具有液压致动离合器的井下钻井组件及其使用方法

具有液压致动离合器的井下钻井组件及其使用方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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】

[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]在另一个方面，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旋转斜盘泵、可操作来与钻柱一起旋转的第一离合器组件以及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，响应于通过响应于所述钻柱的旋转的所述旋转斜盘泵所产生的液压，所述第一离合器组件接合所述第二离合器组件，以使得所述驱动轴和钻头与所述钻柱一起旋转。
[0011]在又一方面，本公开针对操作井下钻井组件的方法。所述方法包括:将具有内部流体通道和井下钻井马达组件的钻柱设置在井筒中；通过内部流体通道和井下钻井马达组件泵送循环流体；响应于循环流体，相对于井下钻井马达组件的定子旋转转子；响应于转子的旋转，旋转驱动轴；响应于驱动轴的所述旋转，相对于钻柱旋转钻头；旋转钻柱；响应于通过钻柱的旋转产生的液压，接合液压致动离合器；以及响应于钻柱的旋转，使钻头与钻柱一起旋转。
[0012]所述方法还可包括:响应于操作旋转斜盘泵来产生液压；使与钻杆可操作地相关联的第一离合器组件接合与驱动轴可操作地相关联的第二离合器组件；使与钻杆可操作地相关联的第一离合器板接合与驱动轴可操作地相关联的第二离合器板；使与钻杆可操作地相关联的第一堞形元件接合与驱动轴可操作地相关联的第二堞形元件；响应于液压来使活塞轴向移位和/或响应于液压来克服弹簧力。
【附图说明】
[0013]为了更完整地理解本公开，现在参考各个实施方案以及附图的详述，其中不同附图中的对应参考数字指对应零件，并且其中:
[0014]图1是操作井下钻井组件的海上平台的示意图；
[0015]图2A-2F是井下钻井组件的连续轴向部分的横截面视图；以及
[0016]图3A-3F是井下钻井组件的连续轴向部分的横截面视图。
【具体实施方式】
[0017]虽然下文详细论述各个系统、方法和其它实施方案，但是应当理解的是，本公开提供许多可适用的发明概念，所述发明概念可以体现在多种具体背景中。本文所论述的具体实施方案仅仅是说明性的，并且不限制本公开的范围。
[0018]首先参考图1，由示意性示出并通常用10表示的海上采油或气平台执行定向钻井操作。半潜式平台12在位于海床16下方的沉积油气层14的上方居中。海底管道18从平台12的甲板20延伸到包括防喷器24的井口装置22。平台12具有起重设备26、井架28、移动滑车30、吊钩32和用于升高、降低和旋转管柱(此类钻柱36)的转环34。
[0019]井筒38延伸穿过包括岩层14的各种地层。井筒38的上部大致水平部分具有胶结在其中的套管柱40。井筒38、钻柱36的大致水平段的远端处包括钻头42。设置在钻柱36内的钻头42井孔上方的是井下钻井组件44，所述井下钻井组件44包括动力组件46和液压致动离合器组件48。在操作中，通过钻柱36的内部流体通道将循环流体泵送到井下钻井组件44。动力组件46将循环流体的液压能转换成旋转转子形式的机械能。转子经由驱动轴耦接到钻头42以引起钻头42的旋转，从而允许井筒38被延伸。在钻头42被卡在井筒38中的情况下，钻柱36的旋转可操作来接合液压致动离合器组件48，以使得钻柱36的旋转使得驱动轴旋转，从而以足够转矩释放被卡在的钻头42。在释放钻头42之后，钻柱36的旋转可停止，这使液压致动离合器组件48脱离，以使得正常的钻井操作可继续，其中通过钻柱36和井下钻井组件44泵送的循环流体为钻头42的旋转提供动力。
