用于双部件管的接头

发明领域

本发明涉及水平方向钻探的领域，更具体地但并非限制性地涉 及用于双部件管的接头，以用于产生用于传递至水平方向钻探系统 的井下工具的扭矩输出。

发明概要

本发明涉及包括多个管段和接头组件的管段系统。管段设置成 端对端地接合以形成钻柱。各管段具有可旋转的外部件和可旋转的 内部件。可旋转的内部件位于外部件之内。扭矩可在各管段的外部 件和相邻管段的外部件之间传递，其中，扭矩可在各管段的内部件 和相邻管段的内部件之间传递。最后，接头组件适于在钻柱的井下 端处在管段的外部件和内部件之间传递扭矩。

本发明还涉及用于驱动包括多个管段和接头组件的井下工具旋 转的系统。这些管段设置成端对端地传递扭矩式接合以形成钻柱。 各管段具有可旋转的外部件和位于外部件之内的可旋转的内部件。 接头组件具有第一端和第二端。接头组件的第一端可以可操作地连 接在井下工具上，而接头组件的第二端可以在钻柱的井下端可操作 地连接在管段的内部件和外部件上。另外，接头组件适于接受来自 于内部件的扭矩输入和来自于外部件的扭矩输入，以产生井下工具 的综合扭矩输出。

在另一方面，本发明涉及水平钻孔系统，其包括水平钻机、多 个管段、接头组件和井下工具。水平钻机具有至少一个驱动系统， 其特征在于第一端和第二端。驱动系统的第一端连接在水平钻机上。 多个管段设置成端对端地接合而形成钻柱，使得管段在钻柱的井上 端连接在驱动系统的第二端上。

钻柱中的各管段具有可旋转的外部件和位于外部件之内的可旋 转的内部件。扭矩可在各管段的外部件和相邻管段的外部件之间传 递。另外，扭矩可在各管段的内部件和相邻管段的内部件之间传递。 另外，接头组件适于在钻柱的井下端在管段的外部件和内部件之间 传递扭矩，井下工具适于与接头组件形成传递扭矩式接合。

在另一方面，本发明涉及用于驱动井下工具的水平钻孔系统。 该水平钻孔系统包括水平钻机、多个管段，以及接头组件。水平钻 机具有至少一个驱动系统，其特征在于第一端和第二端。驱动系统 的第一端连接在水平钻机上。

多个管段设置成端对端地接合以形成钻柱，使得管段在钻柱的 井上端连接在驱动系统的第二端上。钻柱中的各管段具有可旋转的 外部件和位于外部件之内的可旋转的内部件。扭矩可在各管段的外 部件和相邻管段的外部件之间传递。另外，扭矩可在各管段的内部 件和相邻管段的内部件之间传递。最后，接头组件适于接受来自于 内部件的扭矩输入和来自于外部件的扭矩输入，以产生井下工具的 综合扭矩输出。

附图简介

图1是根据本发明构成的水平方向的钻探系统的示意图。

图2是与双部件钻柱一起使用的管段的断开的侧视的局部剖视 图。

图3显示了本发明的旋转驱动系统的断开的侧视剖视图。

图4是包括可以可拆下地连接在井下工具上的连接器异径接头 的接头组件的侧视图。

图5是根据本发明构成的图4所示接头组件的剖视图。

图6是带有形成为井下工具的一体式部分的连接器异径接头的 井下工具的透视图。

图7是根据本发明构成的驱动系统的框图。

图8是包括根据本发明构成的溢流离合器(clutch)的接头组件 的剖视图。

图9是包括根据本发明构成的溢流离合器的图8所示接头组件 沿着图8中的切开线A-A透视图。

图10是包括根据本发明构成的棘轮离合器的接头组件的剖视 图。棘轮离合器设置成类似于图8和9中的溢流离合器。

图11是包括根据本发明构成的锁定机构的接头组件的透视图。 接头组件的外传动轴的壁的一部分已取下，以便更好地显示锁定机 构的其它构件。

图12是液压机构的剖视图，其驱动内部件相对于图11所示外 部件的轴向运动。

图13(a)是连接在双部件钻柱上并且包括根据本发明构成的活动 式花键连接器的接头组件的剖视图。活动式花键连接器如图所示处 于其中只有内传动轴通过花键接头连接在井下工具上的第一位置 中。

图13(b)是包括根据本发明构成的活动式花键连接器的接头组件 的局部剖视图。活动式花键连接器如图所示处于其中只有外传动轴 通过花键接头连接在井下工具上的第二位置中。

图13(c)是包括根据本发明构成的活动式花键连接器的接头组件 的局部剖视图。活动式花键连接器如图所示处于其中内传动轴和外 传动轴两者均通过花键接头连接在井下工具上的第三位置中。

图14是包括容纳在倒划井眼工具中的行星齿轮系统的接头组件 的局部剖视图和局部侧视图。

图15是行星传动外壳组件的视图，其包括用于驱动井下钻孔工 具的行星齿轮系统。

图16是图15所示行星传动外壳组件的剖视图。

图17是沿着切开线A-A剖开的图16所示行星传动外壳组件的 剖视图。

优选实施例的详细描述

现在大体上参见附图，具体参见图1，其中显示了根据本发明构 成的水平方向的钻探系统10。水平方向的钻探系统10一般包括钻机 12、控制系统14、管操作组件16、驱动系统18、双部件钻柱20和 井下工具22。

钻机12优选具有支撑控制系统14的中心框架24、驱动系统18 的回转机械，以及管操作组件16。框架24也支撑了安装在支架28(如 图3所示)上的心轴(spindle)26。在钻探和倒划井眼操作过程中， 支架28可沿着心轴连接区域中的框架前进或收回。管操作组件16 具有管储存装置，例如管架29，用于储存多个双部件管段30。管输 送系统(未示出)可设在管架29下方，以便在钻探操作期间在管架和 心轴连接区域之间输送管段30。根据需要，管段30可添加至钻柱20 上或者从其上取下，以便在钻探和倒划井眼操作期间伸长或缩短钻 柱20。因此，钻柱20包括多个双部件管段30，其设置成端对端地 接合以形成钻柱。

