阅读说明：本技术 一种电磁控制扭矩离合装置 (Electromagnetic control torque clutch device ) 是由 刘少胡 甘泉泉 付必伟 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电磁控制扭矩离合装置,属石油钻井工具技术领域。外壳内一端活动安装有上牙嵌凸缘,外壳内另一端通过限位套和止推轴承活动安装有下中心管,下中心管的一端延伸至外壳外端,外壳内的下中心管端口内螺纹安装有上中心管；上中心管的一端延伸至上牙嵌凸缘的中心孔内,外壳内的下中心管上通过复位弹簧安装有下牙嵌凸缘,下牙嵌凸缘与上牙嵌凸缘活动啮合连接；该装置结构紧凑、操作平稳,解决了现有滑动钻井技术实施时产生的系列问题,提高了在大斜度井、水平井及大位移井钻井时定向钻进的效率。(The invention relates to an electromagnetic control torque clutch device, belonging to the technical field of petroleum drilling tools. An upper jaw flange is movably mounted at one end in the shell, a lower central tube is movably mounted at the other end in the shell through a limiting sleeve and a thrust bearing, one end of the lower central tube extends to the outer end of the shell, and an upper central tube is mounted in an internal thread at the port of the lower central tube in the shell; one end of the upper central tube extends into a central hole of the upper jaw flange, a lower jaw flange is arranged on the lower central tube in the shell through a return spring, and the lower jaw flange is movably meshed and connected with the upper jaw flange; the device has compact structure and stable operation, solves the series problems generated when the prior sliding drilling technology is implemented, and improves the directional drilling efficiency when drilling in highly deviated wells, horizontal wells and extended reach wells.)

一种电磁控制扭矩离合装置

技术领域

本发明涉及一种电磁控制扭矩离合装置，属石油钻井工具技术领域。

背景技术

目前，在石油天然气资源勘探开发过程中,钻井作业有着举足轻重的地位，是证实和摸清含油气构造，获取地质资料，开采油气资源的重要手段。石油工业是高风险的资金密集型、科技密集型行业，而钻井费用占整个石油勘探开发费用的60%～80%，所以一种新的钻井方法以及装置对整个钻井工程乃至石油工业都有着重要的影响。

随着勘探开发向非常规油气资源、深部油气资源转变，为了提高单井产量和采收率、提高油田的整体开发效益，大斜度和水平井在油气田得到推广。特别是页岩气的开发几乎全部采用水平井钻井方式。目前，大斜度和水平井在钻井过程中，特别是采用弯外壳泥浆马达进行滑动钻进过程中，由于钻杆不旋转，导致钻杆扭矩、摩阻大，井眼不清洁，托压等一系列难题。

国内现有的技术有的通过改变悬重来下传控制信号和施加离合器啮合控制力，该方法不适合于大斜度井和水平井，因为在此状况下，钻杆与井壁的摩擦作用使轴向运动以及轴向力的传递变得不确定。因此有必要研究一种新型的扭矩离合装置来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种结构紧凑、操作平稳、钻井过程中可实现钻杆平稳传递扭矩或分离扭矩两种工况，有利于降低在滑动钻进时的钻杆摩阻和扭矩，减轻或防止钻进托压，提高在大斜度井、水平井及大位移井钻井时定向钻进效率的电磁控制扭矩离合装置。

本发明是通过如下的技术方案来实现上述目的的：

一种电磁控制扭矩离合装置，它由上中心管、下中心管、上牙嵌凸缘、下牙嵌凸缘、电磁组、复位弹簧、上接头和外壳构成，其特征在于：外壳内一端活动安装有上牙嵌凸缘，外壳内另一端通过限位套和止推轴承活动安装有下中心管，下中心管的一端延伸至外壳外端，外壳内的下中心管端口内螺纹安装有上中心管；上中心管的一端延伸至上牙嵌凸缘的中心孔内，外壳内的下中心管上通过复位弹簧安装有下牙嵌凸缘，下牙嵌凸缘与上牙嵌凸缘活动啮合连接；所述的上牙嵌凸缘圆周上安装有电磁组和控制器，下牙嵌凸缘的咬合齿端头固装有永久磁铁。

所述的外壳由上壳体和下壳体螺纹连接而成。

所述的上牙嵌凸缘为三级变径管状体，上牙嵌凸缘的一端延伸至上壳体外端，延伸至上壳体外端的上牙嵌凸缘端头螺纹安装有上接头，上牙嵌凸缘的另一端的端面上均布有上咬合齿；上咬合齿一侧的上牙嵌凸缘变径处设置有接线通孔。

