液力变矩器技术领域
本发明主要涉及钻井工具领域中的一种液力变矩器，尤其适用于石油
天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探领域。
背景技术
随着油气田开发难度的日益加大和钻井技术的快速发展，大位移井、
长水平段水平井、多级分支井等复杂结构井的数量与日俱增，对钻井工艺
技术提出了更高的要求。在导向钻井过程中，国内主要利用泥浆马达采用
滑动钻进的方式进行钻井作业，为了平衡井下动力马达产生的反扭矩，稳
定井下钻具组合的工具面，通常采用井口锁紧转盘的方式，此时除钻头旋
转破岩外，其他全部钻柱包括泥浆马达壳体均不转动，并且由于自重作用
平躺在井底，导致滑动钻进时摩阻力大难以有效施加钻压，同时容易发生
粘卡等井下安全事故，尤其在大位移井、长水平段水平井、非常规井眼等
导向钻进过程中，摩阻扭矩大，钻柱上提下放困难，钻进时加压困难等问
题尤为突出。
中国专利201310422132.9、201010189645.6均提供了井下反扭矩控制
装置，并对其技术特点进行了详细论述，根据专利说明可以看出，基本能
够实现井下反扭矩控制的功能，但是仍存在几点不足，不能完全满足现场
钻井工艺的技术要求，(1)提供的反扭矩控制装置不能使钻柱整体转动，
即在导向钻井过程中，钻柱整体仍平躺在井底并处于滑动钻进状态，摩擦
阻力很大，影响了钻井速度的提高；(2)提供的反扭矩控制装置能够控制
底部钻具组合的反扭矩，但对于井眼轨迹控制的能力较现有技术有所降低，
不利于复杂结构井的钻井施工；(3)从结构图中可以看出，内部结构较为
复杂，零部件较多，对加工工艺要求较高。
发明内容
本发明是针对现有技术存在的问题，提出一种结构简单，性能可靠，
控制精度高，操作方便的液力变矩器，既能够满足底部钻具组合反扭矩控
制的要求，又能使得钻柱整体转动，降低导向钻井过程中的摩擦阻力，还
能利用现有导向钻井工艺技术控制井眼轨迹，达到利用国内现有技术装备，
低成本高效率完成复杂结构井钻井的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
液力变矩器，包括中心轴、外壳体、轴承装置、调节器、弹簧、液压
离合器、联轴器和扭矩发生器、喷嘴。其中：中心轴安装在外壳体内部，
中心轴与外壳体之间通过轴承装置和轴承凸沿构成旋转密封配合；调节器
安装在中心轴与外壳体之间的环形空腔内，并与中心轴和外壳体构成轴向
滑动密封配合，调节器与中心轴之间通过往复定位机构形成轴向行程限位
配合；液压离合器通过轴承装置与调节器下方相接，液压离合器上、中部
分别设有内花键和外花键，其中内花键与中心轴外花键构成永久性插接配
合，外花键与外壳体的内花键构成阶段性插接配合，该阶段性插接配合的
行程与调节器的行程相当，液压离合器的下端部内、外分别于中心轴和外
壳体构成轴向滑动密封配合；弹簧套在液压离合器外部，并作用在液压离
合器和外壳体之间的凸沿之间；扭矩发生器通过联轴器连接在中心轴的下
端，扭矩发生器设在外壳体内；喷嘴设在扭矩发生器下端；在中心轴上部
设有上旁通孔，上旁通孔将中心轴内腔与调节器上部腔室贯通，在中心轴
下部设有下旁通孔，在扭矩发生器外部的外壳体设有轴向流道，下旁通孔
和轴向流道将中心轴内腔和外壳体下端部的内腔贯通。
调节器与中心轴之间的往复定位机构是在中心轴上固有定位销，调节
器上加工定位槽，定位槽为连续的“N”字形均匀分布在调节器的内壁，