现在参见图2和3，各双部件管段30包括位于可旋转的外部件 42之内的可旋转的内部件40。优选的是，内部件40定位于外部件42 内将会形成环形空间44，从而有助于管段30中的钻井流体在内部件 的外表面和外部件的内表面之间流动。或者，内部件40可包括管或 管状段，以便钻井流体可经过内部件。结果，相连内部件40和外部 件42的钻柱就限定了延伸过双部件钻柱20长度的通路，其允许流 体通过钻柱而流向井下工具22。

在优选的双部件管段30中，可旋转的外部件42是细长的和管 状的。外部件42包括销端(pin end)52、中心主体部分53和盒形 端54。销端52和盒形端54是螺纹式的，用于连接在相邻管段30上。 优选的是，销端52设有锥形外螺纹，盒形端54设有锥形内螺纹。 因此，一个管段30的外部件42的盒形端54可以传递扭矩式的接合 而连接在相邻的类似管段30的销端52上。销端52和外部件42的 盒形端54的外径可大于外部件的中心主体部分53的外径。

可旋转的内部件40优选是细长的，并且其特征在于，其外径小 于外部件42的最小内径。在该优选实施例中，内部件40是一体式 地形成的，并且包括实心棒。然而，可以理解，在某些情形下，内 部件40可为管状的，而不是实心棒。

双部件管段30的内部件40优选设有无螺纹几何形状的销端70 和盒形端72。内部件40的盒形端72可通过任何合适的手段而钎焊、 锻造、焊接或连接在内部件40上。盒形端72具有与销端70的几何 形状相匹配的内轮廓。结果，盒形端72以滑动配合的传递扭矩式接 合来相配地接受相邻内部件40的销端70的内部件40。用于内部件 40的销端70和盒形端72的优选几何形状是多边形，例如六边形、 八边形、五边形，等等。

出于本申请的目的，＂几何形状＂指允许销端70可滑动地容纳在 盒形端72中的任何构造，但在这样相连之后，这种构造会阻止销端 相对于盒形端旋转。允许单一动作、无需连接器、能够在钻柱20的 相邻内部件40之间传递扭矩的滑动配合接合的任何几何构型都可使 用。这样的一种双部件管连接件在美国专利No.5682956中进行了介 绍，该专利的内容通过引用而结合于本文中。可以理解，出于本申 请的目的，＂几何形状＂不包括完美的圆形，因为这种形状不允许扭矩 从一个管段传递至下一个管段。另外，所描述的＂不需要连接器＂意指 不存在用于将内部件40的销端70固定在相邻类似内部件的盒形端72 上的任何插销、销或其它连接器件。

在优选的双部件钻柱20中，内部件40的销端70凹入在外部件 42的盒形端54内，内部件40的盒形端72突出到外部件42的销端 52之外。这种管段30结构用于形成钻柱20，其中外部件42处于上 销连接的构造，并且内部件40处于下销连接的构造。用于外部件和 内部件的销端和盒形端的其它构造预期可使得，例如，内部件的销 端可从外部件的销端突出，并且内部件的盒形端可凹入在外部件的 盒形端内。

再次参见图1，已装配好的双部件钻柱20的特征在于井上端75 和井下端76。钻柱20的井上端75可操作地连接在钻机12上，其将 驱动力、例如旋转力和推力传递至钻柱上，以形成地下井孔32。钻 柱20的井下端76一般支撑住形成或抛光井孔32的井下工具22。优 选的是，井下工具22在钻柱20的井下端76操作式地连接在管段30 的内部件40上。井下工具22可因此而通过内部件40旋转，并且独 立于外部件42。斜面钻头和三牙轮钻头举例说明了井下工具22，其 通常连接在钻柱20的井下端76上，以在地层中形成井孔32。或者， 倒划井眼工具是井下工具22，其通常连接在钻柱20的井下端76上， 以便在钻柱20从井孔32中抽出的过程中通过切削、扩大或压实来 抛光井孔，从而最终调整井孔的尺寸。本文所用的＂井下工具＂指的是 操作式地连接在钻柱20的井下端76上并用于与水平方向钻机12一 起使用的应用中的任何工具。

现在参见图3，在该优选实施例中，用于双部件水平方向的钻探 系统10、已装配的双部件钻柱20和井下工具22通过驱动系统18而 被驱动。驱动系统18优选包括多个旋转装置，更优选包括两个独立 的旋转驱动装置80和82。各旋转驱动装置80和82在钻柱20的井 上端75可操作地可连接在管段30的部件40和42中的相应一个上。 各旋转驱动装置80和82独立地驱动多个已装配的内部件40或钻柱 20的多个已装配外部件42。旋转驱动装置80和82例如可为液压电 动机、可变速度的电动机、气动电动机，等等。还可以理解，在与 本发明相一致的某些情形下，在其中一种情形下，井上驱动装置80 和82可机械式地连接在一起或被单个电动机驱动。

如图3所示，驱动系统18优选包括用于驱动多个外部件42的 外部件驱动组80，以及用于驱动多个内部件40的内部件驱动组82。

外部件驱动组80被支撑于支架28上，并且包括外驱动电动机 83、外心轴84和扭矩传递部件86。外驱动电动机83操作式地连接 在外心轴84上，并且通过扭矩传递部件86将动力和扭矩输入传递 至外心轴84。优选的是，扭矩传递部件86包括链轮和具有上、下链 轮的链组件。外心轴84又可在钻柱20的井上端75而螺纹式地连接 在管段30的外部件42上。这样，外心轴84将扭矩从外驱动电动机 83传递至包括钻柱20的多个外部件42上。然而，可以使用用于将 动力和扭矩输入从外部件驱动电动机83传递至外部件42的任何手 段。

