CN106948786A - 一种一体式开窗侧钻工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一体式开窗侧钻工具，包括从上至下依次连接的开窗侧钻单元、卡瓦锚定单元、摩擦转向单元三部分,该发明采用旋转下压的机械坐封原理，结构简单，操作简便，性能可靠，效率高，能一趟钻完成工具下入、定向、坐封、开窗、修窗等施工，通过一套卡瓦即实现了轴向抗压和周向抗扭，且机械锚定机构的转向槽设计，能够有效防止起下钻过程中因上提钻柱过量导致的误坐封问题，增加卡瓦锚定的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，具体涉及一种一体式开窗侧钻工具。
背景技术
目前，老井侧钻中使用的侧钻工具有液压式和机械式之分。液压式开窗工具需要两趟钻才能完成开窗作业，其结构复杂、操作繁琐,比如专利“一种开窗侧钻用斜向器（公开号：CN2718196Y）”的锚定机构，其设置有两套卡瓦，分别被独立的液压缸驱动，一套防扭转，一套抗轴压，使用时，需要有专门的液压管路通向井底的液压缸，来驱动卡瓦周向与轴向坐封；目前在用的一种机械式开窗工具采用长短槽换向的坐封机构，存在上提钻柱时易误坐封的风险，致使卡瓦损坏；此外，针对类似于专利“一种防脱落式一体化开窗工具（公开号：CN202544785U）”的导斜体防脱落U型台阶设计，虽然该U型台阶可以方便工具坐封失败时打捞回收，但是U型台阶增加了铣锥的无效磨铣时间。
为克服以上开窗工具的不足，现需要设计一种一体式开窗侧钻工具。
发明内容
本发明的目的是克服现有机械式和液压式开窗工具的问题，提供一种一体式开窗侧钻工具,采用机械式坐封方式，其结构简单，一趟钻能完成开窗和修窗作业,不存在误坐封风险,优化了铣锥与导斜体的连接方式，提高了铣锥开窗的效率。
本发明的技术方案是提供了一种一体式开窗侧钻工具，包括从上至下依次连接的开窗侧钻单元、卡瓦锚定单元、摩擦转向单元三部分；
所述开窗侧钻单元包括铣锥和导斜体，铣锥的下部与导斜体上部通过剪钉连接；
所述卡瓦锚定单元包括设于内部的中心轴和中心轴上部外侧的卡瓦和外套，所述卡瓦外侧设有牙，卡瓦的上下端分别连接上卡瓦座与下卡瓦座，所述上卡瓦座的外侧设有斜面滑槽，卡瓦上端嵌套在斜面滑槽内，上卡瓦座上部连接于导斜体下部外侧，上卡瓦座下部连接于中心轴上部外侧，下卡瓦座下端与外套连接，所述中心轴上部外侧套有卡瓦滑套，卡瓦滑套上端连接于上卡瓦座下部，中心轴中上部外侧套有锁紧球座，锁紧球座上端连接于下卡瓦座下端内侧,锁紧球座下端内设有圆柱孔，该孔内装有锁紧钢球，中心轴外侧的相应位置设有中心轴外圆环凹槽，非锚定状态下，锁紧钢球卡入中心轴外圆环凹槽中，锁紧球座外侧套有锁紧弹簧和压套，锁紧弹簧设于下卡瓦座底部，压套设于锁紧弹簧底部；
所述摩擦转向单元包括设于中心轴下部外侧的摩擦座，所述摩擦座外侧设有凹槽，且该凹槽内装有摩擦块和摩擦弹簧，摩擦座上下端分别连接有上限位套和限位转向套，所述上限位套上端外设有内圆环凹槽，所述限位转向套上设有转向槽，转向槽上穿有转销，且转销连接于中心轴上，转向槽包括连接槽、短沟槽和长沟槽，连接槽水平设置，短沟槽和长沟槽分别竖直连接于连接槽两端。
所述中心轴下端外侧还设有引锥。
所述铣锥为两段式结构，中部为修窗部分，下端为开窗部分。
所述导斜体的斜面角度为2～3°，导斜体的斜面上部设有内圆柱面凸台，所述剪钉穿过该内圆柱面凸台上的剪钉孔与铣锥上的螺纹孔拧紧。
所述导斜体的斜面中上部设有打捞孔，打捞孔上设有导引面。
所述上卡瓦座上部通过销轴连接于导斜体下部外侧。