[0020]虽然图1描绘水平井筒，但是本领域技术人员应当理解的是，本公开所论述的各种原理同样非常适用于具有其它取向的井筒，包括竖直井筒、倾斜井筒 、多分支井筒等。因此，本领域人员应当理解的是，方向术语如在......上方、在......下方、上部、下部、向上、向下、上向钻孔、井下等的使用与说明性实施方案相关地使用，如其在附图中所描绘，向上方向是朝向对应附图的顶部以及向下方向是朝向对应附图的底部，上向钻孔方向是朝向阱的表面，井下方向是朝向井的底部。而且，虽然图1描绘海上作业，但是本领域技术人员应当理解的是，所公开的原理还可适用于陆上作业。
[0021]现在参考附图2A-2F，图中描绘通常用100表示的井下钻井组件的一个实施方案。在所示出的实施方案中，井下钻井组件100包括具有多个外壳部分的外壳，所述外壳部分螺旋地并且密封地耦接在一起并且形成钻柱的下部。在所示出的实施方案中，外壳包括储油器壳体部分102、液压泵壳体部分104、离合器壳体部分106、轴承壳体部分108、转子延伸壳体部分110、万向接头壳体部分112、动力部分壳体部分114、万向接头壳体部分116和轴承壳体部分118。井下钻井组件100具有内部流体通道120，所述内部流体通道120与钻柱的内部流体通道流体连通，以使得循环流体可经由钻柱的内部流体通道从表面泵送到井下钻井组件100中。内部流体通道120被限定在内心轴122、转子延伸部124和126内。连接器接头126包括多个端口 128，所述端口 128将循环流体连通到万向接头壳体部分112与万向接头132之间的环形区域130中。循环流体随后进入井下钻井组件100的动力部分，所述循环流体在被排出到万向接头壳体部分116与万向接头142之间的环形区域140中之前在内成型定子136与外成型转子138之间的区域134中移动。循环流体随后经由连接器接头150的端口 148进入驱动轴146中的内部流体通道144。循环流体随后将通过连接到钻头盒152的钻头(未画出)，并且经由井筒环形空间返回到表面。
[0022]在所示出的实施方案中，内心轴122和转子延伸部124优选螺旋地并且密封地耦接在一起。转子延伸部124、连接器接头126、万向接头132、转子138、万向接头142、连接器接头150和驱动轴146优选螺旋地耦接在一起。总之，内心轴122、转子延伸部124、连接器接头126、万向接头132、转子138、万向接头142、连接器接头150和驱动轴146可被称为旋转组件。万向接头132在连接器接头126与转子138之间提供关节式连接。同样地，万向接头142在转子138与连接器接头150之间提供关节式连接。所述关节式连接被设计来允许转子138的偏心运动在旋转组件的剩余部分中变成旋转运动。
[0023]储油器壳体部分102包括储液室154，所述储液室154优选地含有清洁流体如液压流体。被描绘为旋转斜盘泵组件156的液压泵被设置在液压泵壳体部分104与内心轴122之间。旋转斜盘泵组件156包括旋转斜盘158，所述旋转斜盘158紧固地耦接到内心轴122并且可操作来与内心轴122 —起旋转。旋转斜盘158被定位以使得其限定与井下钻井组件100的纵轴成一定角度的平面。旋转斜盘泵组件156还包括多个沿圆周分布的活塞160，仅所述活塞中的两个在图2A中可见。在所示出的实施方案中，活塞160由储油器壳体部分102支撑并且可操作来与其一起旋转。每个活塞160在由旋转斜盘158推进时可操作来在井下钻井组件100的轴向方向上独立于其它活塞而移动，从而允许每个活塞160在相应气缸162内抵抗相应弹簧164的偏置力而往复运动。每个活塞160包括适当的阀，以使得所述活塞的轴向往复运动使流体被从与储液室154流体连通的腔室166抽出并且在压力下被排出到腔室168中。放气管路连接其中定位有适当阀的腔室166和腔室168，以便在允许流体再循环通过系统时维持腔室168中的所需压力。