内部件驱动组82适于被支撑于支架28上，并且包括内驱动电 动机90和内心轴92。内驱动电动机90驱动内心轴92。内心轴92 在钻柱20的井上端75处可连接在管段30的内部件40上。优选的 是，心轴92以传递扭矩的六边形滑动配合连接设置而连接在内部件 40上。然而，可以使用可在钻柱20的井上端75处、在内心轴92和 内部件40之间传递扭矩的任何其它类型连接。因此，在钻孔和倒划 井眼操作期间，内驱动电动机90将扭矩传递至内部件40，并最终传 递至井下工具22。

因此，可以理解，根据本发明，钻柱20的扭矩通过双部件钻柱 的外部件42和内部件40两者而独立地传递。然而，如果内部件40 和外部件42设置成一起旋转，则可通过钻柱20而传递至井下工具22 的扭矩大小将包括内部件和外部件两者的扭矩输入能力。

本发明提供了接头组件100，其能够将内部件40与外部件42互 连起来，以便使内部件和外部件可以一起旋转。另外，接头组件100 构造成可接受来自于外部件42和内部件40两者的扭矩输入，以产 生用于传递至井下工具22的综合扭矩输出。接头组件100可在操作 的基础上将扭矩输出传递至井下工具22。或者，接头组件100可根 据操作要求的规定，选择性地将扭矩输出传递至井下工具22。

现在参见图4和5，图中显示了接头组件100，例如能够将外部 件42与内部件40联接起来的连接器异径接头102。外部件42和内 部件40以这样的方式联接，以便在钻柱20的井下端76(图1)处，在 管段30的外部件和内部件之间基于操作的进行而传递扭矩输入。因 此，就产生了井下工具22、例如图4所示扩眼钻头的综合扭矩输出。 优选的是，连接器异径接头102由钢制成。然而，也可以使用其它 材料，例如合金或复合材料。

连接器异径接头102优选包括井上部分104和井下部分106。优 选的是，连接器异径接头102的井上部分104连接在钻柱20上，连 接器异径接头的井下部分106连接在井下工具22上。连接器异径接 头102的井上部分104优选包括内传动连接器112和外传动连接器 114。连接器异径接头102也优选其特征在于多个流体通道115(如所 示图5)，其允许流体通过连接器异径接头。

外传动连接器114适于在钻柱20的井下端76与管段30的外部 件42相连。在该优选实施例中，外传动连接器114包括螺纹式销端。 外传动连接器114可以传递扭矩式接合而连接在管段30的外部件42 的盒形端52上。

内传动连接器112从外传动连接器114延伸出。内传动连接器112 适于在钻柱20的井下端76与管段30的内部件40相连。优选的是， 内传动连接器112包括盒形端，其用于连接在内部件40的销端70 上。更优选的是，内传动连接器112在几何形状上构造成可以扭矩 传递式设置来接受销端70。

在该优选实施例中，内传动连接器112和外传动连接器114彼 此相对地扭转式地固定。更优选的是，连接器112和114一体式地 形成为连接器异径接头102的一部分。然而，连接器112和114也 可以其它方式扭转式地连接，例如通过焊接或销连接。

继续参考图4和5，连接器异径接头102的井下部分106适于连 接在井下工具22上。优选的是，井下部分106包括带锥形内螺纹的 盒形端124。井下工具22优选包括带锥形外螺纹的销端125。因此， 连接器异径接头102的井下部分106的盒形端124可螺纹式地连接 在井下工具22的销端125上，并且可由此而可拆下地连接在井下工 具上。

可构思出用于将连接器异径接头102的井下部分106扭转式地 固定在井下工具22上的备选装置。例如，井下工具22可利用销接 装置而固定在连接器异径接头102上。在另一实施例中，连接器异 径接头102的井下部分106可以不可拆下地连接在井下工具22上。 例如，连接器异径接头102可形成为井下工具22的一体式部分，如 图6所示。

现在参见图7，图中显示了用于本发明的驱动系统18。驱动系 统18优选具有以相同的一般转速来驱动钻柱20的外部件42和内部 件40的能力。如上参考图3所述，驱动系统18包括外驱动电动机80 和内驱动电动机82。如图7所示，驱动系统18也可包括反馈控制系 统128、外驱动电动机负荷敏感泵130和内驱动电动机负荷敏感泵 131。优选的是，外驱动电动机80和内驱动电动机82是响应于来自 内驱动电动机的压力反馈和来自外驱动电动机的转速反馈而被驱 动。

内驱动电动机80和外驱动电动机82分别地驱动内部件40和外 部件42旋转。外负荷敏感泵130和内负荷敏感泵131分别操作式地 连接在电动机80和82上，并调节传递给电动机的动力输入。优选 的是，电动机80和82是液压电动机，并且泵130和131调节流到 电动机中的液压流体流量。这就导致液压电动机在相同速度下被驱 动。如果一个电动机的转速略微增加，则该环路中的压力将会增大， 并且泵将通过降低流向该电动机的流量来作出反应，从而将这些电 动机调节至处于相同速度下。

或者，自动电子控制系统128操作式地连接在电动机80和82 上，以及连接在泵130和131上。控制系统128接受与电动机80和 82工作相关的信息，并将控制信息传输至泵130和131。在该优选 实施例中，内驱动电动机82和外驱动电动机80上的压力传感器(未 示出)检测内和外驱动电动机的旋转压力，并发送相应的压力信号至 控制系统128。外驱动电动机80和内驱动电动机82上的速度拾取传 感器(未示出)检测外驱动电动机的转速，并发送相应的速度信号至控 制系统128。或者，其它传感器可用于检测与电动机80和82工作相 关的信息。

控制系统128接受来自电动机80和82上的传感器的信号，以 便基于驱动电动机输出的预定运行特性来控制电动机的操作。控制 系统128然后可发送控制信号至泵130和131，以产生所需的运行特 性。例如，外驱动电动机82用作传递至钻柱20和井下工具22的主 扭矩源是比较理想的。当外驱动电动机82达到最大扭矩输出时，内 驱动电动机80可提供另外的扭矩输出至钻柱20和井下工具22。

