[发明专利]一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于气体钻大位移井或水平井，具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，用于油气田钻井工程。

背景技术

大位移井和水平井技术的应用大大提高单井产量和油气田采收率，降低了油气开发成本，但钻进时一个重要特征——高摩阻、高扭矩，导致水平段长度受限。气体钻井技术能大幅缩短建井周期、保护油气层。气体钻井技术与水平井、大位移井技术结合产生的气体钻水平井、大位移井技术是非常规油气藏、边际油气藏开发的有力手段，但该技术在钻井过程中会遭遇更高的摩阻和扭矩，抑制了该项技术的广泛应用。

提高气体钻大位移井、水平井的延伸能力以及有效的降低摩阻扭矩是该结合技术成功的关键。因此设计发明了一种用于气体钻大位移井或水平井，具有轴向爬行功能的减摩降阻工具。常规减摩降阻工具分为旋转和非旋转两大类，主要包括非旋转钻杆保护器、钻杆轴承短节、DSTR短节、低钻杆扭矩及各种井下振动器、牵引器、助推器等，减磨降阻机理是通过此类工具降低钻杆在转动摩擦中的有效接触尺寸，减小有效接触点处的摩擦阻力。本发明立足于材料力学、工程力学和空气动力学，通过合理的设计，不仅降低钻杆在转动摩擦中的有效尺寸，减小有效接触点处的摩擦阻力，同时结合牵引器的原理牵引工具轴向前进，主动爬行，有效地提高钻柱在井眼中的延伸能力。

发明内容

本发明的目的：提供一种具有提高钻柱井下延伸能力、减小摩擦阻力的工具，特别提出一种气体钻大位移井或水平井用的具有轴向爬行功能的减摩降阻工具。

为了达到上述目的，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，主要由上接头、上锥体、外套筒、蜗杆芯轴、下锥体、下接头、蜗轮、蜗轮传动轴、支架、摩擦式超越离合器、爬行轮定位内衬、爬行轮、左斜齿轮、右斜齿轮、爬行轮传动轴和盖板等组成，通过蜗杆芯轴、蜗轮、摩擦式超越离合器、左斜齿轮、右斜齿轮和爬行轮的组合传动作用，使该工具在钻进过程中具有主动轴向爬行的功能。

蜗杆芯轴与蜗轮啮合，将钻柱钻进时的扭矩能量部分转换成工具轴向爬行的动力。

蜗杆芯轴转动带动蜗轮转动，通过蜗轮传动轴带动摩擦式超越离合器转动，摩擦式超越离合器将动力传递到左斜齿轮和右斜齿轮，最后经过爬行轮传动轴带动爬行轮向前运动。

进一步的给出扭矩传动机构的连接关系，蜗杆芯轴与蜗轮啮合，蜗轮和摩擦式超越离合器固定于蜗轮传动轴的两端，蜗轮传动轴安装于两固定支架上，两个支架固定在外套筒内，通过蜗杆芯轴、蜗轮和蜗轮传动轴把扭矩传递到摩擦式超越离合器，形成扭矩传动机构；

进一步的给出爬行机构的连接关系，蜗轮传动轴上固定的摩擦式超越离合器同时与左斜齿轮和右斜齿轮啮合；左斜齿轮和一个爬行轮固定于一根爬行轮传动轴的两端，右斜齿轮和另一个爬行轮固定于另一根爬行轮传动轴的两端；左斜齿轮、右斜齿轮、两根爬行轮传动轴和两个爬行轮均设置在爬行轮定位内衬中，爬行轮定位内衬放在设于外套筒上的孔中并用螺钉固定，爬行轮定位内衬上设置盖板；摩擦式超越离合器转动时同时带动两个爬行轮向前运动，形成爬行机构，提供爬行能力。

摩擦式超越离合器为单向旋转机构，当上提钻柱时，爬行轮反转但不会传递扭矩到蜗轮芯轴和钻柱。

优选的一个方案为，蜗杆芯轴与按相位角120°分布的三个蜗轮啮合，形成三组扭矩传动机构，在外套筒上设置具有相位角为120°的三个相同的孔，每个孔中安装一组爬行轮定位内衬，这样的设置可以保证爬行轮在任意周向方位与井壁接触，牵引钻柱轴向前进。

将爬行轮定位内衬放入孔中并用螺钉固定，左斜齿轮和一个爬行轮固定于一根爬行轮传动轴两端，右斜齿轮和另一个爬行轮固定于另一个根爬行轮传动轴两端，接着分别将两组爬行轮传动轴放置于定位内衬中，让左斜齿轮和右斜齿轮同时与摩擦式超越离合器啮合，加上盖板，爬行轮定位内衬与盖板用螺钉固定。摩擦式超越离合器和蜗轮同时固定于蜗轮传动轴两端，最后将蜗杆芯轴旋转进圆套筒内，让蜗轮与蜗杆啮合，以提供爬行动力。当摩擦式超越离合器转动时，扭矩通过左斜齿轮和右斜齿轮传递到爬行轮传动轴，最后带动爬行轮向前转动，形成爬行机构，起到减摩降阻，主动轴向爬行，牵引钻柱轴向前进的功效。

本发明是一种具有轴向爬行功能的减摩降阻工具，为了达到蜗杆芯轴随钻柱旋转而外套筒相对静止的效果，上接头和下接头内部分别通过螺纹与蜗杆芯轴连接，上接头和下接头外部分别与上锥体和下锥体通过动密封机构连接，外套筒两端分别与上锥体和下锥体通过键槽固定；保证上锥体、外套筒和下锥体在钻柱转动时相对静止，减小钻柱扭矩；爬行轮使外套筒与井壁的滑动摩擦变成滚动摩擦，减小摩擦阻力。