[0024]环形活塞170和将环形活塞170偏置在上向钻孔方向上的弹簧172被设置在离合器壳体部分106与内心轴122之间。在所示出的实施方案中，环形活塞170的上部被滑动并密封地接收在液压泵壳体部分104内。液压致动离合器174被设置在离合器壳体部分106与转子延伸部124之间。在所示出的实施方案中，离合器174包括被描绘为外离合器板176的外离合器组件，所述外离合器板176经由花键连接耦接到离合器壳体部分106。响应于环形活塞170的轴向移动，外离合器板176可操作来相对于离合器壳体部分106滑动，并且可操作来与离合器壳体部分106 —起旋转。离合器174还包括被描绘为内离合器板178的内离合器组件，所述内离合器板178紧固地耦接到转子延伸部124并且可操作来与转子延伸部一起旋转。轴承组件180被定位在离合器壳体部分106与转子延伸部124之间。轴承组件182被定位在轴承壳体部分108与转子延伸部124之间。轴承组件184被定位在轴承壳体部分118与驱动轴146之间。
[0025]现在将描述井下钻井组件100的操作。在正常的钻井操作期间，沿钻柱的内部流体通道将循环流体向下泵送到井下钻井操作100的内部流体通道120。循环流体可以是淡水或盐水基、油基油乳液等，并且基于本领域技术人员已知的因素来选择。循环流体通过内部流体通道120，随后经由端口 128进入环形区域130，如图2C中最佳可见。循环流体随后进入井下钻井组件100的动力部分，如图2D中最佳可见。优选地，定子136具有多分段、成型内表面，其限定具有螺旋构型的多个定子叶片，其中每一分段由一完整匝的定子螺旋线的线性距离界定。本领域技术人员将理解，用于特定动力部分的定子叶片的数目将基于包括旋转的所需速度和所需转矩的因素来确定，其中与倾向于以更小速度运转但传递更大转矩的具有更大数目定子叶片的动力部分相比，具有更少定子叶片的相同直径的动力部分以更高速度运转并且传递更小转矩。
[0026]转子138具有成型外表面，所述成型外表面紧密地匹配定子136的成型内表面，以便提供紧密配合关系。转子138的成型外表面限定具有螺旋构型的多个转子叶片。用于特定动力部分的转子叶片数目将基于定子叶片数目来确定，因为动力部分的转子叶片数目是比定子叶片数目小一的数。例如，如果定子叶片数目是(n)，那么转子叶片数目是(n-1)。由于定子136和转子138的螺旋叶片式设计，因此在期间的离散间隔处创建密封，这导致产生了由循环流体填充的轴向流体腔室或空腔134。循环流体的动作导致转子138旋转并且旋进定子136内。循环流体随后退出动力部分并且移动通过环形区域140和内部流体通道144。循环流体随后通过并冷却钻头(未画出)，随后运载来自钻井过程的切肩经由井筒环形空间返回到表面。响应于转子138的旋转，万向接头142和连接器接头150旋转，这又使驱动轴146和钻头旋转。以这种方式，井下钻井组件100可操作来延长井筒。应当注意，在正常的钻井操作期间，转子138的旋转还使转子延伸部124和内心轴122旋转。如此，旋转组件独立于可或可不旋转的外壳体旋转。然而，旋转组件与外壳体之间的相对旋转速度不足以在旋转斜盘泵组件156中产生足够的油压以克服弹簧172使环形活塞170和接合离合器174移位的弹簧力。
[0027]在钻头被卡住的情况下，不大可能用井下钻井组件100的动力部分供应的转矩来释放钻头。井下钻井组件100的最大转矩输出受在转子138与定子136的密封表面之间没有流体泄漏的情况下动力部分能够承受的最大压差限制。然而，如果井下钻井组件100的动力部分不能够释放被卡住的钻头，那么井下钻井组件100仍然能够通过接合液压致动离合器部分并且响应于钻柱的旋转而旋转钻头来释放被卡住的钻头。更具体而言，钻柱在使井下钻井组件100的外壳体旋转的表面处旋转。这个旋转使活塞160绕井下钻井组件100的纵轴旋转。当活塞160旋转时，所述活塞还由于与旋转斜盘158的倾斜表面相互作用而轴向往复运动，从而导致泵送动作，所述泵送动作在压力下将流体从腔室166传递到腔室168中。加压流体作用于环形活塞170的上表面。当旋转斜盘泵组件156的旋转速率足以产生克服弹簧172的弹簧力所需的压力时，环形活塞170在井下方向上轴向移位。