用于驱动电动机输出的其它组合也是可以的。然而，内驱动电 动机82和外驱动电动机80两者的总平均扭矩输出仍会得以保持。 总平均扭矩输出得以保持的原因在于，只有当用作井下工具的主要 扭矩输出源的驱动电动机达到其最大扭矩输出时，用作井下工具22 的另一扭矩输出源的第二驱动装置才会成为一项因素。

或者，流向内驱动电动机82和外驱动电动机80的流体流可由 公共的加压源来供应，以便使内驱动电动机和外驱动电动机两者在 相同转速下旋转。结果，外部件42和内部件40两者将在相同转速 下旋转。通过连接器异径接头102传递的综合扭矩输出是内驱动电 动机82和外驱动电动机80的组合扭矩输入。应注意到，部件40和 42两者的相同转速简称这两部件的总平均转速。结果，内部件40的 转速在任何既定时刻都可不同于外部件42的转速。

除了用于将扭矩从内部件40和外部件42传递至井下工具22之 外，连接器异径接头102还阻止了在双部件钻柱20的井下端76在 钻柱20的外部件42和内部件40之间的相对旋转运动。因此，使用 连接器异径接头102对井下工具22的性能有正面效果，因为该井下 工具现在使组合扭矩前进通过岩层而不会出现＂停机＂。另外，管段30 上的磨损受到限制，因为当井下工具22使所需的扭矩前进通过岩层 时，不会发生管段在长钻孔中的＂卷紧＂。

现在参见图8，图中显示了用于本发明接头组件的备选实施例。 接头组件132适于在钻柱20的井下端76选择性地联接双部件管段30 的内部件40和外部件42。接头组件132的井下端操作式地连接在井 下工具22a上。如图8和9所示，所示的井下工具22a是用于钻探岩 石中的井孔的三牙轮钻头。如同本发明的其它实施例一样，接头组 件132可与任何井下工具22一起使用，以用于钻孔或倒划井眼操作 的过程中。

接头组件132包括外传动件134、内传动件136和离合器机构 138。如下所述，当离合器机构138未接合时，外传动件134和内传 动件136设置成可彼此独立地旋转。当离合器机构138形成接合时， 外传动件134和内传动件136联接起来，并且在相同速度下旋转。

优选的是，外传动件134一般是圆柱形的，并且限定了管状的 开口内段139。外传动件134包括位于驱动装置的井上端的外部件连 接器140。外部件连接器140适于在钻柱20的井下端76连接在管段 30的外部件42上。如图8所示，外部件连接器140是螺纹式销端连 接器，用于与外部件42的带螺纹式盒形端52相配。更优选的是， 外部件连接器140的外径基本上类似于外部件42盒形端的外径。

内传动件136包括中心轴142、内部件连接器144和工具连接器 146。中心轴142穿过外传动件134的内段139，并且通常同轴地设 在该内段138内。中心轴142通过密封件148和轴承150的组而固 定成可在内段139内独立地旋转。中心轴142也可具有一个或多个 流体通道151，其允许流体通过钻柱20而传递至井下工具22a。

内部件连接器144连接在中心轴142的井上端上，并且延伸至 超出外部件连接器140。内部件连接器144优选通过销接或焊接而连 接在中心轴142上。或者，连接器144可通过其它手段、或者通过 与该轴一体地形成的连接器，而扭转式地固定在中心轴142上。内 部件连接器144适于在钻柱20的井下端76连接在管段30的内部件 40上。如图8所示，内部件连接器144是盒形端连接器，其适于接 受内部件40的几何形状式销端70。

工具连接器146连接在中心轴142的井下端，并且适于连接在 井下工具22a上。如同内部件连接器144一样，工具连接器146可通 过允许扭矩从轴142传递至工具连接器的任何方式来连接。在如图8 所示的该优选实施例中，工具连接器146包括圆柱形的井上端152， 其在尺寸上设置成可接受中心轴142。紧固螺母154螺纹式连接在轴 142上，从而将工具连接器146固定在该轴上。花键连接将连接器146 扭转式地连接在内轴142上。或者，工具连接器146可与中心轴142 一体式地形成，或以其它方式固定在该轴上。

工具连接器146以扭矩传递的设置而连接在井下工具22a上。 优选的是，工具连接器146包括螺纹式盒形端，用于接受井下工具22a 的螺纹式销端连接器156。更优选的是，工具连接器146的外径基本 上相同于外传动件134的直径。然而，可以构思出用于将井下工具22a 固定在工具连接器146上的其它设置。例如，井下工具22a可与内传 动件136或与接头组件132一体式地形成。

接头组件132的结构以及外传动件134和内传动件136之间的 关系有时允许传动件彼此独立地旋转。因此，当钻柱20的内部件40 和外部件42旋转时，接头组件132的内传动件136和外传动件134 相应地旋转。如以下将介绍，接头组件132的离合器机构138允许 传动件134和136的选择性联接。传动件134和136的选择性联接 允许扭矩从这两个传动件和钻柱20传递至井下工具22a。

继续参考图8，离合器机构138优选设在外传动件134的内段139 中，并且设置在内传动件136的中心轴142周围。在该优选实施例 中，离合器机构138是溢流离合器，但允许选择性地联接外传动件134 和内传动件136的任何机构也适合与接头组件132一起使用。

优选的是，离合器机构138压配合或以其它方式固定在内段139 的壁上，使得不允许在外传动件134和离合器机构之间出现旋转滑 动。本领域的技术人员可以理解，径向力可用来防止离合器138相 对于外传动件134旋转。其它相配接合机构、例如花键或键合机构， 也可用于阻止离合器机构138和传动件134、136之间的旋转滑动。

如上所述，接头组件132的结构允许外传动件134和内传动件136 彼此独立地旋转，并且离合器机构138允许传动件的选择性联接。 当外传动件134的转速小于内传动件136的转速时，离合器138不 会形成接合，因此内传动件136和外传动件134彼此独立地旋转。 结果，井下工具22a接受来自于内传动件136的扭矩输入，并因此仅 仅接受来自于钻柱20的内部件40的扭矩输入。

