CN104929524A - 一种用于扩大井眼直径的工具 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于扩大井眼直径的工具，应用于石油、地质钻井工程领域。该工具包括：管状本体，管状本体具有轴向通孔，其壁面具有开口；管状本体的轴向通孔内具有心轴活塞，心轴活塞具有轴向通孔；至少一个刀片与心轴活塞连接，刀片位于所述管状本体的开口，刀片上安装有至少一个切削元件；控制装置，控制装置包括管状凸轮和凸轮销，管状凸轮可旋转的安装于所述管状本体的轴向通孔内，其外表面布有凸轮槽，凸轮销的一端位于凸轮槽内，另一端与所述管状本体相连。本发明利用凸轮装置可以多次控制扩眼器的开合，实现对不同井段的扩眼操作，操作简单，可靠性高。

Description

一种用于扩大井眼直径的工具

技术领域

本发明涉及石油和地质钻井工程领域中的钻井设备，尤其涉及一种用于扩大井眼直径的扩眼器。

背景技术

在石油和地质钻井中，扩眼技术通常用于解决地层蠕变和岩层不稳定引起的缩经，以及深井、超深井中小井眼环空间隙过小造成后期作业困难等问题。随钻扩眼是在钻井过程中同时利用随钻扩眼工具将原井眼直径进一步扩大的技术。该技术能够减少起下钻的次数，提高工作效率，并能够避免钻后扩眼可能带来的一系列的施工问题。随钻扩眼技术通常用于扩大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串的内径，降低下套管成本。随着深井、复杂井的增多，尤其是完井工艺的改进，随钻扩眼技术的应用越来越普遍，同时对井下扩眼工具的功能及使用提出了更高的要求。在塑性地层或易发生井漏的地层，需要提前下入非常规套管封堵该层段，也只有使用扩眼器才能完成；在盐膏层、易缩径地层，可有效扩大井眼直径，防止事故的发生；在裸眼砾石充填防砂作业过程中，为了提高防砂质量和过油面积， 扩大裸眼段内径也是非常必要的。

随钻扩眼工具按其扩眼原理大致可以分为扩张式和固定翼式等。固定翼式扩眼器主要是指双心钻头，由领眼钻头和扩眼刀翼等组成，领眼钻头与常规钻头相似，钻出直径较小的领眼，然后通过扩眼刀翼将领眼扩大到设计要求的直径的井眼。由于双心钻头的偏心设计，导致该类工具受力不平衡，钻井过程中容易造成井下振动和严重的井斜。

扩张式扩眼器分为臂式和块式两种，臂式扩眼器的扩眼体一般通过销轴固定在本体上，并可以绕销轴旋转一定的角度，从而张开扩眼体，臂式扩眼器受泥浆性能的影响较大。中国专利No.012511889提供了一种臂式扩眼器。块式扩眼器的扩眼体呈楔状，在机械或者液压力的作用下突出或者缩入本体，该类扩眼器对刀翼的加工精度要求较高。中国专利No.2008201245650披露了以液压为推动力的块式扩眼器的例子。

另外，对于大部分扩眼器来说，完成一段井眼的扩眼作业后，需要起钻更换常规钻具才能继续钻进，如果还需要扩眼，则需要再次起钻加装扩眼器才能进行扩眼，另外现有的扩眼器存在可靠性差，扩完眼后刀片不容易收回等缺陷。

综上所述，现有的扩眼器结构仍然不够完善，难以满足钻井工程的全部要求，仍然需要做进一步的改进设计。

发明内容

鉴于上述已有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种用于扩大井眼直径的扩眼器，解决现有技术存在的上述问题。

本发明所采用的技术方案是：一种用于扩大井眼直径的工具，该井下工具包括：管状本体，所述管状本体具有轴向通孔，其壁面具有开口；心轴活塞，所述心轴活塞位于所述管状本体的轴向通孔内，并具有轴向通孔；刀片，至少一个所述刀片与所述心轴活塞连接，所述刀片位于所述管状本体的开口，所述刀片上安装有至少一个切削元件；控制装置，所述控制装置包括管状凸轮和凸轮销，所述管状凸轮可旋转的安装于所述管状本体的轴向通孔内，其外表面布有凸轮槽，所述凸轮销的一端位于所述凸轮槽内，另一端与所述管状本体相连。