所述斜面滑槽成圆周均匀分布3～4个，且斜面滑槽左右两边均有保护槽。
所述限位转向套沿周向设有两道转向槽，两个转向槽上各穿有一个转销，两个转销都连接于中心轴上。
所述短沟槽长度大于两倍转销外径。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具采用旋转下压的机械坐封原理，结构简单，操作简便，性能可靠，效率高，能一趟钻完成工具下入、定向、坐封、开窗、修窗等施工，通过一套卡瓦即实现了轴向抗压和周向抗扭，且机械锚定机构的转向槽设计，能够有效防止起下钻过程中因上提钻柱过量导致的误坐封问题，增加卡瓦锚定的可靠性。
(2)本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具通过在中心轴下端外侧设有引锥，便于下放工具。
(3)本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具通过设置铣锥为两段式结构，能一趟钻完成开窗修窗作业，且在剪钉剪断以后，铣锥能够直接作用在套管壁上，减少了铣锥对于导斜体的磨铣，缩短了磨铣时间，降低了成本，有利于提高开窗效率。
(4)本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具通过设置导斜体的斜面角度为2～3°，在导斜体的斜面上部设有内圆柱面凸台，剪钉穿过该内圆柱面凸台上的剪钉孔与铣锥上的螺纹孔拧紧，保证内圆柱面凸台的内圆柱面与铣锥外圆柱面紧密接触，该设计既增强了剪钉孔周围的强度，又减小了剪钉受到的拉力，同时有效的使铣锥1直接作用在套管壁上，减少了铣锥对于导斜体的磨铣。
(5)本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具通过在导斜体的斜面中上部设有打捞孔，打捞孔上设有导引面，当剪钉已剪断，导斜体、卡瓦锚定单元、摩擦转向单元等需要打捞时，将钻柱连接头与打捞矛连接，下放到导斜体打捞孔下部位置，然后短距上提钻柱，使打捞矛沿着打捞孔导引面勾住打捞孔，继续上提钻柱，上卡瓦座相对卡瓦上移，卡瓦外径变小，卡瓦的牙松开套管壁，卡瓦解封，最后起钻取出该工具。
(6)本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具通过将斜面滑槽成圆周均匀分布3～4个，且斜面滑槽左右两边均有保护槽，保护槽保证卡瓦只能沿着斜面槽轴向移动，不能周向转动，通过一套卡瓦既实现轴向抗压，又实现了周向抗扭，简化了锚定单元的结构。
(7) 本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具通过在限位转向套沿周向设有两道转向槽，两个转向槽上各穿有一个转销，两个转销都连接于中心轴上。所述短沟槽长度大于两倍转销外径。避免了单个转销被剪断的可能，并增加了转向的可靠性，在下钻过程中，转销处于短沟槽的下部，即使旋转钻柱，也不会使转销从短沟槽中跑入长沟槽，造成误坐封，如果需要上提又下放钻柱，只要不顺时针旋转钻柱，就不会使转销进入长沟槽。这样的设计保证只有在上提并顺时针旋转钻柱的情况下，才会实现锚定坐封，消除了下钻误坐封的风险。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明一体式开窗侧钻工具的结构示意图；
图2是本发明一体式开窗侧钻工具的导斜体的结构示意图；
图3是本发明一体式开窗侧钻工具的中心轴外圆环凹槽示意图；