当外传动件134以基本上等于或大于内传动件136转速的速度 而旋转时，离合器机构138形成接合。在接合之后，离合器138将 促使内传动件136在与外传动件134基本上相同的速度下旋转。因 此，离合器138就将钻柱20的内部件40和外部件42有效地联接在 一起。结果，离合器138和接头组件132就允许从外部件42通过外 传动件134而传递至井下工具22a的扭矩输入。

如果外传动件134的速度是降低至小于内传动件136的转速， 或者如果内传动件速度是增大至大于外传动件的转速，那么离合器 机构138将脱离接合。此时，离合器138使内传动件136从外传动 件134上滑脱或脱离接合。然后，内传动件136、钻柱20的内部件 40又成为用于井下工具22a的扭矩输入的唯一来源。

本领域的技术人员可以理解，当在笔直通路上钻孔并且使用了 带接合模式的离合器138的接头组件132时，就可提供极大的优点。 因此，通过使用本发明的接头组件132，就可钻出更长距离的钻孔， 这是因为与带有未形成联接的内、外部件的钻柱相比，钻柱20的内 部件40的卷紧是有限的。这是因为外传动件134和内传动件136两 者都提供了传递至井下工具22a的增大的扭矩输出。使用接头组件132 也允许使用大的井下工具，因为钻柱20的更大直径外部件42可采 用增大的扭矩。

现在参见图10，图中显示了用于离合器机构160的备选实施例， 其与图8所示接头组件132一起使用。优选的是，图10所示离合器 机构包括棘轮离合器160。如同图8的离合器机构132一样，棘轮离 合器160设在内传动件136和外传动件134之间。如图10所示，外 传动件134可包括第一键槽162，其形成于外传动件134的内段139 的壁中。第一键槽162相配式地接受离合器160的外壁上的第一键 销164。类似地，第二键槽166形成于内传动件136的中心轴142中。 第二键槽166相配式地接受离合器160内壁上的第二键销168。键槽 166和键销168阻止内传动件136和离合器160内壁之间的相对旋转。 键槽162和键销164阻止外传动件134和离合器160的外壁之间的 相对旋转。图10所示棘轮离合器160将以接合模式和脱离接合模式 来操作，这类似于如图8和图9所示的离合器机构138。

现在来看图11和12，图中显示了根据本发明构成的接头组件200 和驱动系统250的另一实施例。接头组件200将同样用于允许钻柱20 的内部件40和外部件42选择性地联接在一起。

接头组件200包括外传动件或外壳202、内传动件204，以及锁 定机构206。优选的是，外壳202是圆柱形的，并且限定了内腔室208。 外壳202的井上端210适于在钻柱20的井下端76连接在管段30的 外部件42上。如图11所示，外壳202的井上端210包括螺纹式销 端连接部212，用于与外部件42的盒形端54相连。外壳202的井下 端214是开口端，以便允许内传动件204经过外壳，如下所述。

内传动件204包括中心轴220、内部件连接器222和工具连接器 224。中心轴220穿过外壳202，并且通常同轴地设在外壳202中。 优选的是，轴220是圆柱形的形状。中心轴220可通过密封件和轴 承装置的组(未示出)固定，而在外壳202内可独立地旋转。

内部件连接器222连接在中心轴220的井上端，并且延伸至超 出外壳202的销端连接部212。内部件连接器222优选通过销接或焊 接而连接在中心轴220上。或者，连接器222可通过其它手段、或 通过与该轴一体地形成的连接器，而扭转式地固定在中心轴220上。 内部件连接器222适于在钻柱20的井下端76连接在管段30的内部 件40上。如图11所示，内部件连接器222是盒形端连接器，其适 于接受内部件40的几何形状的销端70。

工具连接器224连接在中心轴220的井下端上，并且适于连接 在井下工具22a上。如同内部件连接器222一样，工具连接器224可 通过允许扭矩从轴220传递至工具连接器的任何方式来连接。优选 的是，轴220和连接器224之间的连接可允许该轴相对于该连接器 的轴向运动，以用于如下所述的用途。如图11所示，工具连接器224 包括圆柱形的井上端225，其在尺寸上设置成可接受中心轴220的井 下端226。更优选的是，中心轴220和连接器224的井上端225在几 何形状上设置成用于以销/盒式的扭矩传递设置来形成连接。如图所 示，中心轴220的井下端226包括带花键的销端，其容纳在连接器224 的相配花键键合式盒形端225中。

更优选的是，工具连接器224包括偏置弹簧227，其用于促使中 心轴220相对于连接器轴向向上地钻孔。可以构思出与接头组件200 一起使用的其它偏置机构，只要中心轴220和工具连接器224保持 扭转式地固定，而与该轴的轴向运动无关。

工具连接器244的井下端228适于连接在井下工具22a上。工 具连接器224的井下端228可通以任何扭矩传递设置而连接在井下 工具22a上。优选的是，井下端228包括螺纹式盒形端230，用于接 受井下工具22a的螺纹式销端连接器。更优选的是，井下端228的外 径与外壳202的直径基本上相同。然而，可以构思出用于将井下工 具22a固定在工具连接器224上的其它设置。例如，井下工具22a可 与内传动件204或与接头组件200一体式地形成。优选的是，工具 连接器224也包括流体端口229，以便允许钻井流体通过该连接器而 到达井下工具22a。

接头组件200的结构以及外壳202与内传动件204之间的关系 允许该内传动件204独立于外壳旋转。因此，当内部件40和外部件 42旋转时，内传动件204和接头组件200的外壳202独立地旋转。 如下所述，接头组件200的锁定机构206允许传动件204和外壳202 的选择性联接。传动件204和外壳202的选择性联接允许扭矩从钻 柱20的内部件40和外部件42传递至井下工具22a。

继续参考图11，锁定机构206优选为圆柱形的形状，位于外壳 202中并且围绕中心轴220。锁定机构206可具有流体通道231，其 允许钻井流体流过接头组件200。优选的是，锁定机构206压配合或 以其它方式固定在外壳202的壁上，使得不允许在外壳和锁定机构 之间有旋转滑动。其它相配式接合机构、例如花键或键合装置可用 于阻止锁定机构206和外壳202之间的旋转滑动。