作为优选的技术方案，所述工具还包括偏压元件，所述偏压元件安装于所述管状本体的轴向通孔中，并对所述管状凸轮施加偏置力。

作为优选的技术方案，所述凸轮槽为绕着所述管状凸轮的外表面的、沿管状凸轮轴向上下弯折的连续的槽，所述凸轮槽具有上止点、锁定点和下止点。

作为优选的技术方案，所述凸轮槽的深度是渐变的。

作为优选的技术方案，所述控制装置还包括蓄能装置，所述蓄能装置与所述管状凸轮相连接。

作为优选的技术方案，所述蓄能装置为喷嘴或可扩张球座。

作为优选的技术方案，所述控制装置还包括球座套筒，所述球座套筒位于所述管状本体的轴向通孔内，所述球座套筒具有轴向通孔，所述球座套筒的轴向通孔具有扩大的内径，所述可扩张球座位于所述球座套筒的轴向通孔内。

作为优选的技术方案，所述工具还包括收球装置，所述收球装置为具有孔的球袋。

作为优选的技术方案，所述工具还包括活塞套筒，所述活塞套筒固定于所述管状本体的内壁上，所述活塞套筒具有轴向通孔，所述心轴活塞的一端位于所述活塞套筒的轴向通孔中并与之滑动配合。

作为优选的技术方案，所述控制装置还包括至少一个轴承，所述轴承安装于所述管状凸轮的上、下端部。

本发明利用凸轮结构以及投球控制装置或者喷嘴装置，可以多次控制刀片的状态和位置，从而多次实现扩眼器的打开和闭合，可以根据需要对不同井段进行扩眼操作，可以实现同一趟钻，对不同井段进行扩眼操作，以机械液压的形式控制刀片的展开和缩回，可靠性高，操作简单。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围，其中。

图1为本发明的扩眼器的第一实施例的结构示意图。

图2为图1所示扩眼器的控制短接的结构示意图。

图3为图1所示扩眼器的执行短接的结构示意图。

图4为图1所示扩眼器的储球短接的结构示意图。

图5为图1所示扩眼器的管状凸轮的结构示意图。

图6为图4所示管状凸轮的表面展开图。

图7为沿图5中的剖切线C-C截取的剖面图。

图8为图1所示扩眼器的凸轮销装置的剖面图。

图9为沿图2中的剖切线A-A截取的剖面图。

图10为沿图2中的剖切线B-B截取的剖面图。

图11为本发明扩眼器的第二实施例中管状凸轮表面的展开图。

图12为图1所示扩眼器处于始动状态的示意图。

图13为图1所示扩眼器处于工作状态的示意图。

图14为本发明扩眼器的第三实施例的结构示意图。

图15为本发明扩眼器的第四实施例的结构示意图。

图16为图15所示扩眼器的管状凸轮的表面展开图。

具体实施方式

上述附图以及下文中的具体结构和功能的文字描述不用于限制申请人发明的范围或者附加的权力要求的范围。相反，提供附图和文字描述来指导本领域的普通技术人员去制造和使用本专利保护的发明。在此披露的发明适合于各种各样的变形和替代形式。

扩眼器位于钻柱的底部钻具组合（BHA）中，做为钻柱的一部分，上下端分别与钻具相连，钻井液通过扩眼器的内流道，一部分通过扩眼器的喷嘴进入环空，一部分通过钻头进入环空。

如图1-4所示，扩眼器主要包括控制短接100，执行短接200和储球短接300。控制短接100包括上部本体1，上部本体1具有轴向通孔，上部套筒2固定于上部本体1的内壁，并与之轴向对齐，上部套筒2具有轴向通孔27为钻井液流道，上部心轴3的上端具有蓄能装置—可扩张球座26，并位于上部套筒2内，上部心轴3的外壁与通孔27的扩大部分形成球座腔30，上部心轴3具有轴向通孔为钻井液流道，并可以在通孔27内轴向运动，上部心轴3的外壁与上部套筒2的内壁之间具有密封件28。上部心轴3具有肩部37，压环4固定于上部心轴3的外壁，肩部37与压环4通过上推力轴承5和下推力轴承44将管状凸轮7固定住，因此凸轮7可以围绕上部心轴3转动。

