CN106907116A - 万向滚轮式变径扶正器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种万向滚轮式变径扶正器，包括本体、上接头、变径机构、万向滚轮机构。所述的变径机构位于本体和上接头的内部，变径机构的活塞和活塞杆位于上接头内部，活塞在复位弹簧和钻井液的作用下推动导向块，万向滚轮机构安放在本体外侧圆周方向均匀分布的凹槽内，芯杆在液压和弹簧力作用下可前后移动，万向滚轮通过轮轴安装在柱塞上，由于芯杆的外表面存在锥形台阶可以推动柱塞向外运动，从而改变了扶正器工作外径，在液压减到最小时扶正器的外径最小，方便钻柱的下入和起出。该扶正器可实现外径实时地紧贴井壁并具有减磨作用，提高钻柱居中度、井壁质量和钻井效率。

Description

万向滚轮式变径扶正器

技术领域

本发明是关于一种用于石油钻井与固井的井下工具，尤其涉及一种利用钻井液的压力改变直径实现减阻扶正的万向滚轮式变径扶正器。

背景技术

油气田在水平井、定向井以及常规井等的钻井作业中，由重力以及钻头与地层间的相互复杂的作用力，使得钻柱易产生偏斜或易躺在井壁，很难居中，严重影响钻井质量。常规钻柱扶正器的扶正块直径不能变化，扶正精度不高，对提高钻柱居中度作用有限，在疏松井段以及井壁扩大井段更完全起不到扶正作用。常规刚性扶正器在井下工作时被磨损现象也非常严重。在钻井过程中为了控制和调整井眼井斜，会大量使用扶正器，目前使用的扶正器除了刚性扶正器就是弹性扶正器，弹性扶正器主要根据弹簧的原理设计，具有较高的复位力，但下入和起出过程中会产生极大的轴向摩擦阻力，支撑力也不及刚性扶正器。

在钻井过程中，应该尽量准确有效地控制井眼轨迹，提高机械钻速，减小轴向摩擦阻力，降低钻井成本。扶正器作为钻井过程的关键工具，应尽量满足复杂钻井条件的技术要求，降低经济成本，随着钻井数量越来越多，钻井难度越来越大，油井需要一种能够使钻杆居中度提高、磨损度降低、方便下入和起出，从而提高钻井井眼质量的井下实用工具，由此，本发明人凭借相关行业的经验与实践，提出一种万向滚轮式变径扶正器，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

为了解决背景技术中所述的扶正精度不高，居中度作用有限，井壁摩擦阻力大和在疏松井段以及井壁扩大井段更完全起不到扶正作用的问题，本发明提供一种万向滚轮式变径扶正器，通过控制液压推动芯杆，芯杆依靠斜面推动柱塞运动，从而带动万向滚轮向外扩张改变扶正器的工作外径，使万向滚轮实时地紧贴井壁并具有降阻的作用。

本发明的技术方案是：万向滚轮式变径扶正器是由变径机构、万向滚轮机构、上接头、本体组成，所述的变径机构包括活塞、密封圈a、复位弹簧、活塞杆、推筒、轴承组、导向销钉、导向块、密封圈b、芯杆、密封圈c、柱塞、压簧、柱塞盖、螺钉a、芯杆弹簧，活塞杆后端通过螺纹与活塞连接，复位弹簧一端顶着活塞，另一端顶着上接头内台阶，活塞使用密封圈a密封防止泥浆进入复位弹簧的工作腔，活塞杆前端通过螺纹与推筒连接，导向块安装在推筒上，导向块外壁存在导向槽并与安装在本体上的导向销钉配合，在钻井液液压的作用下活塞带动活塞杆推动推筒向前运动，从而使导向块在导向销钉和导向块的导向槽作用下动作；所述的万向滚轮机构包括轮轴、中间轮、万向滚轮，将两个万向滚轮和中间轮安放在轮轴上，轮轴两端与柱塞孔配合，芯杆安装在本体内部并于柱塞的斜面接触，芯杆弹簧安放在芯杆和本体的内台阶之间，芯杆前端通过焊接将盘头连接，钻井液液压作用于盘头带动芯杆向前运动，从而导致柱塞在芯杆锥形台阶作用下向外运动，并带动万向滚轮向外运动改变扶正器的工作直径，将钻柱与井壁的摩擦方式变为滚动摩擦，减小了工作阻力；钻井的钻进过程中通过液压可以实现万向滚轮实时与井壁贴合减小钻杆的振动，避免破坏井壁，还可通过控制钻液压改变扶正器的工作外径可以减小与井壁的接触，方便钻柱的下入和起出。