锁定机构206限定了轴向开口232，中心轴220经过该开口，锁 定机构206还可包括一个或多个流体通道233，以允许钻井流体流过 和流经锁定机构。优选的是，开口232限定了内表面234，其适于以 锁定和未锁定的模式与中心轴220相接合。更优选的是，开口232 的表面234限定了花键装置，用于与固定在一部分中心轴220的周 边周围的相应花键236的组相接合。当中心轴以如下所述的方式轴 向地前进至井下时，中心轴220上的花键236将与开口232的表面234 相接合。或者，花键236可设置成使得井上或井下方向上的轴向运 动将导致用于中心轴220的锁定模式。

当中心轴220上的花键236未与表面234相接合时，接头组件200 以未锁定的模式操作，并且外壳202和内传动件204可独立地旋转。 在未锁定的模式下，只有内传动件204和钻柱20的内部件40驱动 井下工具22a的旋转。当花键236与表面234相接合时，接头组件200 以锁定模式操作，并且外壳202和内传动件204一起旋转。然后， 在锁定模式下，来自于内部件40和钻柱20的外部件42这两者的转 矩将传递至井下工具22a。

图12显示了进行了改进以便与接头组件200一起使用的驱动系 统250。本实施例的驱动系统250优选是双旋转驱动系统，其类似 于如图1、3和7所示的驱动系统，用于驱动钻柱20的内部件40和 外部件42。驱动系统250包括内部件驱动电动机252和外部件驱动 电动机254。内部件驱动电动机252驱动内传动轴256的运动。外部 件驱动电动机254驱动外传动轴258的运动。

驱动系统250还包括操作式地连接在内驱动电动机252上的轴 向平移组件260。平移组件260优选适于使内驱动电动机252和内传 动轴256相对于外传动轴258轴向地或纵向地运动。平移组件260 优选包括液压活塞和缸组件262。更优选的是，活塞和缸组件262操 作式地连接在内驱动电动机252上，并且固定在钻机12的支架28 上(见图1和3)。如图12所示，缸组件262设置成可驱动内驱动电动 机252和内传动轴256相对于支架28运动、并因此相对于外传动轴 258运动。

用于活塞和缸组件262的配置和连接只是出于示例性目的。其 它结构和操作可设想用于平移组件260。例如，活塞和缸组件262可 操作式地连接在内传动轴256上，或者可包括齿轮和链机构。允许 内传动轴256相对于外传动轴258轴向运动的任何结构也适合与本 实施例的平移组件260一起使用。还可以设想，根据需要，平移组 件260可通过控制系统14或通过操作者来促动。

组件262将优选在标准位置和向前位置之间操作。或者，平移 组件262可在多个位置之间操作，使得内传动轴256和外传动轴258 可彼此相对于对方而轴向运动。在本实施例的标准位置中，活塞和 缸组件262并不伸出，钻柱20以传统方式来使用，其中钻柱的内部 件40和外部件42彼此独立地旋转。

在图12所示的向前位置中，活塞和缸组件262延伸出，从而将 内驱动电动机252和内传动轴256向前推进。内传动轴256的向前 运动导致内部件40也相对于外部件42向前运动。内部件40的运动 导致接头组件200的中心轴220的向前运动。中心轴220的向前运 动允许该轴上的花键236与锁定机构206的内表面234相接合。可 以理解，中心轴220和钻柱20的内部件40可稍微地旋转，以允许 花键236与内表面234相配式地对准。如上所述，当中心轴220与 锁定机构206相接合时，钻柱20的内部件40和外部件42将联接起 来，并且来自于内传动轴256和外传动轴258这两者的扭矩可传递 至井下工具22a。

与驱动系统250一起使用的另一优选接头组件300(如图12所示) 显示于图13a中。接头组件300适于以如下所述的方式在钻柱20的 井下端76连接在管段30的内部件40和外部件42上(例如见图5和 8)。优选的是，接头组件300的相对端连接在井下工具22b上。图13a 所示实施例的接头组件300允许可仅通过钻柱20的内部件40、或仅 通过钻柱的外部件42、或通过内部件和外部件这两者，来控制井下 工具22b的旋转。

优选的是，接头组件300包括外壳302、内传动轴304、工具接 合器306和锁定组件308。外壳302优选是圆柱形的，并且具有适于 在钻柱20的井下端76连接在外部件42上的井上端。如同上述实施 例一样，外壳302优选包括螺纹式销端连接部310，其用于连接在钻 柱20的外部件42上。外壳302还限定了内腔室，其优选包括卡圈 (collar)312。更优选的是，卡圈312包括内组花键313，用于如下 所述的用途。

内传动轴304优选是圆柱形的，并且通常设置成同轴地处于外 壳302内。内传动轴304的井上端适于在钻柱20的井下端76连接 在内部件40上。如同以上实施例一样，传动轴304包括盒形端连接 部314，其用于容纳内部件40的几何形状式销端70。传动轴304优 选穿过外壳302延伸至卡圈312，或延伸至刚好超出卡圈312。传动 轴304也可包括流体端口(未示出)，以便有助于钻井流体从钻柱20 流向井下工具22b。

工具接合器306设在外壳302的开口井下端315，并且包括圆柱 形开口端的腔室316和工具连接器318。优选的是，圆柱形开口端的 腔室316在尺寸上设置成可容纳在外壳的开口端315中。更优选的 是，接合器306的腔室316通过密封件和轴承布置320而可旋转地 支撑在外壳302内。腔室316优选包括卡圈式端321，其与外壳302 的卡圈312对准。更优选的是，腔室316的卡圈式端321包括内组 花键323，其用于如下所述的用途。

工具连接器318构造成连接在井下工具22b上。优选的是，井 下工具22b螺纹式连接在连接器318上。然而，可以设想采用备选 的设置，例如利用销或螺钉将工具22b固定在连接器318上。或者， 井下工具22b可与工具接合器306和接头组件300一体式地形成。

