CN103615196A - 一种柱塞式大变径随钻扩眼工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气井井下钻进扩眼用的柱塞式大变径随钻扩眼工具。它解决现有随钻扩眼工具扩眼直径小，扩眼总成工作状态难以保持稳定的问题。其技术方案是：上接头与锁定总成丝扣连接，锁定总成与扩眼总成丝扣连接；锁定总成中，心轴与上筒体丝扣连接，弹簧a安装于心轴凸起台阶上，旋转体套入心轴，定位体与心轴丝扣连接，钢球安装在心轴中部径向通孔内，锁套套入心轴，卡簧安装在锁套环形凹槽内；在扩眼总成中，切削齿安装在牙轮上，牙轮与柱塞焊接固定，三个柱塞分别安装在下筒体三个柱塞孔内，下接头一端与下筒体丝扣连接，另一端与领眼钻头丝扣连接。本随钻扩眼工具变径范围大，液压控制锁定和解锁，操作简单可靠，用于随钻扩眼技术领域。

Description

一种柱塞式大变径随钻扩眼工具

技术领域

本发明涉及一种油气井井下钻进扩眼用的柱塞式大变径随钻扩眼工具。

背景技术

随着对油气资源开发的不断深入，随钻扩眼技术得到了迅速的发展，随钻扩眼技术是采用随钻扩眼工具和常规钻头程序，在全面钻进的同时形成扩大井眼的一种钻井技术。随钻扩眼技术在实际应用中能大幅降低钻井成本，提高油井建井质量，解决井下复杂情况，保障安全钻进。

随钻扩眼工具是随钻扩眼技术的核心工具之一，国内随钻扩眼工具的研制正处于初期阶段，国外随钻扩眼工具主要有机械式随钻扩眼工具，液压式随钻扩眼工具和偏心式随钻扩眼工具。机械式扩眼工具的体积较大，井眼直径扩大有限；液压式随钻扩眼工具如果不能形成足够的流体压力则难以驱动执行机构或保持扩眼总成工作状态的稳定；偏心式随钻扩眼工具对BHA的性能影响较大，井斜和方位的变化难以预测。

针对以上随钻扩眼工具的不足，本发明特提供一种柱塞式大变径随钻扩眼工具。

发明内容

本发明的目的是：为了满足随钻扩眼技术的特殊工艺要求，增大扩眼范围，能反复实现锁定和解锁程序，特提供一种柱塞式大变径随钻扩眼工具。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种柱塞式大变径随钻扩眼工具，是由上接头、锁定总成和扩眼总成组成；锁定总成包括：定位体、心轴、密封圈a、弹簧a、旋转体、定位销、卡簧、密封圈b、锁套、钢球、密封圈c、弹簧b、上筒体、活塞杆、活塞；扩眼总成包括：弹簧c、封油座、柱塞、牙轮、切削齿、下筒体、下接头、领眼钻头；其结构特征是：上接头与锁定总成的上筒体上部丝扣连接，锁定总成的上筒体下部与扩眼总成的下筒体上部丝扣连接；在锁定总成中，上筒体中部内侧设有两个盲孔，两个盲孔呈中心对称分布，两个定位销分别置入上筒体两个盲孔内，定位销与上筒体焊接固定；下筒体下部内侧设有一圈凸起台阶，台阶内侧设置有丝扣，台阶上方设置有通孔，弹簧b呈压缩状态安装在上筒体凸起台阶上端面；心轴中部设置有一圈凸起台阶，弹簧a呈压缩状态安装在心轴凸起台阶上端面；旋转体套入心轴，旋转体外侧设置一圈环形凹槽，密封圈a安装在旋转体外侧凹槽内，旋转体上端面为锯齿状，旋转体下部外侧有锯齿槽，其锯齿槽与旋转体上部锯齿端面周向错位，锯齿槽相邻两级轴向深度一深一浅；定位体上部与心轴丝扣连接，定位体下端面为锯齿状，定位体下端面锯齿形状与旋转体上端面锯齿形状对应；心轴中部径向设置两个通孔，两个通孔呈中心对称分布，两个钢球分别置入心轴两个通孔内，钢球直径为心轴壁厚的1.5～2倍，锁套套入心轴，锁套内侧设置一斜坡，斜坡斜度为30～45°，锁套内侧上部设有环形凹槽，卡簧安装在锁套内侧环形凹槽内；心轴下部设置有一圈凹槽，密封圈c安装在心轴下部凹槽内，心轴下端与上筒体下部凸起台阶丝扣连接；活塞杆为一个圆筒体，活塞杆下端与活塞丝扣连接，活塞杆下部径向设有两个通孔，两个通孔呈中心对称分布，活塞杆上端设有一圈凹槽，密封圈b安装在活塞杆上端凹槽内，活塞杆上部设置一圈梯形截面凹槽，梯形截面凹槽两侧斜度为30～45°；活塞杆与心轴内腔间隙配合，活塞杆在心轴内腔自由滑动；活塞截面形状是两端为圆弧的鼓形，活塞中心设有一螺纹盲孔；在扩眼总成中，下筒体上端设有一截面形状与活塞截面形状相同的油腔，油腔底部设有一盲孔，下筒体中部设有三个柱塞孔，三个柱塞孔中轴线在同一个平面上，该平面与油腔截面较长尺寸方向平行，柱塞孔中轴线与下筒体中轴线夹角为60～75°，上下两个柱塞孔开口方向相同，中间柱塞孔与上下柱塞孔开口方向相反，柱塞孔内设置有一台阶，下端柱塞孔较大直径段长度最短，上端柱塞孔较大直径段长度最长，下筒体油腔两侧设置两个钻井液流道分别连通下筒体上端面及下端面，下筒体设置三个液压油流道分别连通三个柱塞孔底部和油腔；弹簧c安装在下筒体油腔底部盲孔内；切削齿安装在牙轮上，牙轮与柱塞焊接固定，三个柱塞分别安装在下筒体三个柱塞孔内，柱塞底部设有一台阶，台阶上设有通油槽；三个封油座分别与下筒体三个柱塞孔大端丝扣连接；下接头上端与下筒体下端丝扣连接；下接头下端与领眼钻头丝扣连接。