图4是本发明一体式开窗侧钻工具的限位转向套的外表面展开结构示意图。
附图标记说明：1、铣锥；1.1、修窗部分；1.2、开窗部分；2、剪钉；3、导斜体；3.1、打捞孔；3.1a、导引面；3.2、内圆柱面凸台；4、销轴；5、上卡瓦座；5.1、斜面滑槽；5.1a、保护槽；6、中心轴；6.1、中心轴外圆环凹槽；7、卡瓦滑套；8、卡瓦；9、下卡瓦座；10、锁紧球座；11、锁紧弹簧；12、压套；13、锁紧钢球；14、外套；15、上限位套；15.1、内圆环凹槽；16、摩擦座；17、摩擦块；18、摩擦弹簧；19、限位转向套；19.1、转向槽；19.1a、连接槽；19.1b、短沟槽；19.1c、长沟槽；20、转销；21、引锥。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有机械式和液压式开窗工具的问题，本实施例提供了一种如图1至图4所示的一体式开窗侧钻工具，包括从上至下依次连接的开窗侧钻单元、卡瓦锚定单元、摩擦转向单元三部分；
所述开窗侧钻单元包括铣锥1和导斜体3，铣锥1的下部与导斜体3上部通过剪钉2连接；
所述卡瓦锚定单元包括设于内部的中心轴6和中心轴6上部外侧的卡瓦8和外套14，所述卡瓦8外侧设有牙，卡瓦8的上下端分别连接上卡瓦座5与下卡瓦座9，所述上卡瓦座5的外侧设有斜面滑槽5.1，卡瓦8上端嵌套在斜面滑槽5.1内，上卡瓦座5上部连接于导斜体3下部外侧，上卡瓦座5下部连接于中心轴6上部外侧，下卡瓦座9下端与外套14连接，所述中心轴6上部外侧套有卡瓦滑套7，卡瓦滑套7上端连接于上卡瓦座5下部，中心轴6中上部外侧套有锁紧球座10，锁紧球座10上端连接于下卡瓦座9下端内侧,锁紧球座10下端内设有圆柱孔，该孔内装有锁紧钢球13，中心轴6外侧的相应位置设有中心轴外圆环凹槽6.1，非锚定状态下，锁紧钢球13卡入中心轴外圆环凹槽6.1中，锁紧球座10外侧套有锁紧弹簧11和压套12，锁紧弹簧11设于下卡瓦座9底部，压套12设于锁紧弹簧11底部；
所述摩擦转向单元包括设于中心轴6下部外侧的摩擦座16，所述摩擦座16外侧设有凹槽，且该凹槽内装有摩擦块17和摩擦弹簧18，摩擦座16上下端分别连接有上限位套15和限位转向套19，所述上限位套15上端外设有内圆环凹槽15.1，所述限位转向套19上设有转向槽19.1，转向槽19.1上穿有转销20，且转销20连接于中心轴6上，转向槽19.1包括连接槽19.1a、短沟槽19.1b和长沟槽19.1c，连接槽19.1a水平设置，短沟槽19.1b和长沟槽19.1c分别竖直连接于连接槽19.1a两端。
本发明提供的这种一体式开窗侧钻工具的工作原理如下：
首先，确认卡瓦锚定单元处于非锚定的安全状态，即锁紧钢球13位于中心轴外圆环凹槽6.1中，且转销20位于限位转向套19的转向槽19.1的短沟槽19.1b中；
其次，将铣锥1上端与钻柱连接，把整个工具下放到井中套管内的预定深度，完成导斜体斜面的定向；
然后，利用摩擦转向单元和卡瓦锚定单元实施锚定坐封，即上提一小段钻柱，同时顺时针旋转钻柱，摩擦块17受到套管壁的周向摩擦力作用保持不动，转销20从倒L型转向槽19.1短沟槽19.1b经过连接槽19.1a进入长槽19.1c，之后下放钻柱，由于轴向摩擦力的作用，摩擦转向单元的上限位套15上顶卡瓦锚定单元的压套12，并挤压锁紧弹簧11，当上限位套15的内圆环凹槽15.1到达锁紧钢球13的位置时，锁紧钢球13就会从中心轴外圆环凹槽6.1中滚出，继而锁紧弹簧11会推动下卡瓦座9、卡瓦8、锁紧球座10上移，卡瓦8沿着上卡瓦座5的斜面滑槽5.1向上滑动，卡瓦8圆周半径方向不断扩大，卡瓦8外侧的牙咬住套管壁，下放钻柱剪断剪钉2,实现锚定坐封；