锁定组件308用于将工具接合器306和井下工具22b连接在内 传动轴304上，连接在外壳302上，或连接在这两者上。该组件优 选包括前花键装置322，后花键装置324，和偏置部件326。前花键 装置322优选在轴的井下端而固定在内传动轴304上。后花键装置324 设在内传动轴304周围并且被它可旋转地支撑，并且相邻于前花键 装置322。优选的是，后花键装置324通过轴承布置328被支撑于内 传动轴304的周围。

在该优选实施例中，偏置部件326是弹簧，但也可以使用其它 的偏置机构。偏置部件326设在工具接合器306的腔室316内，并 沿着井上方向施加压力到前花键装置322和内传动轴304上。偏置 部件326连同驱动系统250一起用于将花键装置322和324优选定 位在接头组件300内的三个操作位置中。

在第一位置中，如图13a所示，驱动系统250的活塞和缸组件 262(见图12)收回，从而允许偏置部件326的弹簧延伸，并迫使花键 装置322和324在井上方向上运动。在该第一位置中，前花键装置322 与外壳302的卡圈312上的花键313以及工具接合器306的卡圈端321 上的花键323都对准，并且与这两者都操作式地接触。然后，外壳302 首先扭转式地锁定在前花键322和内传动轴304上，从而锁定在工 具接合器306和井下工具22b上。因此，接头组件300允许钻机12 操作，使得来自于驱动系统250的内传动轴256和外传动轴258的 扭矩传递至井下工具22b。

在第二位置中，如图13b所示，活塞和缸组件262(见图12)将部 分地延伸，从而迫使钻柱20的内部件40相对于外部件42轴向地前 进。内部件40的运动也导致内传动轴304和花键装置322和324前 进，从而部分地压缩偏置部件326。在该第二位置中，前花键装置322 与工具接合器306的卡圈式端321上的花键323对准。后花键装置324 与外壳302的卡圈312上的花键313对准。只有内传动轴304和钻 柱20的内部件40以传递扭矩式接合的方式而操作式地连接在井下 工具22b上。外壳302的旋转不会导致任何扭矩传递至井下工具22b， 因为轴承布置328与后花键324和工具接合器306周围的轴承布置320 一起允许外壳独立于井下工具22b旋转。因此，接头组件300允许 钻机12以传统模式操作，其中井下工具22b的旋转专门通过驱动系 统250的内传动轴256来控制。

在第三位置中，如图13c所示，活塞和缸组件262(见图12)完全 伸出，从而迫使钻柱20的内部件40相对于外部件42轴向地前进。 内部件40的运动也导致内传动轴304和花键装置322和324轴向地 前进，从而进一步压缩偏置部件326。在该第三位置中，后花键装置 324与工具接合器306的卡圈式端321上的花键323对准，并与外壳 302的卡圈312上的花键313对准。这种设置允许外壳302、并因此 而允许钻柱20的外部件40以传递扭矩式接合的方式而操作式地连 接在井下工具22b上。内传动轴304的旋转不会导致任何扭矩传递 至井下工具22b，这是因为前花键装置322未与花键313或323相接 合，并且轴承布置328与后花键324一起允许内传动轴独立于井下 工具22b旋转。因此，接头组件300允许钻机12操作，使得井下工 具22b的旋转专门通过驱动系统250的外传动轴256来控制。

现在参见图14，图中显示了用于根据本发明构成的接头组件440 的备选实施例。接头组件440在钻柱20的井下端76连接在管段30 的内部件40和外部件42上。接头组件440优选容纳在井下工具450 内，如图14所示作为扩眼钻头，以便在倒划井眼操作期间使用。井 下工具450包括限定了内工具腔室454的外壁452。外壁452可构造 成具有多个切削件456，例如设在其表面上的硬质合金刀具、切削齿， 等等。内工具腔室454容纳了接头组件440，并且有助于连接在钻柱 20上。

接头组件440包括外传动轴462、内传动轴464和齿轮机构466。 优选的是，齿轮机构466是行星齿轮系统，并且适于将外传动轴462 和内传动轴464单独地或以组合的方式而操作式地连接在井下工具 450上。行星齿轮系统466提供了用于井下工具450的齿轮减速。通 过齿轮减速，井下工具450的输出速度可低于双部件钻柱20的输出 速度。然而，高扭矩可通过带行星齿轮系统466的钻柱20而传递至 井下工具450。

外传动轴462具有井上端，其适于在钻柱20的井下端76连接 在外部件42上。优选的是，井上端包括螺纹式销端连接器468，其 用于连接在外部件42的盒形端上。外传动轴462也包括齿轮连接器 470，其适于与行星齿轮系统466相连。

内传动轴464优选是圆柱形的，并且通常同轴地设在外传动轴 462内。内传动轴464的井上端适于在钻柱20的井下端76而连接在 内部件40上。优选的是，内传动轴464包括盒形端连接器472，其 延伸超出外传动轴462的销端连接器468，用于以传递扭矩式接合的 方式来接受内部件40的销端。内传动轴464优选通过轴承474而固 定在外传动轴462内，并且延伸进入内工具腔室454中。轴承474 允许内传动轴464独立于外传动轴462旋转。

行星齿轮系统466设在内工具腔室454内，并且操作式地连接 在外传动轴462和内传动轴464上。优选的是，行星齿轮系统466 包括四个主要部件：外齿圈500、中心太阳齿轮502、载体(carrier) 504以及一个或多个行星齿轮506。行星齿轮506位于太阳齿轮502 和齿圈500之间，并且通过行星载体504来保持就位。另外，太阳 齿轮502和行星齿轮506可通过连接部件保持在一起，连接部件例 如为带(未示出)，其连接在太阳齿轮的中心轴线和齿圈的中心轴线 上。连接部件用于将太阳齿轮502和行星齿轮506保持在相同的平 面内。

太阳齿轮502优选以扭矩传递的接合方式而连接在内传动轴462 上。更优选的是，在传动轴的伸入工具腔室454的那一端，太阳齿 轮502设置成围绕内传动轴462。太阳齿轮502将与内传动轴462一 起以与内传动轴相同的转速而旋转。