上述方案中的万向滚轮式变径扶正器，石油钻进过程中将钻井液液压控制在一定范围内，在活塞的作用下导向块按导向槽的轨迹向前运动，使导向块的凸台与定位块凹槽接触，此时推筒限制芯杆向后运动，推筒和定位块通过密封圈b密封，在导向槽的作用下导向块的凸台与定位块接触，可以实现扶正器在不同工作直径下保证万向滚轮与井壁接触稳定。

上述方案中的万向滚轮式变径扶正器，所述的本体大径处均匀分布四个槽，这四个槽安装轮轴、柱塞、压簧、柱塞盖、中间轮和万向滚轮，在放柱塞的地方通过螺钉a将柱塞盖安装在本体上，为了使柱塞与芯杆实时接触，在柱塞盖的孔和柱塞的孔中安放压簧。

上述方案中的万向滚轮式变径扶正器，在钻井过程中钻柱存在横向转速和纵向钻进速度，由于井底存在的工况不同导致所选择的速度不一致，使横向速度和纵向速度合成的钻柱外表面实际速度的方向随时发生变化，该扶正器选择万向滚轮与井壁接触，万向滚轮是由两种轮子组合而成，比一般滚轮的自由度多，能很好解决速度变化引起的摩擦增大。

上述方案中万向滚轮式变径扶正器，所述的芯杆是推动柱塞实现变径的重要部件，为了将芯杆安装到本体内部实现与柱塞配合，需要在本体内部加工能穿过芯杆最大外径的缺口，将芯杆放入后旋转一定角度，再安装定位块卡住芯杆使它只能前后运动不能发生旋转，芯杆后端与定位块配合使用密封圈c密封，定位块通过四个螺钉b固定在本体上。

上述方案中所述的万向滚轮式变径扶正器为了实现导向块能在导向槽的作用下旋转和前后运动，在活塞杆前端与导向块之间安放轴承组，并在本体上开压力平衡孔a；为了实现芯杆能在液压和芯杆弹簧的作用下前后运动，在本体上对称一对开压力平衡孔b，芯杆前端使用密封圈d密封防止泥浆进入芯杆弹簧的工作腔内。

上述方案中所述的万向滚轮式变径扶正器，为了限制芯杆向前运动的位移，保护柱塞盖不被压坏，在本体内部安装限位机构，该限位机构由限位块、卡环和拼环组成，当盘头在液压作用下抵住限位块时扶正器的工作外径达到最大。

本发明的有益效果是：(1) 解决了一般扶正器容易造成的遇阻或遇卡的难题，以万向滚轮的滚动摩擦代替滑动摩擦, 且万向滚轮比一般的滚轮的自由度多，可大大减少了扶正器与井壁的摩擦；(2) 整套扶正器中只有万向滚轮是易损件, 且万向滚轮采用安装可靠拆装方便的连接方式, 同时采用硬质合金材料以提高其耐磨性, 增加了工具的可靠性；（3）万向滚轮式变径扶正器的扶正直径随井壁直径的变化而变化,扶正力近乎恒定, 可有效地克服在井壁直径较大时因扶正力小而达不到扶正的现象；（4）万向滚轮式变径扶正器可有效地实现扶正器外径实时地紧贴井壁并具有减磨作用，由此能够提高钻杆在水平钻井、定向钻井以及常规钻井中的居中度和钻井质量；(5) 万向滚轮式变径扶正器在撑开和收回的过程中均能有效避免被岩屑卡住的问题，方便钻井过程中钻柱的下入和起出；（6）本扶正器液压力驱动方便，机械结构简单，能够极大提高钻井效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明图1中的Ⅰ部分放大视图。

