一种井下止转锁紧机构、方法和应用与流程

本发明属于石油钻井，具体涉及一种井下止转锁紧机构、方法和应用，特别是一种油气钻井过程中将两个相对转动部件锁紧、阻止其相对转动的机构。

背景技术：

1、井下作业中经常遇到两部件存在可控制的相对转动情况，其中一个部件与钻柱相连作为参考运动部件，另一个部件相对钻柱做旋转运动。在某些条件下，当两部件的相对转角达到目标值之后需要停止相对转动、作为一个整体一起随钻柱转动。做相对转动的部件与钻头相连，承受随时间剧烈波动的扭矩。当两部件之间无相对转动时，需要特殊的锁紧机构将这两个部件锁紧，防止扭矩波动引起两部件发生不必要的相对转动。

2、现有的锁紧装置多采用内外花键在不同位置处的啮合来实现两种模式的转换，例如中国专利公开文献cn114109256a公开了一种钻井定向装置，包括：驱动轴，驱动轴沿轴向方向延伸，在驱动轴的外侧面上形成有多个第一定位凸起，多个第一定位凸起在周向上彼此均匀间隔开布置，在相邻的第一定位凸起之间形成第一定位通道，在驱动轴的外侧面上还形成有多个第二定位凸起，多个第二定位凸起在周向上彼此间隔开布置，在相邻的第二定位凸起之间形成第二定位通道，多个第二定位凸起在轴向上间隔开地设置在多个第一定位凸起之下一定距离处，并在周向上与多个第一定位凸起交错一定角度布置，使得第一定位通道与第二定位通道彼此连通但在周向上错开；以及传动筒，传动筒沿轴向方向延伸，并套设在驱动轴外，在传动筒的内侧面上形成有至少一个配合凸起。啮合的花键无法实现连续转动，只能实现花键分度整数倍的有级调整。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种井下止转锁紧机构、方法和应用，可实现无级、可靠地实现相对转角的锁定，同时满足定向连续转动要求。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的第一个方面，提供一种井下止转锁紧机构，包括依次连接的转动装置、锁紧机构和输出短节。

4、本发明的进一步改进在于：

5、所述转动装置包括输入轴，所述输入轴上沿轴线方向设有一中心通孔；

6、所述输入轴的上端与钻柱固定连接，下端外表面设有输入轴花键，用于与所述锁紧机构连接。

7、本发明的进一步改进在于：

8、所述锁紧机构包括锁紧机构外壳，所述锁紧机构外壳内设置有锁紧滑套，所述锁紧机构外壳上部内表面加工有内摩擦锥面，所述锁紧滑套上端外表面加工有外摩擦锥面，所述外摩擦锥面与所述内摩擦锥面相互配合形成锥形摩擦副。

9、本发明的进一步改进在于：

10、所述锁紧滑套上部内表面设置有锁紧滑套上花键，所述输入轴插入到锁紧滑套内，且所述输入轴花键与所述锁紧滑套上花键啮合，用于传递来自转动装置的输出扭矩；

11、所述锁紧滑套下部内表面设置有锁紧滑套下花键，用于与所述输出短节连接。

12、本发明的进一步改进在于：

13、所述锁紧滑套内中部设置有节流孔，所述节流孔的直径小于所述锁紧滑套中心孔的直径。

14、本发明的进一步改进在于：

15、所述锁紧滑套的下部外壁与所述锁紧机构外壳内壁之间形成环腔，所述环腔内设有压紧弹簧。

16、本发明的进一步改进在于：

17、所述输出短节包括输出轴和套在所述输出轴外的输出短节外壳，所述输出轴的上下两端均伸出所述输出短节外壳外；

18、所述输出轴上沿轴线方向设置有中心孔，所述输出轴上端插入到所述锁紧滑套下部中心孔中，所述输出轴上的中心孔与所述节流孔连通；

19、所述输出轴上的中心孔的直径大于所述节流孔的直径。

20、本发明的进一步改进在于：

21、所述输出轴上部外表面设置有输出轴花键，所述输出轴花键与所述锁紧滑套下花键啮合。

22、本发明的进一步改进在于：

23、所述输出短节外壳上端与所述锁紧机构外壳下端通过螺纹连接，并通过密封圈密封。

24、本发明的进一步改进在于：

25、所述输出短节外壳上部设有上台阶，使得所述输出短节外壳上部与所述输出轴之间形成第一环形空腔；

26、所述第一环形空腔内由下至上依次设有上推力轴承和滑动轴承，所述滑动轴承与所述输出轴之间通过螺纹连接，所述滑动轴承外壁与所述滑动轴承外套内壁通过间隙配合形成滑动轴承副，所述滑动轴承外套顶端与所述压紧弹簧相接触，侧壁与所述锁紧机构外壳相接触。

27、本发明的进一步改进在于：

28、所述输出短节外壳下部靠近端面处设有下台阶，所述输出轴下部设有台阶，使得所述输出短节外壳下部与所述输出轴之间形成第二环形空腔，所述第二环形空腔内由上至下依次设置有下推力轴承和环形垫块。