最后，控制钻压，同时旋转铣锥1磨铣套管，实施开窗和修窗作业。
本发明的这种一体式开窗侧钻工具采用旋转下压的机械坐封原理，结构简单，操作简便，性能可靠，效率高，能一趟钻完成工具下入、定向、坐封、开窗、修窗等施工，通过一套卡瓦即实现了轴向抗压和周向抗扭，且机械锚定机构的转向槽设计，能够有效防止起下钻过程中因上提钻柱过量导致的误坐封问题，增加卡瓦锚定的可靠性。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种一体式开窗侧钻工具，为了便于下放工具，所述中心轴6下端外侧还设有引锥21。
所述铣锥1为两段式结构，中部为修窗部分1.1，下端为开窗部分1.2。两段式铣锥能一趟钻完成开窗修窗作业，且在剪钉剪断以后，铣锥能够直接作用在套管壁上，减少了铣锥对于导斜体的磨铣，缩短了磨铣时间，降低了成本，有利于提高开窗效率。
实施例3：
在实施例2的基础上，本实施例提供了一种一体式开窗侧钻工具，所述导斜体3的斜面角度为2～3°，导斜体3的斜面上部设有内圆柱面凸台3.2，所述剪钉2穿过该内圆柱面凸台3.2上的剪钉孔与铣锥1上的螺纹孔拧紧。保证内圆柱面凸台3.2的内圆柱面与铣锥1外圆柱面紧密接触，该设计既增强了剪钉孔周围的强度，又减小了剪钉2受到的拉力，同时有效的使铣锥1直接作用在套管壁上，减少了铣锥1对于导斜体3的磨铣。
所述导斜体3的斜面中上部设有打捞孔3.1，打捞孔3.1上设有导引面3.1a。当剪钉2已剪断，导斜体3、卡瓦锚定单元、摩擦转向单元等需要打捞时，将钻柱连接头与打捞矛连接，下放到导斜体打捞孔3.1下部位置，然后短距上提钻柱，使打捞矛沿着打捞孔导引面3.1a勾住打捞孔3.1，继续上提钻柱，上卡瓦座5相对卡瓦8上移，卡瓦8外径变小，卡瓦8的牙松开套管壁，卡瓦8解封，最后起钻取出该工具。
实施例4：
在实施例3的基础上，本实施例提供了一种一体式开窗侧钻工具，所述上卡瓦座5上部通过销轴4连接于导斜体3下部外侧。所述斜面滑槽5.1成圆周均匀分布3～4个，且斜面滑槽5.1左右两边均有保护槽5.1a，保护槽5.1a保证卡瓦8只能沿着斜面槽5.1轴向移动，不能周向转动，通过一套卡瓦既实现轴向抗压，又实现了周向抗扭，简化了锚定单元的结构。
实施例5：
在实施例4的基础上，本实施例提供了一种一体式开窗侧钻工具，所述限位转向套19沿周向设有两道转向槽19.1，两个转向槽19.1上各穿有一个转销20，两个转销20都连接于中心轴6上。所述短沟槽19.1b长度大于两倍转销20外径。避免了单个转销20被剪断的可能，并增加了转向的可靠性，在下钻过程中，转销20处于短沟槽19.1b的下部，即使旋转钻柱，也不会使转销20从短沟槽19.1b中跑入长沟槽19.1c，造成误坐封，如果需要上提又下放钻柱，只要不顺时针旋转钻柱，就不会使转销20进入长沟槽19.1c。这样的设计保证只有在上提并顺时针旋转钻柱的情况下，才会实现锚定坐封，消除了下钻误坐封的风险。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种一体式开窗侧钻工具，其特征在于：包括从上至下依次连接的开窗侧钻单元、卡瓦锚定单元、摩擦转向单元三部分；
所述开窗侧钻单元包括铣锥（1）和导斜体（3），铣锥（1）的下部与导斜体（3）上部通过剪钉（2）连接；