本发明的有益效果是：（1）本随钻扩眼工具扩眼范围大；（2）采用液压控制，方便可靠；（3）本随钻扩眼工具的扩眼总成工作时能有效锁定；（4）能实施在井下反复实现锁定和解锁程序。

附图说明

图1是本发明一种柱塞式大变径随钻扩眼工具扩眼总成工作时的结构示意图；

图2是本发明一种柱塞式大变径随钻扩眼工具扩眼总成停止工作时的结构示意图；

图3是本扩眼工具旋转体向下运动到极位的结构示意图；

图4是图2下筒体A-A截面剖视图；

图5是图4下筒体B-B截面剖视图；

图中：1.上接头，2.定位体，3.心轴，4.密封圈a，5.弹簧a，6.旋转体，7.定位销，8.卡簧，9.密封圈b，10.锁套，11.钢球，12.密封圈c，13.弹簧b，14.上筒体，15.活塞杆，16.活塞，17.弹簧c，18.封油座，19.柱塞，20.牙轮，21.切削齿，22.下筒体，23.下接头，24.领眼钻头，25.锁定总成，26.扩眼总成。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明一种柱塞式大变径随钻扩眼工具，是由上接头1、锁定总成25和扩眼总成26组成；锁定总成25包括：定位体2、心轴3、密封圈a4、弹簧a5、旋转体6、定位销7、卡簧8、密封圈b9、锁套10、钢球11、密封圈c12、弹簧b13、上筒体14、活塞杆15、活塞16；扩眼总成26包括：弹簧c17、封油座18、柱塞19、牙轮20、切削齿21、下筒体22、下接头23、领眼钻头24；其结构特征是：上接头1与锁定总成25的上筒体14上部丝扣连接，锁定总成25的上筒体14下部与扩眼总成26的下筒体22上部丝扣连接；在锁定总成25中，上筒体14中部内侧设有两个盲孔，两个盲孔呈中心对称分布，两个定位销7分别置入上筒体14的两个盲孔内，定位销7与上筒体14焊接固定；下筒体22下部内侧设有一圈凸起台阶，台阶内侧设置有丝扣，台阶上方设置有通孔，弹簧b13呈压缩状态安装在上筒体14凸起台阶上端面；心轴3中部设置有一圈凸起台阶，弹簧a5呈压缩状态安装在心轴3凸起台阶上端面；旋转体6套入心轴3，旋转体6外侧设置一圈环形凹槽，密封圈a4安装在旋转体6外侧凹槽内；定位体2上部与心轴3丝扣连接；心轴3中部径向设置两个通孔，两个通孔呈中心对称分布，两个钢球11分别置入心轴3两个通孔内，钢球11直径为心轴3壁厚的1.5～2倍，锁套10套入心轴3，锁套10内侧设置一斜坡，斜坡斜度为30～45°，锁套10内侧上部设有环形凹槽，卡簧8安装在锁套10内侧环形凹槽内；心轴3下部设置有一圈凹槽，密封圈c12安装在心轴3下部凹槽内，心轴3下端与上筒体14下部凸起台阶丝扣连接；活塞杆15为一个圆筒体，活塞杆15下端与活塞16丝扣连接，活塞杆15下部径向设有两个通孔，两个通孔呈中心对称