29、本发明的第二个方面，提供一种井下止转锁紧方法，采用上述一种井下止转锁紧机构实现。

30、本发明的第三个方面，提供一种上述井下止转锁紧机构在石油钻井中的应用。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本发明提供了一种井下止转锁紧机构，通过压差节流和弹簧组合的方式来控制锥形摩擦副接触情况，通过摩擦副接触摩擦承受下部传递的反扭矩，从而避免因扭矩波动引起不必要的相对转动，同时在满足强度要求的前提下，保证井下小尺寸空间安装和钻井液流通要求。

33、本发明所采用的锥形摩擦副，可在输出轴任意转角下完成摩合，从而实现输出轴的无级锁定功能。其中摩擦副采用锥面一方面可提高接触面积，另一方面可以在较小的轴向推力作用下实现大的摩擦力。锥形摩擦副由内摩擦锥面和外摩擦锥面组成，内摩擦锥面位于锁紧机构外壳内保持不动，外摩擦锥面随锁紧滑套做轴向运动；锁紧滑套的轴向运动由压紧弹簧推力和节流孔前后压差控制，其中节流孔前后压差产生的轴向推力与弹簧推力方向相反。锁紧滑套通过上、下花键分别与输入轴和输出轴相连实现三者之间的联动，正常钻进时，输出轴不需要转动，此时，节流孔前后压差产生的推力小于弹簧推力，内、外摩擦锥面相互压紧，锁紧滑套相对锁紧机构外壳无转动，实现输出轴的止转锁紧功能。需要控制输出轴转动时，增加流过节流孔的流量，使节流孔前后压差产生的推力大于弹簧力，内、外摩擦锥面脱离接触，锁紧滑套可在输入轴的带动下转动，并通过输出轴花键带动输出轴转动。

技术特征：

1.一种井下止转锁紧机构，其特征在于，包括依次连接的转动装置、锁紧机构和输出短节。

2.根据权利要求1所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述转动装置包括输入轴，所述输入轴上沿轴线方向设有一中心通孔；

3.根据权利要求2所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述锁紧机构包括锁紧机构外壳，所述锁紧机构外壳内设置有锁紧滑套，所述锁紧机构外壳上部内表面加工有内摩擦锥面，所述锁紧滑套上端外表面加工有外摩擦锥面，所述外摩擦锥面与所述内摩擦锥面相互配合形成锥形摩擦副。

4.根据权利要求3所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述锁紧滑套上部内表面设置有锁紧滑套上花键，所述输入轴插入到锁紧滑套内，且所述输入轴花键与所述锁紧滑套上花键啮合，用于传递来自转动装置的输出扭矩；

5.根据权利要求4所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述锁紧滑套内中部设置有节流孔，所述节流孔的直径小于所述锁紧滑套中心孔的直径。

6.根据权利要求5所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述锁紧滑套的下部外壁与所述锁紧机构外壳内壁之间形成环腔，所述环腔内设有压紧弹簧。

7.根据权利要求6所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述输出短节包括输出轴和套在所述输出轴外的输出短节外壳，所述输出轴的上下两端均伸出所述输出短节外壳外；

8.根据权利要求7所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述输出轴上部外表面设置有输出轴花键，所述输出轴花键与所述锁紧滑套下花键啮合。

9.根据权利要求8所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述输出短节外壳上端与所述锁紧机构外壳下端通过螺纹连接，并通过密封圈密封。

10.根据权利要求9所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述输出短节外壳上部设有上台阶，使得所述输出短节外壳上部与所述输出轴之间形成第一环形空腔；

11.根据权利要求10所述的井下止转锁紧机构，其特征在于，所述输出短节外壳下部靠近端面处设有下台阶，所述输出轴下部设有台阶，使得所述输出短节外壳下部与所述输出轴之间形成第二环形空腔，所述第二环形空腔内由上至下依次设置有下推力轴承和环形垫块。

12.一种井下止转锁紧方法，采用权利要求1-11任一项所述的井下止转锁紧机构实现。

13.权利要求1-11任一项所述的井下止转锁紧机构在石油钻井中的应用。

技术总结本发明提供了一种井下止转锁紧机构、方法和应用，属于石油钻井技术领域。所述井下止转锁紧机构包括依次连接的转动装置、锁紧机构和输出短节，锁紧机构包括锁紧机构外壳和设置于锁紧机构外壳内的锁紧滑套，锁紧机构外壳的内摩擦锥面和锁紧滑套上端的外摩擦锥面相互配合形成锥形摩擦副；锁紧滑套内中部设置有节流孔，锁紧滑套的下部外壁与锁紧机构外壳内壁之间形成环腔，环腔内设有压紧弹簧。本发明通过压差节流和弹簧组合的方式来控制锥形摩擦副接触情况，通过摩擦副接触摩擦承受下部传递的反扭矩，从而避免因扭矩波动引起不必要的相对转动，同时在满足强度要求的前提下，保证井下小尺寸空间安装和钻井液流通要求。技术研发人员：胡亮,阮臣良,陈武君受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/9