[发明专利]用于钻柱的井下转矩限制组件

说明书

技术领域

本公开涉及用于保护附接到设置在井眼中的“钻柱”的井下工具(称为工具管柱)的系统、组件和方法，在井眼中可能存在考验工作管柱在井眼中的旋转运动等恶劣的工作条件。

背景技术

在油气勘探中，保护钻柱和连接到钻柱的井下工具的结构完整性非常重要。参照图1，一般而言，位于地面12处或位于地面12之上的钻机10使设置在地面之下的井眼中的钻柱20旋转。该钻柱典型地包括钻杆22和钻环24，钻杆和钻环被旋转并沿钻孔向下对钻头50或附接到钻柱远端的其他井下设备(一般被称为“工具管柱”)40传递转矩。为了使钻头钻入地层的地壳而形成井眼60，钻机上的地面设备14旋转钻柱20和钻头50。然而，钻头通常在穿过各种地质构造时会遭遇差异，各种地质构造对钻头提供不同的阻力量。在很多情况下，这样的阻力可能是意料之外的并会导致从地面沿着钻柱传递过量的转矩，从而可能导致钻柱或连接到钻柱的工具管柱被损坏和/或破裂。这样的断裂导致除了产生停工期相关的成本外，还需要额外的工作和费用以恢复破裂的钻柱和工具管柱的节段以及修复损坏。

发明内容

总体而言，本公开描述了一种与井下钻井工具和/或井下完井工具结合使用的旋转转矩限制组件。该旋转转矩限制组件包括具有内部空腔的旋转输入构件，该内部空腔具有楔块插孔(sprag receptacles)。旋转输出构件设置在内部空腔之内，第二旋转构件具有径向突起和凹槽。径向棘轮构件沿径向设置在输入构件与输出构件之间，每个棘轮构件具有径向内表面和包括至少一个径向突起楔块的径向向外表面。轴承沿径向设置在棘轮构件与输出构件之间。保持组件适于提供顺应力以维持棘轮构件、轴承和第二旋转构件之间的接触。每个轴承至少部分地保持在棘轮构件中的一个与第二旋转构件之间，且每个楔块至少部分地保持在相应的楔块插孔之内。

一个或多个实施方案的细节将在附图和以下说明中阐述。

附图说明

图1是设置在井眼中的钻机和井下设备的示意图。

图2是包括井下转矩限制装置的示例的钻柱节段的下部的立体图。

图3是图2的井下转矩限制装置的示例的局部立体图。

图4是棘轮构件的示例的立体图。

图5是井下转矩限制装置的示例的剖视图。

图6是处于转矩限制模式中的井下转矩限制装置的示例的剖视图。

图7A-7C是井下转矩限制装置的示例的剖视图。

具体实施方案

参照图1，一般而言，位于地面12处或位于地面12之上的钻机10使设置在地面之下的井眼中的钻柱20旋转。该钻柱20典型地包括钻杆22和钻环24，钻杆和钻环被旋转并沿钻孔向下对钻头50或附接到钻柱20的远端的其他井下设备(一般被称为“工具管柱”)40传递转矩。为了使钻头钻入地层的地壳而形成井眼60，钻机上的地面设备14旋转钻柱20和钻头50。井眼60在套管34与钻孔之间的环形区域中被套管34和水泥环32加固。然而，钻头50通常在穿过各种地质构造25时会遭遇差异，各种地质构造对钻头提供不同的阻力量。在很多情况下，这样的阻力可能是意料之外的并会导致从地面12沿着钻柱20传递过量转矩。在其他情况下，在偏斜井眼中，钻柱20或工具管柱40可能被卡在井眼60中，而且导致在钻柱20或工具管柱中产生过量转矩。在其他情况下，钻孔壁可能使包裹钻头50、工具管柱40或钻柱20的成型材料脱落，并使得这些元件中的一个或多个被卡住且导致在钻柱20中产生过量转矩。

在一些实施例中，工具管柱40可以是钻井工具管柱、完井工具管柱或再入工具管柱。钻井工具管柱包括工具元件，例如旋转导向工具系统、泥浆马达、管下扩孔器和/或随钻测量(MWD)/FEWD装置。为了避免钻柱20和/或工具管柱40的元件过度扭转，转矩限制装置110可插置在钻柱20与工具管柱40之间。

当越过(横跨)转矩限制装置110的钻柱20与工具管柱40之间的扭转力超出预定量时，装置110将使两个节段旋转地脱离接合，直到作用力回到预定量以下。

图2是井下转矩限制装置110的立体图。参照图1和图2，在一些实施方案中，转矩限制装置110限制从连接到钻柱20(参见图1)并接收来自钻柱20的旋转转矩的旋转输入构件(例如，外部壳体114)传输到旋转输出构件(例如，驱动轴112)的转矩的量。在一些实施方案中，转矩限制装置能够用于限制当外部壳体114旋转以驱动直接地或间接地联接到驱动轴112的钻头50(参见图1)时、沿着工具管柱节段40(参见图1)发生的转矩的量。