如图5、图6所示，图5为凸轮7的全剖视图，凸轮7两端具有环状上凹槽40和下凹槽47，上推力轴承5一端位于上凹槽40中，下推力轴承44的一端位于下凹槽47中。图6为凸轮7的外表面展开图，图7为凸轮7的C-C视图，凸轮7外表面布有凸轮槽29，凸轮槽29的深度是变化的，其深度在锁定点91、上止点92、下止点93、临靠点94处突变为最大，沿凸轮销6的移动路径，从一个点到另一个点凸轮槽29的深度不断减小，另外凸轮槽29的轴向段的深度可保持不变，从而保证凸轮销6的路线为沿着锁定点91-上止点92-下止点93-临靠点94循环，使得凸轮7的转动方向一定，防止出现翻转。固定于本体1上的凸轮销6的一端插入凸轮槽29中。如图8所示为凸轮销装置的全剖视图，凸轮销6位于管状本体1的径向孔中，孔的一端安装有丝堵50，凸轮销6的一端51上套有弹簧52，从而使凸轮销6可以沿管状本体1径向移动一定的距离。

凸轮7、压环4、上止推轴承5、下止推轴承44以及上部心轴3可以同时做轴向运动，同时凸轮7可以绕上部心轴3做圆周运动。上部心轴3与本体1形成环状弹簧腔8，弹簧腔8内安装有回位弹簧11，回位弹簧11两端通过上弹簧止动件10和下弹簧止动件45分别固定于肩部37和本体1上。密封环9安装于本体1上，密封环9的内壁与上部心轴3的外壁间有密封件32。

上部心轴3与下部心轴活塞20连接在一起，二者联动，心轴活塞可以单独指下部心轴活塞20，也可以是上部心轴3与下部心轴活塞20的连接体，如图3所示。图9为A-A视图，图10为B-B视图。上部本体1通过双公短接13与中部本体15连接在一起，从而将控制短接100与执行短接200连接在一起。

执行短接200包括具有轴向通孔的中部本体15，中部本体15上具有三个周向均匀分布的刀片腔34，刀片腔34沿着中部本体15的内壁延伸到外壁，并形成具有一定角度的燕尾形轨道33。刀片销14、刀片销18与连杆19将刀片17与下部心轴活塞20相连，如图3所示，刀片17底部具有燕尾体36，与燕尾形轨道33相配合，可以使刀片17沿着燕尾形轨道33移动，同时在连杆19的作用下，刀片17可以实现向上向外扩展运动，刀片17顶面布置有两层硬质合金齿35。其它方向的两个刀片腔及刀片结构与图中所显示的结构一样。

支撑套筒16固定于中部本体15的内壁，下部心轴活塞20穿过支撑套筒16的通孔，密封件47位于支撑套筒16的内壁和下部心轴活塞20的外壁之间，下部心轴活塞20上具有喷嘴21，中部本体15内固定有活塞套筒23，活塞套筒23具有活塞腔41，下部心轴活塞20的一端具有活塞42，活塞42位于活塞腔41内，活塞42外壁上安装有密封件38。密封套筒22固定在活塞套筒23的轴向通孔中，并且一端位于下部心轴活塞20的通孔中，密封套筒22的壁面开有一个或者多个径向通孔12，使扩眼器内流道与活塞腔41相通，密封件39和密封件46位于密封套筒22的外壁和下部活塞心轴20的内壁之间，耐磨块49安装在本体15上。

储球短接300主要包括具有轴向通孔的下部本体24和网状球袋25，球袋25固定在下部本体24的肩部31上。中部本体15通过螺纹与下部本体24相连，实现储球短接300与执行短接200的连接。

操作过程如图1、图12、图13所示，正常钻进时，与常规钻井一样，扩眼器处于锁定状态，如图1所示，凸轮销6位于凸轮槽29的锁定点91处，回位弹簧11处于压缩状态，凸轮7受到回位弹簧11产生的一个向上的作用力，将凸轮7以及心轴活塞锁定。开泵后，扩眼器内钻井液通过通孔12，进入活塞腔41，心轴活塞受到扩眼器内与环空之间的钻井液的压差作用，该压差方向向上，进一步锁定扩眼器，刀片17处于刀片腔34中，可以进行常规钻进。