图3是本发明图1中的A-A截面图。

图4是本发明图1中的B-B截面图。

图5是本发明图1中的C-C截面图。

图6是本发明工作外径最大时的示意图。

图7是本发明图6中的D-D截面图。

图8是芯杆结构示意图。

图9是定位块结构示意图。

图10是本体结构示意图。

图11是万向滚轮结构示意图。

图12是导向块结构示意图。

图中1.上接头，2.活塞，3.密封圈a，4.复位弹簧，5.活塞杆，6.推筒，7.轴承组，8.导向销钉，9.导向块，10.密封圈b，11.定位块，12. 压力平衡孔a，13. 螺钉b，14. 芯杆，15.密封圈c，16.轮轴，17.柱塞，18.压簧，19.柱塞盖，20.中间轮，21.螺钉a，22.芯杆弹簧，23.万向滚轮，24.密封圈d，25. 压力平衡孔b，26. 限位块，27.盘头，28.卡环，29.拼环，30.本体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述：

参见附图，万向滚轮式变径扶正器由变径机构、万向滚轮机构、上接头1、本体30组成，所述的变径机构包括活塞2、密封圈a3、复位弹簧4、活塞杆5、推筒6、轴承组7、导向销钉8、导向块9、密封圈b10、芯杆14、密封圈c15、柱塞17、压簧18、柱塞盖19、螺钉a21、芯杆弹簧22，活塞杆5后端通过螺纹与活塞2连接，复位弹簧4一端顶着活塞2，另一端顶着上接头1内台阶，活塞2使用密封圈a3密封防止泥浆进入复位弹簧4的工作腔，活塞杆5前端通过螺纹与推筒6连接，导向块9安装在推筒6上 ，导向块9外壁存在导向槽并与安装在本体30上的导向销钉8配合，在钻井液液压的作用下活塞2带动活塞杆5推动推筒6向前运动，从而使导向块9在导向销钉8和导向块9的导向槽作用下动作。

所述的万向滚轮式变径扶正器的万向滚轮机构包括轮轴16、中间轮20、万向滚轮23，将两个万向滚轮23和中间轮20安放在轮轴16上，轮轴16两端与柱塞17孔配合，芯杆14安装在本体30内部并于柱塞17的斜面接触，芯杆弹簧22安放在芯杆14和本体30的内台阶之间，芯杆14前端通过焊接将盘头27连接，钻井液液压作用于盘头27带动芯杆14向前运动，从而导致柱塞17在芯杆14锥形台阶作用下向外运动，并带动万向滚轮23向外运动改变扶正器的工作直径，将钻柱与井壁的摩擦方式变为滚动摩擦，减小了工作阻力。

所述的万向滚轮式变径扶正器在钻进过程中将钻井液液压控制在一定范围内，在活塞2的作用下导向块9按导向槽的轨迹向前运动并旋转，使导向块9的凸台与定位块11凹槽配合，此时推筒6限制芯杆14向后运动，推筒6和定位块11通过密封圈b10密封，在导向槽的作用下导向块9的凸台与定位块11接触，可以实现扶正器在不同工作直径下保证万向滚轮与井壁接触稳定。

所述的本体30大径处均匀分布四个槽，这四个槽安装轮轴16、柱塞17、压簧18、柱塞盖19、中间轮20和万向滚轮23，在放柱塞17的地方通过螺钉a21将柱塞盖19安装在本体30上，为了使柱塞17与芯杆14实时接触，在柱塞盖19的孔和柱塞17的孔中安放压簧18。

所述的万向滚轮式变径扶正器，为了实现导向块9能在导向槽的作用下旋转和前后运动，在活塞杆5前端与导向块9之间安放轴承组7，并在本体30上开压力平衡孔a12；为了实现芯杆14能在液压和芯杆弹簧22的作用下前后运动，在本体30上对称一对开压力平衡孔b25，芯杆14前端使用密封圈d24密封防止泥浆进入芯杆弹簧22的工作腔内；为了限制芯杆14向前运动的位移，保护柱塞盖19不被压坏，在本体30内部安装限位机构，该限位机构由限位块26、卡环28和拼环29组成，当盘头27在液压作用下抵住限位块26时扶正器的工作外径达到最大。

Claims (8)

