳60以及快锁保持轴环的内表面中的狭槽85锁定止动环使得不会由于心轴的突然轴向移动而意外除去止动环。套筒相对于心轴自由旋转并且相对于井壁保持静止。因此，该短节为“非旋转”类型。

为了拆除或除去套筒，通过心轴的第二端部30拆除止动环50。然后，可以通过略微旋转使得固定销钉位于引导通道或狭槽中从而通过心轴的第二端部除去快锁保持轴环65。最后，从心轴的第二端部除去套筒。

套筒和井壁之间的摩擦迫使套筒上端与第二止动件(快锁保持轴环)的下端接触。捕获在套筒中的井流体或钻探泥浆可以提供润滑从而减少套筒和心轴之间以及套筒端部和快锁保持轴环的端部之间的摩擦。可以在第二止动件和套筒上端之间限定流动路径从而允许流体进入套筒端部和快锁保持轴环的端部之间的间隙。流体路径的圆齿形状可能是有利的。替代性地，圆齿形状的流体路径可以被快锁保持轴环65的内表面上存在的固定销钉通道或狭槽代替。

图4A至4C为快锁保持轴环的替代性止动环相比于图2的止动环的细节图。止动环90的凸耳100分成大本体105和具有附接的齿120的薄元件110，所述齿120面对固定销钉通道或狭槽的表面上的相应的齿。齿可以以各种方式(例如研磨或碾磨表面)制造。替代性地，特殊插件可以附接至具有齿作为插件轮廓的表面。可以通过切割薄弱部分115分离凸耳100的薄元件110。可以通过轴环中的接近每个轴向凹槽的间隙116到达薄弱部分115，从而允许使用常规分离工具(例如剪刀)拆除或除去止动环90，然后拆除或除去快锁保持轴环65，然后拆除或除去套筒。止动环90由单片金属形成。

图5A和5B显示了相比于图3A至4B的快锁保持轴环和止动环的替代性锁定机构和实施方案。如图5A所示，止动环155的每个轴向突出的凸耳150可以在其外表面上设置有弹性悬臂160。快锁保持轴环170的每个竖向凹槽或狭槽165可以在止动环接合表面175上设置有通道190(图5A和5B中未显示)从而接收和接合相应凸耳150的悬臂的自由端部。通道190和悬臂160限定弹簧锁接合装置，其中悬臂160优选向上和向下突出从而避免止动环155与轴环170脱离。通过这种方式，当凸耳150滑动并且与竖向狭槽165接合时轴环170保持和/或固定至心轴，从而限制轴环170使其不能相对于心轴(未显示)旋转和轴向移动。图7A和7C显示了弹簧锁接合的悬臂160和通道190。

如图6所示，可以通过轴环170中邻近每个通道190的间隙180到达弹簧锁接合装置，从而允许使用常规分离工具(例如螺丝刀或剪刀)使悬臂160偏转，从而拆除或除去止动环150，然后拆除或除去快锁保持轴环170，然后拆除或除去套筒。

如图5A和5B所示，根据本发明的快锁保持轴环的实施方案可以额外地或替代性地设置有孔172，用于额外进入从而使用常规车间工具(例如图8A和8B所示的合适尺寸的金属棍240或针状物245)帮助弹簧锁接合装置的释放。应理解可以根据旨在用于释放弹簧锁接合装置的车间工具设定孔172的尺寸。

图7A至7D显示了图5A和5B的止动环155和悬臂160的各个实施方案的横截面图。悬臂160可以使用螺钉215安装至止动环155的轴向定向的凸耳150。替代性地，悬臂160可以保持在凸耳150的通道接合面225中的机器加工的狭槽220中。后一种安装布置相比于前一种安装布置的优点在于不使用机械部件，由于避免了与维修以及磨耗和撕裂相关的问题而造成更高的机械效率。

图9A至9D显示了根据本发明的悬臂160的各种实施方案。悬臂160可以是弹性扁平金属片250并且可以呈现任何合适的形状或构造。此外，悬臂160可以包括开口从而提供通路以释放收集的钻探碎片。例如，合适的形状或构造可以包括但是不限于如图9B所示的具有通孔255的扁平片，或如图9C所示的具有叉状构造260的扁平片。

在参考图5A至9D描述的实施方案中，用于制造悬臂160的材料可以是不锈钢SU3304-CSP。悬臂160可以具有约25mm的长度，约15mm的宽度和约1mm的厚度。然而，应理解悬臂160的尺寸可以根据目标应用、钻探环境(例如流体静压力和井温)以及压抑弹性悬臂160从而释放弹簧锁接合装置使得止动环155和轴环170之间脱离所需的力而变化。

如图5B所示，止动环155和轴环170可以被构造成允许止动环155坐落在轴环170上和轴环170内使得止动环155完全被轴环170环绕并且形成轴环170的内表面的一部分。止动环155的圆形顶表面可以与轴环170的圆形顶表面齐平或更低。这种布置使得止动环160和周围钻孔环境(例如井壁和短节组件的剩余部件)之间的接触和相互作用达到最小化。通过这种方式，可以避免由于钻探碎片或其它结构造成的止动环155和轴环170的意外脱离。