所述的上咬合齿的侧端面上嵌装有压力传感器，压力传感器由导线通过接线通孔与控制器连接。

所述的下牙嵌凸缘为二级变径管状体，下牙嵌凸缘一端的端面上均布有与上咬合齿对应的下咬合齿，上牙嵌凸缘与下牙嵌凸缘之间通过上咬合齿与下咬合齿的配合啮合连接。

所述的下咬合齿的端头固装有永久磁铁。

所述的下牙嵌凸缘的内壁圆周上均布有花键槽，与下牙嵌凸缘对应的下中心管的圆周上均布有与花键槽对应的滑键，下牙嵌凸缘与下中心管之间通过花键槽和滑键的配合键连接；下牙嵌凸缘可沿下中心管轴向滑动。

所述的上牙嵌凸缘与上中心管之间滑动密封连接。

所述的上壳体外侧和上牙嵌凸缘之间设置有上卡簧；下壳体外侧和下中心管之间设置有下卡簧。

所述的电磁组由环形电池、增磁棒和电磁线圈构成；环形电池一端端面上安装有多个增磁棒，电磁线圈缠绕在增磁棒上，电磁线圈两端与环形电池连接组成回路，环形电池分别与压力传感器和控制器连接。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

该电磁控制扭矩离合装置，可以克服现有滑动钻井技术实施时产生的如：由于钻杆不旋转，导致钻杆扭矩、摩阻大，井眼不清洁，托压等系列问题，通过上牙嵌凸缘和下牙嵌凸缘啮合并且可以分离又复位的结构，提供一种结构紧凑、操作平稳，能够根据需要在钻井过程中实现钻杆可以平稳传递扭矩或分离扭矩两种工况，有利于降低在滑动钻进时的钻杆摩阻和扭矩，减轻或防止钻进托压，提高在大斜度井、水平井及大位移井钻井时定向钻进效率。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的剖视结构示意图；

图3上牙嵌凸缘和下牙嵌凸缘的结构示意图；

图4为为上牙嵌凸缘和下牙嵌凸缘啮合的A-A截面结构示意图；

图5为下中心管和下牙嵌凸缘配合的B-B截面结构示意图；

图6为本发明的电磁组结构示意图；

图7为电磁组即压力传感器工作原理示意图；

图8为本发明的工作状态示意图。

图中：1、上接头，2、上牙嵌凸缘，3、上卡簧，4、密封圈，5、上壳体，6、电磁组，6-1、环形电池，6-2、增磁棒，6-3、电磁线圈，7、上中心管，8、下中心管，9、下牙嵌凸缘， 10、复位弹簧，11、限位套，12、止推轴承，13、下壳体，14、下卡簧，15、井口装置，16、钻杆，17、电磁控制扭矩离合装置，18、动力钻具，19、永久磁铁，20、压力传感器，21、控制器，22、上咬合齿，23、下咬合齿，24、保护弹片，25、接线通孔。

具体实施方式

该电磁控制扭矩离合装置，由上中心管7、下中心管8、上牙嵌凸缘2、下牙嵌凸缘9、电磁组6、复位弹簧10、上接头1和外壳构成，外壳由上壳体5和下壳体13螺纹连接而成。外壳内一端活动安装有上牙嵌凸缘2。上牙嵌凸缘2为三级变径管状体，上牙嵌凸缘2的一端延伸至上壳体5外端，延伸至上壳体5外端的上牙嵌凸缘端头螺纹安装有上接头1，以在工作中连接钻杆。上牙嵌凸缘2的另一端的端面上均布有上咬合齿22；其中一个上咬合齿22齿根处的侧端面上嵌装有压力传感器20，压力传感器20的端头上设置有保护弹片24，保护弹片24一端与上咬合齿22的侧端面焊接，保护弹片24另一端与上咬合齿22的侧端面接触连接；以在上牙嵌凸缘2、下牙嵌凸缘9回复啮合过程中避免损坏压力传感器20。上咬合齿22一侧的上牙嵌凸缘2的变径处设置有接线通孔25；上牙嵌凸缘2的圆周上安装有电磁组6和控制器21。电磁组6由环形电池6-1、增磁棒6-2和电磁线圈6-3构成；环形电池6-1一端端面上安装有多个增磁棒6-2，电磁线圈6-3缠绕在增磁棒6-2上，电磁线圈6-3两端与环形电池6-1连接组成回路。压力传感器20由导线通过接线通孔25与控制器21连接，以将扭矩信号上传控制器21，环形电池6-1分别与压力传感器20和控制器21连接，以在工作中提供工作电源。工作时，压力传感器、20电磁组6和控制器21随上牙嵌凸缘2转动。

该电磁控制扭矩离合装置的压力传感器20和控制器21分别为市售产品，压力传感器20可用型号较多，不一一例举，（如：OMEGA品牌的PXM600MU-350BARGV）；