1.万向滚轮式变径扶正器其特征在于：所述的万向滚轮式变径扶正器由变径机构、万向滚轮机构、上接头（1）、本体（30）组成，所述的变径机构包括活塞（2）、密封圈a（3）、复位弹簧（4）、活塞杆（5）、推筒（6）、轴承组（7）、导向销钉（8）、导向块（9）、密封圈b（10）、芯杆（14）、密封圈c（15）、柱塞（17）、压簧（18）、柱塞盖（19）、螺钉a（21）、芯杆弹簧（22），活塞杆（5）后端通过螺纹与活塞（2）连接，复位弹簧（4）一端顶着活塞（2），另一端顶着上接头（1）内台阶，活塞（2）使用密封圈a（3）密封防止泥浆进入复位弹簧（4）的工作腔，活塞杆（5）前端通过螺纹与推筒（6）连接，导向块（9）安装在推筒（6）上 ，导向块（9）外壁存在导向槽并与安装在本体（30）上的导向销钉（8）配合，在钻井液液压的作用下活塞（2）带动活塞杆（5）推动推筒（6）向前运动，从而使导向块（9）在导向销钉（8）和导向块（9）的导向槽作用下动作；所述的万向滚轮机构包括轮轴（16）、中间轮（20）、万向滚轮（23），将两个万向滚轮（23）和中间轮（20）安放在轮轴（16）上，轮轴（16）两端与柱塞（17）孔配合，芯杆（14）安装在本体（30）内部并于柱塞（17）的斜面接触，芯杆弹簧（22）安放在芯杆（14）和本体（30）的内台阶之间，芯杆（14）前端通过焊接将盘头（27）连接，钻井液液压作用于盘头（27）带动芯杆（14）向前运动，从而导致柱塞（17）在芯杆（14）锥形台阶作用下向外运动，并带动万向滚轮（23）向外运动改变扶正器的工作直径，将钻柱与井壁的摩擦方式变为滚动摩擦，减小了工作阻力；钻井的钻进过程中通过液压可以实现万向滚轮（23）实时与井壁贴合减小钻杆的振动，避免破坏井壁，还可通过控制钻液压改变扶正器的工作外径可以减小与井壁的接触，方便钻柱下入和起出。

2.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：钻进过程中将钻井液液压控制在一定范围内，在活塞（2）的作用下导向块（9）按导向槽的轨迹运动，使导向块（9）的凸台与定位块（11）凹槽接触，此时推筒（6）限制芯杆（14）向后运动，推筒（6）和定位块（11）通过密封圈b（10）密封，在导向槽的作用下导向块（9）的凸台与定位块（11）接触，可以实现扶正器在不同工作直径下保证万向滚轮与井壁接触稳定。

3.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：所述的本体（30）大径处均匀分布四个槽，这四个槽安装轮轴（16）、柱塞（17）、压簧（18）、柱塞盖（19）、中间轮（20）和万向滚轮（23），在放柱塞（17）的地方通过螺钉a（21）将柱塞盖（19）安装在本体（30）上，为了使柱塞（17）与芯杆（14）实时接触，在柱塞盖（19）的孔和柱塞（17）的孔中安放压簧（18）。

4.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：在钻井过程中钻柱存在横向转速和纵向钻进速度，由于井底存在的工况不同导致所选择的速度不一致，使横向速度和纵向速度合成的钻柱外表面实际速度的方向随时发生变化，该扶正器选择万向滚轮（23）与井壁接触，万向滚轮（23）是由两种轮子组合而成，比一般滚轮自由度多，能很好解决速度变化引起的摩擦增大的问题。

5.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：所述的芯杆（14）是推动柱塞（17）实现变径的重要部件，为了将芯杆（14）安装到本体（30）内部实现与柱塞（17）配合，需要在本体（30）内部加工能穿过芯杆（14）最大外径的缺口，将芯杆（14）放入后旋转一定角度，再安装定位块（11）卡住芯杆（14）使它只能前后运动不能产生旋转，芯杆（14）后端与定位块（11）配合使用密封圈c（10）密封，定位块（11）通过四个螺钉b（13）固定在本体（30）上。

6.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：为了实现导向块（9）能在导向槽的作用下旋转和前后运动，在活塞杆（5）前端与导向块（9）之间安放轴承组（7），并在本体（30）上开压力平衡孔a（12）。

7.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：为了实现芯杆（14）能在液压和芯杆弹簧（22）的作用下前后运动，在本体（30）上对称一对开压力平衡孔b（25），芯杆（14）前端使用密封圈d（24）密封防止泥浆进入芯杆弹簧（22）的工作腔内。

8.根据权利要求1所述的万向滚轮式变径扶正器，其特征是：为了限制芯杆（14）向前运动的位移，保护柱塞盖（19）不被压坏，在本体（30）内部安装限位机构，该限位机构由限位块（26）、卡环（28）和拼环（29）组成，当盘头（27）在液压作用下抵住限位块（26）时扶正器的工作外径达到最大。