分布，活塞杆15上端设有一圈凹槽，密封圈b9安装在活塞杆15上端凹槽内，活塞杆15上部设置一圈梯形截面凹槽，梯形截面凹槽两侧斜度为30～45°；活塞杆15与心轴3内腔间隙配合，活塞杆15在心轴3内腔自由滑动；活塞16截面形状是两端为圆弧的鼓形，活塞16中心设有一螺纹盲孔；在扩眼总成26中，下筒体22上端设有一截面形状与活塞16截面形状相同的油腔，油腔底部设有一盲孔，下筒体22中部设有三个柱塞孔，三个柱塞孔中轴线在同一个平面上，该平面与油腔截面较长尺寸方向平行，柱塞孔中轴线与下筒体22中轴线夹角为60～75°，上下两个柱塞孔开口方向相同，中间柱塞孔与上下柱塞孔开口方向相反，柱塞孔内设置有一台阶，下端柱塞孔较大直径段长度最短，上端柱塞孔较大直径段长度最长；弹簧c17安装在下筒体22油腔底部盲孔内；切削齿21安装在牙轮20上，牙轮20与柱塞19焊接固定，三个柱塞19分别安装在下筒体22三个柱塞孔内，柱塞底部设有一台阶，台阶上设有通油槽；三个封油座18分别与下筒体22三个柱塞孔大端丝扣连接；下接头23上端与下筒体22下端丝扣连接；下接头23下端与领眼钻头24丝扣连接。

如图3所示，本发明一种柱塞式大变径随钻扩眼工具的旋转体6上端面为锯齿状，旋转体6下部外侧有锯齿槽，其锯齿槽与上部锯齿端面周向错位，锯齿槽相邻两级轴向深度一深一浅；定位体2下端面为锯齿状，定位体2下端面锯齿形状与旋转体6上端面锯齿形状对应。

如图4和图5所示，本发明一种柱塞式大变径随钻扩眼工具的下筒体22油腔两侧设置两个钻井液流道分别连通下筒体22的上端面及下端面，下筒体22设置三个液压油流道分别连通三个柱塞孔底部和油腔。

本发明一种柱塞式大变径随钻扩眼工具的工作原理是：下入本随钻扩眼工具至设计井深，初始位置如图2所示；设定活塞16运动泵压P₁，正常钻井泵压P₂，旋转体6轴向运动泵压P₃，P₁>P₂>P₃，增加泵压至P₃，旋转体6向下运动，定位销7进入旋转体6下部锯齿槽浅槽极位，旋转体6与锁套10不发生接触，继续增加泵压至P₁，活塞16向下运动，三个柱塞19向外伸出，活塞16运动至极位，活塞杆15上部梯形凹槽与钢球11位置相对应，锁套10在弹簧b13作用下向上运动，钢球11部分进入活塞杆15上部梯形凹槽，活塞杆15位置锁死，扩眼总成工作状态锁死；降低泵压至P₂，本随钻扩眼工具正常工作；降低泵压至P₃以下，旋转体在弹簧a5作用下向上运动至定位体位置，并发生转动；增加泵压至P₃，旋转体6向下运动，定位销7进入旋转体6下部锯齿槽深槽极位，旋转体6下压锁套10向下运动，锁套10内部斜坡与钢球11位置相对应，活塞杆15在弹簧c17作用下向上运动，钢球11部分进入锁套10斜坡上，锁套10位置锁死，降低泵压至P₃以下。至此，一个锁定和解锁的循环完成。

Claims (3)