[0028]在此移位之前，外离合器 板176与外壳体一起旋转而内离合器板178是静止的。当环形活塞170在井下方向上轴向移位时，环形活塞170接触外离合器板176，所述外离合器板176在井下方向上移位以接合内离合器板178。一旦接合，夕卜离合器板176与内离合器板178之间的摩擦促进内离合器板178旋转。当内离合器板178通过转子延伸部124、连接器接头126、万向接头132、转子138、万向接头142、连接器接头150和驱动轴146来可操作地耦接到钻头时，来自钻柱的旋转的转矩通过液压致动离合器174来传递到驱动轴146和钻头。在这个构型中，从表面经由钻柱的旋转施加到驱动轴146和钻头的转矩可显著大于可由井下钻井组件100的动力部分产生的转矩。一旦钻头被释放，旋转组件与外壳体之间的相对旋转速度降低，从而减小了作用于环形活塞170的上表面上的液压。当所述压力不再足以克服弹簧172的弹簧力时，环形活塞170在上向钻孔方向上轴向移位，从而使外离合器板176脱离内离合器板178。井下钻井组件100现在已经返回到其正常的操作构型，以使得通过井下钻井组件100泵送的循环流体使钻头旋转，进而使得井下钻井组件100能够进一步延长井筒。
[0029]现在参考附图3A-3F，图中描绘通常用200表示的井下钻井组件的一个实施方案。在所示出的实施方案中，井下钻井组件200包括具有多个外壳部分的外壳，所述外壳部分螺旋地并且密封地耦接在一起并且形成钻柱的下部。在所示出的实施方案中，外壳包括储油器壳体部分202、液压泵壳体部分204、离合器壳体部分206、轴承壳体部分208、转子延伸壳体部分210、万向接头壳体部分212、动力部分壳体部分214、万向接头壳体部分216和轴承壳体部分218。井下钻井组件200具有内部流体通道220，所述内部流体通道220与钻柱的内部流体通道流体连通，以使得循环流体可经由钻柱的内部流体通道从表面泵送到井下钻井组件200中。内部流体通道220被限定在内心轴222、转子延伸部224和226内。连接器接头226包括多个端口 228，所述端口 228将循环流体连通到万向接头壳体部分212与万向接头232之间的环形区域230中。循环流体随后进入井下钻井组件200的动力部分，所述循环流体在被排出到万向接头壳体部分216与万向接头242之间的环形区域240中之前在内成型定子236与外成型转子238之间的区域234中移动。循环流体随后经由连接器接头250的端口 248进入驱动轴246中的内部流体通道244。循环流体随后将通过连接到钻头盒252的钻头(未画出)，并且经由井筒环形空间返回到表面。
[0030]在所示出的实施方案中，内心轴222和转子延伸部224优选螺旋地并且密封地耦接在一起。转子延伸部224、连接器接头226、万向接头232、转子238、万向接头242、连接器接头250和驱动轴246优选螺旋地耦接在一起。总之，内心轴222、转子延伸部224、连接器接头226、万向接头232、转子238、万向接头242、连接器接头250和驱动轴246可被称为旋转组件。万向接头232在连接器接头226与转子238之间提供关节式连接。同样地，万向接头242在转子238与连接器接头250之间提供关节式连接。所述关节式连接被设计来允许转子238的偏心运动在旋转组件的剩余部分中变成旋转运动。
[0031 ] 储油器壳体部分202包括储液室254，所述储液室254优选地含有清洁流体如液压流体。被描绘为旋转斜盘泵组件256的液压泵被设置在液压泵壳体部分204与内心轴222之间。旋转斜盘泵组件256包括旋转斜盘258，所述旋转斜盘258紧固地耦接到内心轴222并且可操作来与内心轴222 —起旋转。旋转斜盘258被定位以使得其限定与井下钻井组件200的纵轴成一定角度的平面。旋转斜盘泵组件256还包括多个沿圆周分布的活塞260，仅所述活塞中的两个在图3A中可见。在所示出的实施方案中，活塞260由储油器壳体部分202支撑并且可操作来与其一起旋转。每个活塞260在由旋转斜盘258推进时可操作来在井下钻井组件200的轴向方向上独立于其它活塞而移动，从而允许每个活塞260在相应气缸262内抵抗相应弹簧264的偏置力而往复运动。每个活塞260包括适当的阀门控制，以使得所述活塞的轴向往复运动使流体被从与储液室254流体连通的腔室266抽出并且在压力下被排出到腔室268中。放气管路连接其中定位有适当阀的腔室266和腔室268，以便在允许流体再循环通过系统时维持腔室268中的所需压力。