如图12所示，当到达需要进行扩眼的位置时，在地面向钻柱内投入钢球，开泵循环，钢球在自身重力以及钻井液的作用下到达球座26上，阻塞流道，致使流道变窄，在流体压力的作用下，钢球带动心轴活塞以及凸轮7一起向下移动并压缩回位弹簧11，刀片17沿燕尾形轨道33向下向内移动，凸轮7在凸轮销6的作用下转动，使凸轮销6从锁定点91移动到上止点92，此时，球座26在流体压力的作用下移动到球座腔30，球座腔30的直径较通孔27大，球座26在压力作用下扩张，使得钢球通过球座26并进一步下落到球袋25中。此时刀片17在活塞心轴的带动下沿燕尾形轨道33向下、向内移动一段距离，扩眼器处于始动状态，该状态只是一个临时状态。

钢球从球座26脱落后，心轴活塞在回位弹簧11以及活塞腔41内流体压力的作用下向上移动，并带动刀片17沿着燕尾形轨道33向上、向外扩展。转动钻柱，刀片17上的硬质合金齿35切削井壁，将井眼直径慢慢扩大，随着心轴活塞不断的向上移动，刀片17沿燕尾形轨道33逐渐突出刀片腔34，井眼直径不断变大，随着凸轮销6向下止点93移动，喷嘴21从密封套筒22顶端露出，扩眼器内钻井液通过喷嘴21喷入环空，起到清洗和冷却刀片17的作用，如图13所示，心轴活塞不再向上移动，刀片17达到最大扩展位置，此时扩眼器处于工作状态。扩眼钻进时，钻完一个单根后，接完单根，在钻头到达井底前开泵，使刀片17完全扩展开后再进行扩眼钻进。

当钻完所需要扩眼的井段后，从地面投入钢球，钢球到达球座26后，压动球座26带动心轴活塞向下移动，刀片17随着心轴活塞的下移，逐渐缩回到刀片腔34中，凸轮销6的位置从下止点93移动到临靠点94，此时扩眼器刀片17、球座26的位置与图12相同，球座26到达球座腔30并扩大，钢球通过球座26后落入球袋25中，心轴活塞在回位弹簧11以及活塞腔41内钻井液压力的作用下向上移动，凸轮7转动，凸轮销6的位置由临靠点94移动到另一个锁定点，从而完成扩眼器的锁定，可以进行常规钻进，当再需要扩眼时，只需要重复以上的过程。

在一个优选的是实例中，上部本体1、上部套筒2、上部心轴3以及密封环9组成密闭的腔体，密封件28和密封件32能够阻止钻井液进入腔体，在腔体内注入润滑油，使得凸轮7以及弹簧11等组件浸泡在润滑油中。

在一个优选的实施例中，密封套筒22上的通孔12的位置保证扩眼器在锁定状态下，通孔12不与活塞腔41相通。此时，扩眼器在锁定状态、以及由锁定状态向始动状态转变的过程中，心轴活塞不会受到扩眼器内钻井液与环空中钻井液压差的作用力，从而减小凸轮销6的受力。

在一个优选的是实例中，喷嘴21为具有为耐腐蚀、耐冲蚀材料，如硬质合金，并可以利用计算流体力学对喷嘴的方向及位置进行优化。

在一个优选的实施例中，燕尾形轨道33的角度可以在钻柱向下移动时，使刀片17受到一个向上的作用力，从而保证扩眼后井眼直径的稳定性，并使刀片17容易移动到最突出的位置，其角度的大小可以根据受力分析进行优化。

在一个优选的实施例中，燕尾形轨道可以用其它类型的、锐角的轨道代替，只要保证刀片17能够沿着轨道向上、径向向外伸展。

在一个优选的实施例中，储球短接300可以与执行短接200合并在一起。储球袋25以及上面的孔眼可以是任何形状的，只要保证钻井液的顺畅通过，以及钢球的储存。

在一个优选的实施例中，凸轮槽为图11所示的形状。

在一个优选的实施例中，蓄能装置为喷嘴装置，如图14所示，上部心轴303具有喷嘴座331，上面安装有喷嘴326，喷嘴326为耐磨材料，如硬质合金等，上部套筒302为具有通径的管状结构，通过密封圈330将上部套筒302的外壁与上部心轴303的内壁密封，通过增大泥浆的排量增加作用在喷嘴上的作用力，以推动活塞心轴的移动。