定位销与定位槽构成滑动配合。
上述方案还包括：
定位槽内加工台阶面。
在调节器与液压离合器之间预设储油腔；液压离合器下花键的下端加
工导入角。
喷嘴由单个喷嘴体或多个喷嘴体构成；在中心轴与外壳体、调节器与
中心轴和外壳体、液压离合器与中心轴和外壳体的密封面上设有密封装置。
本发明的液力变矩器工作原理和技术效果是：
安装在钻柱与底部钻具组合之间，上部钻柱与中心轴连接，外壳体与
底部钻具组合连接。导向钻井时，先按照常规导向技术摆放工具面，然后
开泵—停泵—开泵，就使得调节器在定位销的控制下处于上限位并锁定，
同时液压离合器由于弹簧的作用处于分离状态，即中心轴与外壳体分离，
外壳体不会随中心轴的转动而转动，钻井液经过中心轴内部流道、下旁通
孔，一部分进入外壳体内部，一部分进入扭矩发生器，进入外壳体的钻井
液会直接进入底部钻具组合内部流道到达钻头，由于钻头旋转破岩造成底
部钻具组合产生逆时针方向的反扭矩，并向上传递至液力变矩器的外壳体
上，此时启动地面转盘驱动钻柱旋转，钻柱旋转驱动中心轴转动，通过联
轴器启动扭矩发生器开始运转，迫使进入扭矩发生器的钻井液向下流动，
由于扭矩发生器下部安装喷嘴，就形成了压降，即产生了负载效应，扭矩
发生器通过克服喷嘴压降使钻井液向下流动的过程中也产生了扭矩，且为
顺时针方向的扭矩，由于扭矩发生器固定在外壳体的内壁上，也就在外壳
体上施加了顺时针方向的扭矩，当与底部钻具组合传递上来的逆时针方向
的扭矩大小相等方向相反时，液力变矩器外壳体就处于静止平衡状态，因
此底部钻具组合也是静止平衡状态，这就确保了底部钻具组合导向钻井时
工具面方位的稳定，同时上部钻柱处于转动状态，这样进行导向钻井时就
变常规导向钻井时的滑动摩擦为滚动摩擦，从而大大降低了摩擦阻力。
当在钻进过程中需要改变工具面的方位时，增加钻柱的转速，由于钻
柱与中心轴连接，所以中心轴的转速也会随之增加，中心轴与扭矩发生器
连接，对于扭矩发生器，随着输入转速的增加，其输出的顺时针扭矩也会
增加，当产生的顺时针扭矩大于底部钻具组合传递上来的逆时针扭矩时，
就会使底部钻具组合沿顺时针方向转动，当工具面转到设计方位时，降低
钻柱转速也就减小了扭矩发生器的输出扭矩，钻进破岩时，只要控制钻柱
转速使得扭矩发生器的输出扭矩与底部钻具组合的反扭矩相等，即可进行
导向钻井施工。
当进行复合钻井时，提高钻柱转速，使得扭矩发生器的输出扭矩大于
底部钻具组合的反扭矩，并保持钻柱转速不变，即可驱动底部钻具组合沿
顺时针方向旋转，同时钻头旋转破岩，满足复合钻井工艺技术的要求。若
井下情况复杂难以预测时，可先停泵—开泵—停泵，使得调节器在定位销
的控制下处于下限位并锁定，同时液压离合器处于啮合状态，即中心轴与
外壳体啮合，进行导向滑动钻井、改变工具面方位、复合旋转钻井时，就
能够按照常规导向钻井工艺进行施工，由此可见液压离合器还具有恢复常
规钻井工艺的功能，确保了井下钻井施工的安全可靠。液力变矩器内部加
工储油腔，用于储存润滑油，为液压离合器内部构件、弹簧、轴承等提供
润滑油，而液压离合器整体处于密闭的腔室内，不与钻井液发生接触，避
免了钻井液的污染，有利于液压离合器安全可靠性的提高，对于提高液力
变矩器的使用寿命具有重要作用。
现场应用结果分析表明，采用液力变矩器进行复杂结构井钻井时，由
于钻柱能够转动，就大大降低了钻井过程中的摩擦阻力，对于提高钻井机
械速度起到了至关重要的作用，根据统计结果，平均单井节省钻井周期