所述卡瓦锚定单元包括设于内部的中心轴（6）和中心轴（6）上部外侧的卡瓦（8）和外套（14），所述卡瓦（8）外侧设有牙，卡瓦（8）的上下端分别连接上卡瓦座（5）与下卡瓦座（9），所述上卡瓦座（5）的外侧设有斜面滑槽（5.1），卡瓦（8）上端嵌套在斜面滑槽（5.1）内，上卡瓦座（5）上部连接于导斜体（3）下部外侧，上卡瓦座（5）下部连接于中心轴（6）上部外侧，下卡瓦座（9）下端外侧与外套（14）连接，所述中心轴（6）上部外侧套有卡瓦滑套（7），卡瓦滑套（7）上端连接于上卡瓦座（5）下部，中心轴（6）中上部外侧套有锁紧球座（10），锁紧球座(10)上端连接于下卡瓦座（9）下端内侧,锁紧球座（10）下端内设有圆柱孔，该孔内装有锁紧钢球（13），中心轴（6）外侧的相应位置设有中心轴外圆环凹槽（6.1），非锚定状态下，锁紧钢球（13）卡入中心轴外圆环凹槽（6.1）中，锁紧球座（10）外侧套有锁紧弹簧（11）和压套（12），锁紧弹簧（11）设于下卡瓦座（9）底部，压套（12）设于锁紧弹簧（11）底部；
所述摩擦转向单元包括设于中心轴（6）下部外侧的摩擦座（16），所述摩擦座（16）外侧设有凹槽，且该凹槽内装有摩擦块（17）和摩擦弹簧（18），摩擦座（16）上下端分别连接有上限位套（15）和限位转向套（19），所述上限位套（15）上端外设有内圆环凹槽（15.1），所述限位转向套（19）上设有转向槽（19.1），转向槽（19.1）上穿有转销（20），且转销（20）连接于中心轴（6）上，转向槽（19.1）包括连接槽（19.1a）、短沟槽（19.1b）和长沟槽（19.1c），连接槽（19.1a）水平设置，短沟槽（19.1b）和长沟槽（19.1c）分别竖直连接于连接槽（19.1a）两端。
2.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述中心轴（6）下端外侧还设有引锥（21）。
3.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述铣锥（1）为两段式结构，中部为修窗部分（1.1），下端为开窗部分（1.2）。
4.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述导斜体（3）的斜面角度为2～3°，导斜体（3）的斜面上部设有内圆柱面凸台（3.2），所述剪钉（2）穿过该内圆柱面凸台（3.2）上的剪钉孔与铣锥（1）上的螺纹孔拧紧。
5.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述导斜体（3）的斜面中上部设有打捞孔（3.1），打捞孔（3.1）上设有导引面（3.1a）。
6.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述上卡瓦座（5）上部通过销轴（4）连接于导斜体（3）下部外侧。
7.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述斜面滑槽（5.1）成圆周均匀分布3～4个，且斜面滑槽（5.1）左右两边均有保护槽（5.1a）。
8.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述限位转向套（19）沿周向设有两道转向槽（19.1），两个转向槽（19.1）上各穿有一个转销（20），两个转销（20）都连接于中心轴（6）上。
9.如权利要求1所述的一体式开窗侧钻工具，其特征在于：所述短沟槽（19.1b）长度大于两倍转销（20）外径。
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