[发明专利]钻柱分离装置、包括分离装置的钻井系统和系统的应用

说明书

技术领域

本发明涉及用于钻柱的分离装置、包括该类分离装置的钻井系统和该类系统的应用。

背景技术

该类分离装置的应用是在钻井、如用于生产石油的井中。在该应用中，分离装置位于例如井底，在切削工具与钻柱的钻杆之间。在钻井过程中，操作者例如操纵在井口的刹把，以控制钻柱的下降。承靠于井底地质构造上的切削工具则只承受钻柱钻杆重量的一很小部分。

但是，当切削工具碰击到硬度远高于地质构造普通硬度的岩石时，则它经受沿纵向方向朝向井口的非常大的反作用力。这些极端反作用力的重复导致切削工具的磨损。然而更换切削工具是耗时和非常昂贵的。

发明内容

本发明的目的在于避免切削工具承受沿钻井纵向方向的大的反作用力。

根据本发明的一实施方式的用于钻柱的分离装置在纵向方向上包括：

－用于固定在钻柱的钻杆上的第一结构；

－用于支撑钻凿用的切削工具的第二结构，所述第二结构能相对第一结构沿纵向方向平移活动；

所述分离装置的特征在于其另外包括在第一结构与第二结构之间的推力器组件，所述推力器组件适于在所述第二组件上施加推力，以使所述第二结构与所述第一结构分离，所述推力对于第二结构相对第一结构的任何位置都是基本恒定的。

由于这些设置，分离装置在受到高于推力的反作用力时缩回。因此，切削工具朝分离装置的方向移动，稍微离开井底，切削工具与地质构造之间的接触减小，和对切削工具的反作用力减小。这样，通过分离装置自动调节地质构造对切削工具的反作用力。切削工具不再承受重复的极端反作用力，因此磨损减慢。

另外，分离装置具有过滤来自钻柱向切削工具的、和相反地来自切削工具向钻柱的振动的作用。则钻柱和整个钻井系统承受较小的干扰振动，这还有利于钻井控制。

另外，由于分离装置的推力在第二结构在第一位置与第二位置之间相对第一结构的大移动行程上都是恒定的，因而分离装置具有的内在刚度非常低。因此，通过分离装置悬挂的切削工具的重量本身不会导致放大钻井系统振动的共振模式。

在根据本发明的用于钻柱的分离装置的不同实施方式中，必要时可以另外采用以下设置中的一个和/或另一个：

－第二结构被引导相对第一结构沿纵向方向平移，并且推力器组件包括至少一具有弹性构件和输出臂的平衡机构，弹性构件产生与弹性构件的压缩成正比的弹性力，输出臂与所述弹性构件连接，并且输出臂能够围绕输出轴枢转；和至少一在所述输出臂与所述第二结构之间的连接部件，用以将所述推力沿纵向方向施加给所述第二结构，所述连接部件包括轮，该轮铰接以相对输出臂转动、离开所述输出轴，并承靠在与第二结构连接并与纵向方向基本垂直的连接表面上；

－平衡机构另外包括：

--根据弹性构件的压缩可移动的活动构件；

--围绕输入轴转动铰接的输入臂，输入臂包括与活动构件的表面接触的端部分，所述输入臂相对垂直于所述纵向方向的方向倾斜第一角度；

--与所述输入臂连在一起的输入齿轮；和

--与输出臂连在一起并与所述输入齿轮啮合的输出齿轮，并且输出臂相对纵向方向倾斜第二角度，所述第二角度等于所述第一角度的两倍；

－活动构件沿纵向方向可平移移动，并且能按照相对所述纵向方向的倾角倾动；

－输入和输出齿轮具有角扇形件的形状，以减小平衡机构的尺寸；

－推力器组件包括第一和第二平衡机构，每个平衡机构包括一输出轴，这些输出轴在纵向方向上相对于彼此错开地布置，以减小所述输出轴之间的垂直于所述纵向方向的径向距离，和以减小与推力器组件的垂直于纵向方向的径向尺寸；

－第一和第二平衡机构的输入齿轮相互啮合；

－推力器组件包括多个模块，所述多个模块彼此相继地沿纵向方向安装在第一结构与第二结构之间，每个模块在所述第二结构上提供一部分推力，以使所述多个模块的推力部分的总和等于该推力器组件的推力；

－多个模块相同，每个模块提供的推力部分相同；

－推力器组件包括至少一个沿纵向方向穿过所有模块的拉杆，其适于使模块与第一结构连在一起，并且每个模块包括至少一个用于接受所述推力部分的推杆，一模块的推杆用于推动下一模块的推杆或者以所述推力推动第二结构；

－每个模块包括一膨胀部件，其适于使模块与同第一结构连在一起的外管相联接；

－在每个推杆与下一推杆之间安置一弹性元件；

－每个模块包括一内管部分和围绕内管部分的一外管部分，其中：

--外管部分彼此相继地联接并联接到所述第一结构；