控制器21为51单片机；控制器21通过环形的装配底座安装在电磁组6一侧的上牙嵌凸缘2上。

外壳内另一端通过限位套11和止推轴承12活动安装有下中心管8，下中心管8与外壳之间设置有密封圈4。下中心管8的一端延伸至外壳外端，延伸至外壳外端的下中心管8用于安装下接头，以在工作时安装钻具。外壳内的下中心管8端口内螺纹安装有上中心管7；上中心管7的一端延伸至上牙嵌凸缘2的中心孔内，上牙嵌凸缘2与上中心管7之间滑动密封连接，外壳内的下中心管8上通过复位弹簧10安装有下牙嵌凸缘9。

下牙嵌凸缘9为二级变径管状体，下牙嵌凸缘9一端的端面上均布有与上咬合齿22对应的下咬合齿23，下咬合齿23的端头固装有永久磁铁19。上牙嵌凸缘2与下牙嵌凸缘9之间通过上咬合齿22与下咬合齿23的配合啮合连接。下牙嵌凸缘9的内壁圆周上均布有花键槽，与下牙嵌凸缘9对应的下中心管8的圆周上均布有与花键槽对应的花键，下牙嵌凸缘9与下中心管8之间通过花键槽和滑键的配合键连接；工作时，在外力作用下，下牙嵌凸缘9可沿下中心管8轴向滑动。

该电磁控制扭矩离合装置的上壳体5外侧和上牙嵌凸缘2之间设置有上卡簧3；下壳体13和下中心管8之间设置有下卡簧14，以对外壳进行限位。

该电磁控制扭矩离合装置通过压力传感器20随时监测该装置运转过程中的扭矩大小，当扭矩超过设定值时，控制器21启动电磁组6工作，使上牙嵌凸缘2与下牙嵌凸缘9之间的啮合状态解除，具体为：

钻杆通过上接头1带动上牙嵌凸缘2转动，上牙嵌凸缘2通过下牙嵌凸缘9带动下中心管8转动，进而带动下接头和钻具转动；实现扭矩传递；当钻具受阻扭矩超过设定值时，压力传感器20将采集的扭矩信号上传给控制器21，控制器21通过信号开关对电磁线圈6-3发出接通电源的信号，电磁线圈6-3接通电源，产生磁极。

由于永久磁铁19的磁性与电磁组6产生的磁极一致。电磁组6产生的磁力穿过上牙嵌凸缘2，与永久磁铁19之间通过“同极相斥”的原理，推动下牙嵌凸缘9轴向滑动，从而解除上牙嵌凸缘2与下牙嵌凸缘9之间的啮合状态，这一过程中，下牙嵌凸缘9同时压缩复位弹簧10使其蓄能。

上牙嵌凸缘2与下牙嵌凸缘9之间的啮合状态解除后；上牙嵌凸缘2继续跟随上接头1旋转，下牙嵌凸缘9不再旋转；由此解决因扭力过大导致的钻具崩钻问题。

上牙嵌凸缘2与下牙嵌凸缘9之间的啮合状态解除后；压力传感器20检测到的扭矩值为0，此时压力传感器19传输信号给控制器21，控制器21通过信号开关对电磁线圈6-3发出关闭电源的信号，电磁线圈6-3断开电源，电磁组6停止工作，不再产生磁力，下牙嵌凸缘9在复位弹簧10的作用下向上牙嵌凸缘2方向滑动复位，与上牙嵌凸缘2重新啮合，下牙嵌凸缘9重新在上牙嵌凸缘2的带动下同步转动，实现了扭矩合并。下牙嵌凸缘9在与上牙嵌凸缘2重新啮合的过程中，即在下牙嵌凸缘9的下咬合齿23***至上咬合齿22过程中，首先与保护弹片24接触并使其变形，下咬合齿23***过程中产生的挤压力通过保护弹片24传递到压力传感器20上，保护弹片24在此过程中对下咬合齿23起一个导向的作用，以此避免下咬合齿23***过程中对压力传感器20造成损坏。

该电磁控制扭矩离合装置结构紧凑、操作平稳，通过上牙嵌凸缘2和下牙嵌凸缘9啮合并且可以分离又复位的结构，实现了钻杆可以平稳传递扭矩或分离扭矩两种工况，解决了现有滑动钻井技术实施时产生的如：由于钻杆16不旋转，导致钻杆16扭矩、摩阻大，托压等系列问题，有利于降低在滑动钻进时的钻杆16摩阻和扭矩，减轻或防止钻进托压，提高了在大斜度井、水平井及大位移井钻井时定向钻进效率。