在一个优选的实施例，如图15所示，上部套筒202的内壁与上部心轴204的外壁之间具有密封圈203，上部套筒202固定在上部管状本体201的轴向通孔内，上部心轴204轴向向上运动时会压缩弹簧208，活塞套筒245通过剪切销钉240与心轴活塞219连接在一起。活塞套筒245具有肩部221，通过止推轴承220、止推轴承224以及压环226将管状凸轮236与活塞套筒245固定在一起。弹簧腔228内有弹簧227，上部弹簧套筒225和下部弹簧套筒229对弹簧227起到径向约束作用，球座套筒233固定于下部管状本体235的轴向通孔，其内径具有扩大部分，活塞套筒245具有可扩张球座232，活塞套筒245的外壁与球座套筒233的内壁间具有密封件230。

操作井下工具前，活塞套筒245通过剪切销钉240与心轴活塞219连接在一起，从而可以进行正常的钻进，此时凸轮销223的位置位于293处，如图16所示的凸轮表面展开图。当投球到球座232后，在钻井液压力的作用下，活塞套筒245剪断销钉240并轴向向下移动，带动管状凸轮236向下移动，压缩弹簧227，管状凸轮236在凸轮销223的作用下旋转，随着活塞套筒245的移动，孔247达到活塞腔237处，钻井液通过孔247进入活塞腔237，心轴活塞219在压差的作用下轴向向上移动，并压缩弹簧208，使刀片218达到扩展位置。当球座232达到球座套筒233的内径扩张部分234时，可扩展球座232展开，球落出进入球袋25，此时凸轮销223位于291处。球落出后，活塞套筒245在弹簧227的作用下，轴向向上移动，管状凸轮236旋转，凸轮销223达到294处，可以进行正常钻进。当不需要扩眼操作时，投球达到球座232，活塞套筒245轴向向下移动，球座232达到扩张部分234时，凸轮销223达到位置292处，球落出进入球袋25，此时活塞套筒245在弹簧227的作用下向上移动，凸轮销223移动到293处，孔216向上移动，此时停泵，心轴活塞219在弹簧208的作用下向下移动，刀片达到缩回位置，如果刀片不能缩回，可以通过上提钻具，将刀片缩回。

在另一个优选的实施例中，刀片腔的结构、刀片的结构以及刀片与心轴活塞的连接方式可以是已知的或者本领域技术人员所熟知的或类似的结构。

Claims (10)

1.一种用于扩大井眼直径的工具，包括：

管状本体，所述管状本体具有轴向通孔，其壁面具有开口； 

心轴活塞，所述心轴活塞位于所述管状本体的轴向通孔内，并具有轴向通孔；

刀片，至少一个所述刀片与所述心轴活塞连接，所述刀片位于所述管状本体的开口，所述刀片上安装有至少一个切削元件；

其特征在于：还包括控制装置，所述控制装置包括管状凸轮和凸轮销，所述管状凸轮可旋转的安装于所述管状本体的轴向通孔内，其外表面布有凸轮槽，所述凸轮销的一端位于所述凸轮槽内，另一端与所述管状本体相连。

2.如权利要求1所述工具，其特征在于：还包括偏压元件，所述偏压元件安装于所述管状本体的轴向通孔中，并对所述管状凸轮施加偏置力。

3.如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述凸轮槽为绕着所述管状凸轮的外表面的、沿管状凸轮轴向上下弯折的连续的槽，所述凸轮槽具有上止点、锁定点和下止点。

4.如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述凸轮槽的深度是变化的。

5.如权利要求1所述的工具，其特征在于：所述控制装置还包括蓄能装置，所述蓄能装置与所述管状凸轮相连接。

6.如权利要求5所述的工具，其特征在于：所述蓄能装置为喷嘴或可扩张球座。

7.如权利要求6所述的工具，其特征在于：所述控制装置还包括球座套筒，所述球座套筒位于所述管状本体的轴向通孔内，所述球座套筒具有轴向通孔，所述球座套筒的轴向通孔具有扩大的内径，所述可扩张球座位于所述球座套筒的轴向通孔内。

8.如权利要求7所述的工具，其特征在于：还包括收球装置，所述收球装置为具有孔的球袋。

9.如权利要求1所述的工具，其特征在于：还包括活塞套筒，所述活塞套筒固定于所述管状本体的内壁上，所述活塞套筒具有轴向通孔，所述心轴活塞的一端位于所述活塞套筒的轴向通孔中并与之滑动配合。

10.如权利要求1-9所述的工具，其特征在于：所述控制装置还包括至少一个轴承，所述轴承安装于所述管状凸轮的上、下端部。