在本发明的任一个实施方案中，止动环155的轴向定向的凸耳150可以具有合适的尺寸，或者变短从而随着轴环170的圆形下表面在钻探过程中磨耗最小化或完全避免与套筒35接触。

上述实施方案旨在减少短节组件5和井壁之间的接触点的数目。接触点的减少减少了作用于短节组件5的摩擦力，并且有利地最小化钻探设备(例如短节组件5、钻柱以及用于对齐井部段的钢套管)的磨耗和损坏。

为此目的，上述锁定机构和弹簧锁接合装置被设置成使得所有凸耳150和相应通道190可以同时接合或脱离。相比于常规短节，这种布置有利地允许轴环170以及套筒35相对于心轴10的迅速且容易的组装和除去。

图10A至10C显示了销钉的替代性布置。销钉125、130、135可以为圆柱体形状，待嵌入心轴的端部具有或不具有阶梯和螺纹。心轴中容纳固定销钉的各个孔可以具有螺纹从而保证固定销钉的稳固安装。固定销钉的嵌入心轴的端部的直径相比于挤入快锁保持轴环的另一个端部可能更大、同样大或更小。如图10C所示，固定销钉的嵌入心轴的端部有可能为圆柱体形状145，而挤入快锁保持轴环的另一个端部为正方形柱形状140。两个端部可以使用相同的直径和形状以便容易制造和安装。固定销钉由单片金属形成。

固定销钉可以是从心轴沿径向延伸的一体式设计从而接合和保持所述保持轴环。固定销钉的挤入端部可以为圆柱体形状，但是不限于例如正方形或矩形柱形状的其它形状。这些一体式固定销钉容易安装。

固定销钉被设置成接合并且位于快锁保持轴环的内表面的侧向通道或狭槽中。短节的旋转造成套筒和快锁保持轴环之间的摩擦力，所述摩擦力旨在迫使固定销钉到达侧向通道或狭槽的盲端。这些通道或狭槽的开口被止动环的止动销钉完全填充从而保持固定销钉的位置使得套筒不能相对于心轴轴向移动。基于本发明，可以通过调节套筒外表面上的叶片帮助钻探泥浆流动从而进行进一步的修改和改进。根据该实施方案，不需要特殊工具进行安装，并且仅使用简单分离工具拆除套筒。

Claims (14)

1.一种用于联接至钻柱的短节组件，所述短节组件包括：

心轴；

套筒，所述套筒围绕所述心轴同轴设置；

第一止动件，所述第一止动件被设置成避免套筒沿着心轴在第一方向上轴向移动；

第二止动件，所述第二止动件被设置成避免套筒在第二方向上轴向移动；

其中所述第二止动件包括环形轴环，所述环形轴环围绕心轴同轴设置，所述轴环的内表面上具有沿轴向和沿周向定向的凹槽，所述凹槽与从所述心轴突出的销钉接合，使得第二止动件与心轴可释放地接合，

其中所述短节组件进一步包括围绕心轴同轴设置的止动环，所述止动环具有多个轴向突出的凸耳，并且被设置成与轴环联接使得凸耳被设置成与所述轴环的轴向定向的凹槽处于滑动接合，其中在与所述凹槽接合时，所述凸耳被设置成避免所述轴环旋转从而将轴环固定至所述销钉并且因此固定至心轴。

2.根据权利要求1所述的短节组件，其中所述第一止动件与心轴一体。

3.根据权利要求1所述的短节组件，其中所述销钉为弹性可收缩卡爪，所述弹性可收缩卡爪被设置成在接触轴环时偏置收缩并且在接近所述凹槽时弹性突出。

4.根据权利要求1所述的短节组件，其中所述销钉固定并且被设置成允许轴环沿着所述轴向凹槽滑动并且允许轴环沿着所述周向凹槽旋转。

5.根据权利要求1所述的短节组件，其中凸耳可选择性切断从而使止动环与所述心轴脱离。

6.根据权利要求5所述的短节组件，其中所述轴环包括间隙，所述间隙邻近轴向凹槽并且被设置成提供通路以切断所述可选择性切断的凸耳。

7.根据权利要求1所述的短节组件，其中所述凸耳在轴环接合表面上包括齿，所述齿被设置成增加摩擦阻力。

8.根据权利要求1所述的短节组件，其中轴环在止动环接合表面上包括齿，所述齿被设置成增加摩擦阻力。

9.根据权利要求1所述的短节组件，其中所述凸耳的每一个包括弹性悬臂，并且其中所述轴向定向的凹槽的每一个包括通道，所述通道和悬臂共同限定弹簧锁接合装置从而将止动环固定至轴环。

10.根据权利要求9所述的短节组件，其中所述轴环包括间隙，所述间隙邻近所述通道从而提供通路以便从通道更换悬臂，并因此释放所述弹簧锁接合装置从而使止动环与所述轴环脱离。

11.根据权利要求9所述的短节组件，其中所述悬臂包括开口，所述开口被设置成提供通路以便释放被捕获的钻探碎片。

12.根据权利要求9所述的短节组件，其中所述通道包括通孔，所述通孔被设置成提供通路从而释放所述弹簧锁接合装置。

13.根据权利要求1所述的短节组件，其中凸耳的尺寸避免与所述套筒接触。

14.根据权利要求1所述的短节组件，其中止动环被轴环完全环绕。