1.一种柱塞式大变径随钻扩眼工具，是由上接头（1）、锁定总成（25）和扩眼总成(26)组成；锁定总成(25)包括：定位体(2)、心轴(3)、密封圈a(4)、弹簧a(5)、旋转体(6)、定位销(7)、卡簧(8)、密封圈b(9)、锁套(10)、钢球(11)、密封圈c（12）、弹簧b（13）、上筒体（14）、活塞杆（15）、活塞（16）；扩眼总成（26）包括：弹簧c（17）、封油座（18）、柱塞（19）、牙轮（20）、切削齿（21）、下筒体（22）、下接头（23）、领眼钻头（24）；其特征在于：上接头（1）与锁定总成（25）的上筒体（14）上部丝扣连接，锁定总成（25）的上筒体（14）下部与扩眼总成（26）的下筒体（22）上部丝扣连接；在锁定总成（25）中，上筒体（14）中部内侧设有两个盲孔，两个盲孔呈中心对称分布，两个定位销（7）分别置入上筒体(14)的两个盲孔内，定位销（7）与上筒体（14）焊接固定；下筒体(22)下部内侧设有一圈凸起台阶，台阶内侧设置有丝扣，台阶上方设置有通孔，弹簧b(13)呈压缩状态安装在上筒体(14)凸起台阶上端面；心轴(3)中部设置有一圈凸起台阶，弹簧a(5)呈压缩状态安装在心轴(3)凸起台阶上端面；旋转体(6)套入心轴(3)，旋转体(6)外侧设置一圈环形凹槽，密封圈a(4)安装在旋转体(6)外侧凹槽内；定位体（2）上部与心轴（3）丝扣连接；心轴（3）中部径向设置两个通孔，两个通孔呈中心对称分布，两个钢球（11）分别置入心轴（3）两个通孔内，钢球（11）直径为心轴（3）壁厚的1.5～2倍，锁套（10）套入心轴（3），锁套（10）内侧设置一斜坡，斜坡斜度为30～45°，锁套（10）内侧上部设有环形凹槽，卡簧（8）安装在锁套（10）内侧环形凹槽内；心轴3下部设置有一圈凹槽，密封圈c（12）安装在心轴（3）下部凹槽内，心轴（3）下端与上筒体（14）下部凸起台阶丝扣连接；活塞杆（15）为一个圆筒体，活塞杆（15）下端与活塞（16）丝扣连接，活塞杆（15）下部径向设有两个通孔，两个通孔呈中心对称分布，活塞杆（15）上端设有一圈凹槽，密封圈b（9）安装在活塞杆（15）上端凹槽内，活塞杆（15）上部设置一圈梯形截面凹槽，梯形截面凹槽两侧斜度为30～45°；活塞杆（15）与心轴（3）内腔间隙配合；活塞（16）截面形状是两端为圆弧的鼓形，活塞（16）中心设有一螺纹盲孔；在扩眼总成（26）中，下筒体（22）上端设有一截面形状与活塞（16）截面形状相同的油腔，油腔底部设有一盲孔；弹簧c（17）安装在下筒体（22）油腔底部盲孔内；切削齿（21）安装在牙轮（20）上，牙轮（20）与柱塞（19）焊接固定，三个柱塞（19）分别安装在下筒体（22）三个柱塞孔内，柱塞（19）底部设有一台阶，台阶上设有通油槽；三个封油座（18）分别与下筒体（22）三个柱塞孔大端丝扣连接；下接头（23）上端与下筒体（22）下端丝扣连接；下接头（23）下端与领眼钻头（24）丝扣连接。

2.根据权利要求1所述的柱塞式大变径随钻扩眼工具，其特征是：所述旋转体（6）上端面为锯齿状，旋转体（6）下部外侧有锯齿槽，其锯齿槽与上部锯齿端面周向错位，锯齿槽相邻两级轴向深度一深一浅；定位体（2）下端面为锯齿状，定位体（2）下端面锯齿形状与旋转体（6）上端面锯齿形状对应。

3.根据权利要求1所述的柱塞式大变径随钻扩眼工具，其特征是：所述下筒体（22）中部设有三个柱塞孔，三个柱塞孔中轴线在同一个平面上，该平面与油腔截面较长尺寸方向平行，柱塞孔中轴线与下筒体（22）中轴线夹角为60～75°，上下两个柱塞孔开口方向相同，中间柱塞孔与上下柱塞孔开口方向相反，柱塞孔内设置有一台阶，下端柱塞孔较大直径段长度最短，上端柱塞孔较大直径段长度最长；下筒体（22）油腔两侧设置两个钻井液流道分别连通下筒体（22）的上端面及下端面，下筒体（22）设置三个液压油流道分别连通三个柱塞孔底部和油腔。

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