[0032]环形活塞270和将环形活塞270偏置在上向钻孔方向上的弹簧272被设置在离合器壳体部分206与内心轴222之间。在所示出的实施方案中，环形活塞270的上部被滑动并密封地接收在液压泵壳体部分204内并且可操作来与其一起旋转。为清楚起见以侧视图描绘的液压致动离合器274被设置在离合器壳体部分206与转子延伸部224之间。在所示出的实施方案中，离合器274包括被描绘为上堞形元件276的上离合器组件，所述上堞形元件276经由花键连接耦接到离合器壳体部分206并且可操作来与其一起旋转。响应于环形活塞270的轴向移动，上堞形元件276可操作来相对于离合器壳体部分206滑动，所述滑动反作用于用来朝向脱离偏置离合器274的弹簧力。离合器274还包括被描绘为下堞形元件278的下离合器组件，所述下堞形元件278紧固地耦接到转子延伸部224并且可操作来与转子延伸部一起旋转。轴承组件280被定位在离合器壳体部分206与转子延伸部224之间。轴承组件282被定位在轴承壳体部分208与转子延伸部224之间。轴承组件284被定位在轴承壳体部分218与驱动轴246之间。
[0033]现在将描述井下钻井组件200的操作。在正常的钻井操作期间，沿钻柱的内部流体通道将循环流体向下泵送到井下钻井操作200的内部流体通道220。循环流体通过内部流体通道220，随后经由端口 228进入环形区域230，如图3C中最佳可见。循环流体随后进入井下钻井组件200的动力部分，如图3D中最佳可见。由于定子236和转子238的螺旋叶片式设计，因此在期间的离散间隔处创建密封，这导致产生了由循环流体填充的轴向流体腔室或空腔234。循环流体的动作导致转子238旋转并且旋进定子236内。循环流体随后退出动力部分并且移动通过环形区域240和内部流体通道244。循环流体随后通过并冷却钻头(未画出)，随后运载来自钻井过程的切肩经由井筒环形空间返回到表面。响应于转子238的旋转，万向接头242和连接器接头250旋转，这又使驱动轴246和钻头旋转。以这种方式，井下钻井组件200可操作来延长井筒。应当注意，在正常的钻井操作期间，转子238的旋转还使转子延伸部224和内心轴222旋转。如此，旋转组件独立于可或可不旋转的外壳体旋转。然而，旋转组件与外壳体之间的相对旋转速度不足以在旋转斜盘泵组件256中产生足够的油压以克服弹簧272使环形活塞270和接合离合器274移位的弹簧力。
[0034]在钻头被卡住的情况下，不大可能用井下钻井组件200的动力部分供应的转矩来释放钻头。然而，如果井下钻井组件200的动力部分不能够释放被卡住的钻头，那么井下钻井组件200仍然能够通过接合液压致动离合器部分并且响应于钻柱的旋转而旋转钻头来释放被卡住的钻头。更具体而言，钻柱在使井下钻井组件200的外壳体旋转的表面处旋转。这个旋转使活塞260绕井下钻井组件200的纵轴旋转。当活塞260旋转时，所述活塞还由于与旋转斜盘258的倾斜表面相互作用而轴向往复运动，从而导致泵送动作，所述泵送动作在压力下将流体从腔室266传递到腔室268中。加压流体作用于环形活塞270的上表面。当旋转斜盘泵组件256的旋转速率足以产生克服弹簧272的弹簧力所需的压力时，环形活塞270在井下方向上轴向移位。
[0035]在此移位之前，上堞形元件276与外壳体一起旋转而下堞形元件278是静止的。当环形活塞270在井下方向上轴向移位时，环形活塞270接触上堞形元件276，所述上堞形元件276在井下方向上移位以接合下堞形元件278。一旦接合，上堞形元件276和下堞形元件278 的网状堞形轮廓促进下堞形元件278旋转。当下堞形元件278通过转子延伸部224、连接器接头226、万向接头232、转子238、万向接头242、连接器接头250和驱动轴246来可操作地耦接到钻头时，来自钻柱的旋转的转矩通过液压致动离合器274来传递到驱动轴246和钻头。在这个构型中，从表面经由钻柱的旋转施加到驱动轴246和钻头的转矩可显著大于可由井下钻井组件200的动力部分产生的转矩。一旦钻头被释放，旋转组件与外壳体之间的相对旋转速度降低，从而减小了作用于环形活塞270的上表面上的液压。当所述压力不再足以克服弹簧272的弹簧力时，环形活塞270在上向钻孔方向上轴向移位，从而使上堞形元件276脱离下堞形元件278。井下钻井组件200现在已经返回到其正常的操作构型，以使得通过井下钻井组件200泵送的循环流体使钻头旋转，进而使得井下钻井组件200能够进一步延长井筒。