齿圈500操作式地连接在外传动轴462的齿轮连接器470上。 优选的是，齿轮连接器470在连接器的内表面上包括齿轮齿。齿圈500 的外周边上的齿的相应设置允许齿圈与外传动轴462一起旋转。

载体504固定在井下工具450上。优选的是，载体504用螺栓 或螺钉而固定在井下工具450的内工具腔室454中的板508上。行 星载体504的相对端形成了凹口513，其可接受被支撑于轴承480上 的内传动轴462的前部分482。载体504连接在各行星齿轮506的中 心轴线上。优选的是，多个轴516固定在载体504上，并且经过行 星齿轮506的中心轴线。轴516通过轴承(未示出)而被支撑在各行星 齿轮506中，从而允许行星齿轮相对于载体独立地旋转。

继续参考图14，行星齿轮系统466与用作行星齿轮系统之驱动 器或输入齿轮的太阳齿轮502一起操作。各行星齿轮506围绕其中 心轴线旋转，并且通过太阳齿轮502来驱动。另外，齿圈500通过 齿圈内周边上的一组齿轮齿和行星齿轮的外周边而与行星齿轮506 啮合，以便使行星齿轮围绕太阳齿轮502行进。载体504通过其与 行星齿轮506轴的相连，从而在它们围绕太阳齿轮502旋转时，与 行星齿轮一起旋转。在所示图14行星齿轮机构466的优选构造中， 载体504是输出机构，用于将动力输出行星齿轮系统466。

在操作中，行星齿轮系统466优选提供了增大的扭矩输出至井 下工具450，这是由于钻柱20的内部件40和外部件42的速度是可 变的。当内部件40旋转时，连接在内传动轴464上的太阳齿轮502 也将与内部件一起旋转。太阳齿轮502的旋转驱动行星齿轮506。行 星齿轮506将被驱动，而围绕太阳齿轮502在齿圈500和行星齿轮506 之间的相啮合齿轮齿508上行进。行星齿轮506的旋转将驱动载体504 在与太阳齿轮502旋转方向相反的方向上旋转。行星齿轮系统466 的操作将导致井下工具450在与内传动轴462相比降低的速度和增 大的扭矩下旋转。因此，与未连接在行星齿轮系统上的井下工具相 比，连接在载体504上的井下工具450能够以增大的扭矩输出来挖 掘土壤。

本领域的技术人员可以理解，可通过改变行星齿轮系统466中 的齿数以及通过改变传动轴462和464两者的相对旋转速度，来影 响综合扭矩输出。另外，也可通过改变哪个齿轮用作输入齿轮、哪 个齿轮用作输出齿轮以及哪个齿轮保持不动，来产生采用行星齿轮 系统466的不同齿轮齿数比。

另外，可以注意到，尽管以上论述介绍了利用行星齿轮系统466 来用于提供增大的扭矩输出，以用于在倒划井眼操作期间传递至井 下工具450、例如扩眼钻头，然而，相同的方法可在钻探操作期间适 用于其它的井下工具，例如三牙轮钻头。另外，其它齿轮系统或齿 轮组，例如锥齿轮传动装置、行星式中心齿轮传动装置、变化的齿 轮装置、协同驱动装置和正齿轮，以及其它的传动装置，可用于以 与行星齿轮系统466相类似地来操作。

现在参见图15和16，图中显示了用于与井下工具如钻孔工具542 一起使用的本发明接头组件540的备选例。优选的是，接头组件540 包括外传动件544、内传动件546和行星齿轮系统548。更优选的是， 齿轮系统548类似于图14所示的用于扩眼钻头工具的齿轮机构466， 并且适于将外传动件544和内传动件546单独地或以组合的方式而 操作式地连接在钻孔工具542上。

外传动件544具有井上端550，其适于连接在钻柱20的外部件 42上。外传动件544也包括齿轮连接器552，其适于与齿轮系统548 相连。内传动件546优选一般设置成同轴地处于外传动件544内， 并且具有适于连接在钻柱20的内部件40上的井上端。一系列轴承 和密封件554优选用于将内传动件546固定在外传动件544内，使 得内传动件可独立于外传动件旋转。

继续参考图16和图17，本实施例的齿轮系统548包括外齿圈 556、中心太阳齿轮558、载体560以及至少一个行星齿轮562。优 选的是，齿圈556连接在外传动件544的齿轮连接器552上，用于 与外传动件一起地旋转运动。太阳齿轮558优选以传递扭矩式接合 的方式而连接在内传动件546上。更优选的是，太阳齿轮558设置 成围绕内传动件546，并且将与内传动件一起旋转。

行星齿轮562由载体560保持，并且优选设在齿圈556和太阳 齿轮558之间。其它组的密封件和轴承564允许载体560相对于外 传动件544和内传动件546被固定和旋转。载体560也适于连接在 钻孔工具542上。如图16所示，载体560具有井下端566，用于螺 纹式连接在钻孔工具542上。或者，载体560和钻孔工具542可一 体式地形成，或者通过其它手段而操作式地相连。

因此，本发明提供了在采用双部件钻柱时用于控制和提高井下 工具性能的机构。双部件钻柱的内部件和外部件在钻柱的井下端通 过接头组件而连接在井下工具上。接头组件适于接受来自于双部件 钻柱的内部件和外部件两者的扭矩输入，以产生井下工具的增大的 综合扭矩输出。这就使得井下工具可穿过岩面行进，而不会＂停机＂而 靠在岩面上。另外，双部件钻柱上的磨损是有限的，因为当井下工 具具有穿过岩面行进所需的扭矩时，就不会出现管段在长钻孔中的＂ 卷紧＂。

显然，本发明很好地适于实现了上述的、本文中和末尾所述的 优点。尽管对本发明的当前优选实施例的描述是用于本公开的目的， 然而可以理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范 围的前提下，可以对本文所述的各种部件、元件和程序的组合和配 置进行许多种变化。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2003年6月27日提交的美国临时申请 No.60/483151的权益，该申请的内容通过引用而完全地结合于本文 中。