10-15天，节省燃油消耗8-10吨，钻井效率提高48％，且井眼轨迹质量符
合设计标准，实现了低能耗、高效率的钻井目的。液力变矩器对于大位移
井、长水平段水平井、多级分支井等复杂结构井的高效快速钻进、井身质
量的精确控制、延长钻头和钻具的使用寿命、降低能耗和综合成本、提高
经济效益具有重要意义，同时也打破了国外在复杂结构井井眼轨迹精确控
制工艺方面的技术垄断，实现了利用国内现有导向钻井技术低成本完成高
难度复杂结构井钻井的目的，具有重要的社会价值和经济价值。
同时，液力变矩器还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便等特点。
附图说明
图1是一种液力变矩器实施例在液压离合器分离状态结构示意图。
图2是一种液力变矩器实施例在液压离合器啮合状态结构示意图。
图3是图1的液力变矩器A-A截面结构示意图。
图4是图1的调节器定位槽展开放大示意图。
图中：1-中心轴、2-外壳体、3-轴承装置、4-上旁通孔、5-调节器、6-
定位销、7-储油腔、8-轴承装置、9-弹簧、10-液压离合器、11-下旁通孔、
12-联轴器、13-扭矩发生器、14-喷嘴、15-定位槽
具体实施方式
下面结合附图来详细描述本发明。
实施例1
参照附图1和2，液力变矩器包括中心轴1、外壳体2、轴承装置3和
8、调节器5、弹簧9、液压离合器10、联轴器12和扭矩发生器13、喷嘴
14。其中：中心轴1上不带有连接头，其余部分安装在外壳体2内部，中
心轴1与外壳体2之间通过轴承装置3和轴承凸沿构成旋转密封配合。调
节器5安装在中心轴1与外壳体2之间的环形空腔内，并与中心轴1和外
壳体2构成沿轴向滑动的密封配合，调节器5与中心轴1之间还通过往复
定位机构形成沿轴向往复运动的限位配合。液压离合器10通过轴承装置8
与调节器5下方相接。液压离合器10上、中部分别设有内花键和外花键，
其中内花键与中心轴1外花键构成永久性插接配合(即保持液压离合器10
与中心轴1始终保持联动状态)，外花键与外壳体2的内花键构成阶段性插
接配合(即离合状态和齿合状态)，该阶段性插接配合的行程与调节器5
往复运动的行程相当。液压离合器10的下端部内、外分别于中心轴1和外
壳体2构成沿轴向滑动的密封配合。弹簧9套在液压离合器10外部，并作
用在液压离合器10和外壳体2之间的凸沿之间。扭矩发生器13通过联轴
器12连接在中心轴1的下端，并设在外壳体2内。喷嘴14设在扭矩发生
器13下端。在中心轴1上部设有上旁通孔4，上旁通孔4将中心轴1内腔
与调节器5上部腔室贯通，在中心轴1下部设有下旁通孔11，在扭矩发生
器10外部的外壳体2设有轴向流道(参照图3)，下旁通孔11和轴向流道
将中心轴1内腔和外壳体2下端部的内腔贯通。
实施例2
在实施例1的基础上参照附图4，调节器5与中心轴1之间的往复定
位机构是在中心轴1上固有定位销6，调节器5上加工定位槽，定位槽为
连续的“N”字形均匀分布在调节器的内壁，定位销6与定位槽构成滑动
配合。
上述实施例进一步细化为：
定位槽内加工台阶面。
在调节器5与液压离合器10之间预设储油腔7；液压离合器10下花
键的下端加工导入角。
喷嘴14由单个喷嘴体或多个喷嘴体构成；在中心轴1与外壳体2、调
节器5与中心轴1和外壳体2、液压离合器10与中心轴1和外壳体2的密
封面上设有密封装置。
上述实施例具有本发明内容部分等同的工作流程和技术效果。