[0036]本领域技术人员应当理解的是，本文所述的说明性实施方案不意欲以限制意义进行解释。在参考本公开之后，说明性实施方案以及其它实施方案的各种修改和组合对于本领域技术人员来说将是明显的。因此，随附权利要求书意欲包括任何此类修改或实施方案。
【主权项】
1.一种井下钻井组件，其包括: 钻柱，所述钻柱具有内部流体通道； 流体马达，其被设置在所述钻柱内，所述流体马达具有定子和转子，所述转子可操作来响应于经由所述钻柱的所述内部流体通道所接收的循环流体来相对于所述定子旋转；驱动轴，其与所述转子可操作地相关联，所述驱动轴响应于所述转子的旋转而旋转；钻头，其与所述驱动轴可操作地相关联，所述钻头响应于所述驱动轴的旋转而旋转；以及 液压致动离合器，其被设置在所述钻柱内，所述离合器具有可操作来与所述钻柱一起旋转的第一离合器组件和可操作来与所述驱动轴一起旋转的第二离合器组件， 其中，在第一构型中，所述第一离合器组件与所述第二离合器组件脱离，以使得所述驱动轴和钻头响应于所述转子的旋转而相对于所述钻柱旋转；以及 其中，在第二构型中，响应于通过所述钻柱的旋转产生的液压，所述第一离合器组件接合所述第二离合器组件，以使得所述驱动轴和钻头与所述钻柱一起旋转。2.如权利要求1所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括旋转斜盘泵，其响应于所述钻柱的旋转而产生所述液压。3.如权利要求1所述的井下钻井组件，其中所述第一离合器组件还包括第一离合器板，并且其中所述第二离合器组件还包括第二离合器板。4.如权利要求3所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括活塞，所述活塞响应于所述液压而轴向移位，所述活塞可操作来使所述第一离合器组件移位成与所述第二离合器组件接合。5.如权利要求1所述的井下钻井组件，其中所述第一离合器组件还包括第一堞形元件，并且其中所述第二离合器组件还包括第二堞形元件。6.如权利要求5所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括活塞，所述活塞响应于所述液压而轴向移位，所述活塞可操作来使所述堞形元件移动来与另一堞形元件接合。7.如权利要求6所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括弹簧，所述弹簧将所述堞形元件偏置成与另一堞形元件脱离。8.一种井下钻井组件，其包括: 钻柱，所述钻柱具有内部流体通道； 流体马达，其被设置在所述钻柱内，所述流体马达具有定子和转子，所述转子可操作来响应于经由所述钻柱的所述内部流体通道所接收的循环流体来相对于所述定子旋转；驱动轴，其与所述转子可操作地相关联，所述驱动轴响应于所述转子的旋转而旋转；钻头，其与所述驱动轴可操作地相关联，所述钻头响应于所述驱动轴的旋转而旋转；以及 液压致动离合器，其被设置在所述钻柱内，所述离合器具有旋转斜盘泵、可操作来与所述钻柱一起旋转的第一离合器组件以及可操作来与所述驱动轴一起旋转的第二离合器组件， 其中，在第一构型中，所述第一离合器组件与所述第二离合器组件脱离，以使得所述驱动轴和钻头响应于所述转子的旋转而相对于所述钻柱旋转；以及 其中，在第二构型中，响应于通过响应于所述钻柱的旋转的所述旋转斜盘泵所产生的液压，所述第一离合器组件接合所述第二离合器组件，以使得所述驱动轴和钻头与所述钻柱一起旋转。9.如权利要求8所述的井下钻井组件，其中所述第一离合器组件还包括第一离合器板，并且其中所述第二离合器组件还包括第二离合器板。10.如权利要求9所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括活塞，所述活塞响应于通过所述旋转斜盘泵所产生的所述液压而轴向移位，所述活塞可操作来使所述第一离合器组件移位成与所述第二离合器组件接合。