[发明专利]具有液压致动离合器的井下钻井组件及其使用方法

说明书

技术领域

本公开大体上涉及与针对地下井所执行的操作结合使用的设备，并且更特定而言涉及用于定向钻井的井下钻井组件，其具有用于将转矩从钻柱选择性地传递到驱动轴的液压致动离合器机构。

背景技术

在不限制本公开的范围的情况下，作为实例，将参考在井下定向钻井操作期间操作容积式流体马达来描述本公开的背景。

在典型的井下钻井马达中，动力产生是基于螺杆泵(Moineau pump)原理。在这种类型的马达设计中，转子和定子组件将加压循环流体的液压能转换成旋转轴的机械能。转子和定子通常具有叶片式设计，其中转子和定子具有类似的叶片轮廓。转子大体由钢形成、比定子少一个叶片，所述转子通常衬有弹性体层。

一般来说，动力部分可基于叶片和有效分段的数目分类。转子和定子叶片具有螺旋构型，其中一个分段等同于一完整匝的定子螺旋线的线性距离。转子和定子叶片和螺旋角被设计，以使得转子和定子以离散间隔密封，这导致产生由加压循环流体填充的轴向流体腔室或空腔。加压循环流体的动作导致转子旋转并且旋进定子内。马达功率特性一般是叶片数目、叶片几何结构、螺旋角和有效分段数目的函数。马达输出转矩与转子和定子两侧产生的压差成正比。钻头旋转速度与加压循环流体的循环速率成正比。

然而，已发现，用于井下钻井马达的典型转子和定子组件具有某些最大转矩输出限制。例如，超过最大压差的操作可导致转子和定子密封件之间的流体泄漏，从而可导致由于转子静止或停滞在定子中而产生的钻头不旋转。如此，在钻头被卡住的情况下，释放钻头所需的转矩超过常规井下钻井马达的最大转矩输出是常见的。在此类状况下，一个解决方案是，在井中释放井下钻井马达和钻井组件，并且执行侧钻操作以绕开被卡住的部件并且继续钻井。虽然这个解决方案允许继续钻井，但是它是不合乎需要的，因为所述解决方案耗时且昂贵。

因此，出现了对用于定向钻井操作的改进型井下钻井组件的需要。还出现了对能够传递足够转矩来释放被卡住的钻头的改进型井下钻井组件的需要。此外，还出现了对能够在释放被卡住的钻头后继续钻井操作的改进型井下钻井组件的需要。

发明内容

本公开针对用于定向钻井操作的改进型井下钻井组件。本公开的改进型井下钻井组件能够传递足够转矩来释放被卡住的钻头。另外，本公开的改进型井下钻井组件能够在所卡住的钻头被释放后继续钻井操作。

在一个方面，本公开针对一种井下钻井组件，其包括具有内部流体通道的钻柱。流体马达被设置在钻柱内。流体马达具有转子，所述转子可操作来响应于经由钻柱的内部流体通道所接收的循环流体来相对于定子旋转。驱动轴与转子可操作地相关联。驱动轴响应于转子的旋转而旋转。钻头与驱动轴可操作地相关联。钻头响应于驱动轴的旋转而旋转。被设置在钻柱内的液压致动离合器具有可操作来与钻柱一起旋转的第一离合器组件和可操作来与驱动轴一起旋转的第二离合器组件。在第一构型中，第一离合器组件与第二离合器组件脱离，以使得驱动轴和钻头相对于钻柱旋转。在第二构型中，响应于通过钻柱的旋转产生的液压，第一离合器组件接合第二离合器组件，以使得驱动轴和钻头与钻柱一起旋转。

在一个实施方案中，液压致动离合器可包括旋转斜盘泵，其可操作来响应于钻柱的旋转而产生液压。在一些实施方案中，第一离合器组件可以是第一离合器板，并且第二离合器组件可以是第二离合器板。在这些实施方案中，活塞可响应于液压而轴向移位，从而使第一离合器组件移位成与第二离合器组件接合。在其它实施方案中，第一离合器组件可以是第一堞形元件(castellated element)，并且第二离合器组件可以是第二堞形元件。在这些实施方案中，活塞可响应于液压而轴向移位，从而使堞形元件移动成与另一堞形元件接合。另外，在这些实施方案中，弹簧可用于偏置堞形元件，使其与另一堞形元件脱离。