11.如权利要求8所述的井下钻井组件，其中所述第一离合器组件还包括第一堞形元件，并且其中所述第二离合器组件还包括第二堞形元件。12.如权利要求11所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括活塞，所述活塞响应于通过所述旋转斜盘泵所产生的所述液压而轴向移位，所述活塞可操作来使所述堞形元件移动来与另一堞形元件接合。13.如权利要求12所述的井下钻井组件，其中所述液压致动离合器还包括弹簧，所述弹簧将所述堞形元件偏置成与另一堞形元件脱离。14.一种操作井下钻井组件的方法，其包括: 将具有内部流体通道和井下钻井马达组件的钻柱设置在井筒中； 通过所述内部流体通道和所述井下钻井马达组件泵送循环流体； 响应于所述循环流体，相对于所述井下钻井马达组件的定子旋转所述井下钻井马达组件的转子； 响应于所述转子的所述旋转，旋转驱动轴； 响应于所述驱动轴的所述旋转，相对于所述钻柱旋转钻头； 旋转所述钻柱； 响应于通过所述钻柱的所述旋转产生的液压，接合液压致动离合器；以及 响应于所述钻柱的所述旋转，使所述钻头与所述钻柱一起旋转。15.如权利要求14所述的方法，其中响应于所述钻柱的所述旋转接合所述液压致动离合器还包括响应于操作旋转斜盘泵来产生液压。16.如权利要求14所述的方法，其中响应于通过所述钻柱的所述旋转产生的液压来接合所述液压致动离合器还包括使与所述钻杆可操作地相关联的第一离合器组件接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二离合器组件。17.如权利要求16所述的方法，其中使与所述钻杆可操作地相关联的第一离合器组件接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二离合器组件还包括使与所述钻杆可操作地相关联的第一离合器板接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二离合器板。18.如权利要求16所述的方法，其中使与所述钻杆可操作地相关联的第一离合器组件接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二离合器组件还包括使与所述钻杆可操作地相关联的第一堞形元件接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二堞形元件。19.如权利要求16所述的方法，其中使与所述钻杆可操作地相关联的第一离合器组件接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二离合器组件还包括响应于所述液压来使活塞轴向移位。20.如权利要求16所述的方法，其中使与所述钻杆可操作地相关联的第一离合器组件接合与所述驱动轴可操作地相关联的第二离合器组件还包括响应于所述液压来克服弹簧力。
【专利摘要】一种井下钻井组件包括钻柱，所述钻柱具有内部流体通道。被设置在所述钻柱内的流体马达具有转子，所述转子可操作来响应于经由所述内部流体通道所接收的循环流体来相对于定子旋转。驱动轴和钻头可操作地与所述转子相关联并且可操作来与所述转子一起旋转。被设置在所述钻柱内的液压致动离合器具有：第一构型，其中第一离合器组件与第二离合器组件脱离，以使得所述驱动轴和钻头相对于所述钻柱旋转；以及第二构型，其中响应于通过所述钻柱的旋转产生的液压，所述第一离合器组件接合所述第二离合器组件，以使得所述驱动轴和钻头与所述钻柱一起旋转。
【IPC分类】E21B4/02, E21B4/10
【公开号】CN104884728
【申请号】CN201280077403
【发明人】R·R·盖克瓦德, P·阿加瓦尔
【申请人】哈利伯顿能源服务公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2012年12月29日
【公告号】CA2893056A1, EP2917447A1, US20150345221, WO2014105072A1