CN108625786B - 一种旋转扩眼引鞋及管串 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转扩眼引鞋及管串，属于油田固完井工具领域。该装置包括引鞋单元，所述引鞋单元包括依次连接的上接头、外壳和下接头，在所述上接头、外壳和下接头连通的内腔中安装有动力机构；所述动力机构的下端与传动接头的上端连接，所述传动接头的下端伸出下接头的下端面后与扩眼引鞋的上端连接；所述动力机构包括传动轴上盖、径向轴承、涡轮定转子组和传动轴；所述径向轴承的外圈、涡轮定转子组中的定子组与外壳紧固连接在一起；所述传动轴的上端与传动轴上盖连接，所述传动轴上盖的下端面顶住径向轴承的内圈的上端面；所述径向轴承的内圈和涡轮定转子组中的转子组套装在所述传动轴的外表面；所述传动轴的下端与所述传动接头的上端连接。

Description

一种旋转扩眼引鞋及管串

技术领域

本发明属于油田固完井工具领域，具体涉及一种旋转扩眼引鞋及管串。

背景技术

固井或完井过程中，管串通常采用圆头等常规引鞋进行导向，将完井或固井管串下入到预定位置，但随着水平井或大位移井等的出现，常出现井眼缩颈、掉块和砂桥等，导致管串无法下入到预定位置。目前采用的旋转尾管或旋转套管方式，可以对管串进行旋转而解决了一部分的管串下入难题，但管串整体旋转对管串的整体抗扭性能要求较高，尤其在长直水平井及大位移井中，井壁磨阻严重阻碍管串的旋转，造成旋转尾管/套管工艺无法实施。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对目前固井或完井管串下入困难的情况，提供一种旋转扩眼引鞋及管串，通过管内的液体循环驱动引鞋旋转，达到扩眼和井筒清理，从而实现管串的顺利下入。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种旋转扩眼引鞋，包括引鞋单元，所述引鞋单元包括依次连接的上接头、外壳和下接头，在所述上接头、外壳和下接头连通的内腔中安装有动力机构；

所述动力机构的下端与传动接头的上端连接，所述传动接头的下端伸出下接头的下端面后与扩眼引鞋的上端连接；

所述动力机构包括传动轴上盖、径向轴承、涡轮定转子组和传动轴；

所述径向轴承的外圈、涡轮定转子组中的定子组与外壳紧固连接在一起；

所述传动轴的上端与传动轴上盖连接，所述传动轴上盖的下端面顶住径向轴承的内圈的上端面；

所述径向轴承的内圈和涡轮定转子组中的转子组套装在所述传动轴的外表面；，所述传动轴的下端与所述传动接头的上端连接。

所述传动轴上盖与传动轴之间的螺纹连接上紧有预紧力，传动轴上盖、径向轴承的内圈、涡轮定转子组中的转子组的端面接触，通过预紧力连接为一体。

优选地，所述涡轮定转子组包括多个串联的涡轮定转子，在涡轮定转子组的上方和下方均安装有径向轴承；所述传动轴上盖的下端面顶住涡轮定转子组的上方的径向轴承的内圈的上端面。

在所述传动轴上开有传动轴旁通孔，其位于涡轮定转子组的下方的径向轴承的下方，在所述传动轴旁通孔下方的外壳与传动轴之间设有阻流环，所述阻流环的外表面与外壳固定连接；所述阻流环的上端面为斜面，通过涡轮定转子组后的液体经过该斜面转向后进入传动轴旁通孔，进而流入传动轴内部。

在所述阻流环的内孔中设有台阶，在该台阶处安装有分流环，所述分流环位于传动轴与阻流环之间，所述分流环的内壁与传动轴的外表面紧固连接；

在所述传动轴的下方套装有支撑轴承，所述支撑轴承的上端面顶住所述分流环的下端面，所述支撑轴承的下端面顶住所述传动接头的上端面。

在所述支撑轴承与外壳之间的空隙内设有调整环；在所述外壳下端的外壁上设有扶正器。

所述扩眼引鞋包括引鞋外壳和引鞋头，所述引鞋外壳的上端通过螺纹与传动接头的下端连接，引鞋外壳的下端通过螺纹与引鞋头连接；

在所述引鞋外壳的外壁上设有扩眼肋；

所述扩眼肋为条状肋或螺旋状肋，采用在引鞋外壳上敷焊硬质合金形成或采用镶嵌金刚石柱形成。

优选地，所述旋转扩眼引鞋包括安全单元，所述安全单元包括依次连接的安全上接头、安全外壳和安全下接头；所述安全上接头的下端与安全外壳的上端连接，所述安全外壳的下端与安全下接头的上端连接，所述安全下接头的下端与引鞋单元中的上接头的上端连接；

在所述安全外壳上开有在周向上均布的旁通孔；

在所述安全外壳的内腔中安装有内套，在安全外壳的所述旁通孔的下方设有剪钉，所述内套通过剪钉与安全外壳固定连接；

在所述剪钉下方的内壳的外壁上设有环形槽，在所述环形槽内安装有防退卡簧，所述防退卡簧为圆环状，开有周向切口，且在其外表面设有螺纹；

在所述剪钉下方的安全外壳的内壁上开有卡簧槽，在卡簧槽内设有螺纹，能够与防退卡簧的螺纹配合，当内套下移时，防退卡簧进入卡簧槽内，在卡簧槽内只能进行向下的单方向移动；

在所述外壳上设有传压孔，其位于卡簧槽的下方，连通外壳的外部与内腔。

所述安全上接头、安全外壳与安全下接头通过螺纹丝扣进行固定，并使用螺钉紧固防止回转。

一种利用上述旋转扩眼引鞋构成的常规固井管串，包括依次连接的套管串、止塞箍、浮箍、套管和旋转扩眼引鞋；

所述旋转扩眼引鞋直接通过套管扣与最末端的套管连接。

一种利用上述旋转扩眼引鞋构成的尾管固井管串，包括依次连接的钻杆、尾管悬挂器、球座、浮箍、套管和旋转扩眼引鞋，

所述旋转扩眼引鞋通过套管扣与与最末端的套管连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的水力驱动涡轮旋转扩眼引鞋通过串联方式连接在固完井管串的末端，在管串下入遇阻时，可通过循环泥浆或完井液带动扩眼引鞋进行旋转，实现修整井壁的目的，从而通过缩颈、砂桥等井段，实现固完井管串安全下入到预定位置。

附图说明

图1为本发明水力驱动涡轮旋转扩眼引鞋整体结构示意图

图2为应急旁通阀单元结构示意图

图3为旋转扩眼引鞋单元结构示意图

图4为定转子配合结构示意图

图5为扩眼引鞋结构示意图

图6为常规固井管串中旋转扩眼引鞋管串图

图7为尾管固井管串中涡轮旋转扩眼引鞋管串图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明设计了一种可水力驱动旋转的扩眼引鞋及其适用的管串结构，该引鞋包括安全阀、动力单元和扩眼引鞋单元三部分组成，动力单元可实现液体动能向机械旋转动能的转化，通过液体循环带动扩眼引鞋旋转；扩眼引鞋单元可在旋转过程中对井壁进行休整，从而实现管串下入的目的。

为达到上述目的，本发明设计如下：

(1)动力单元包括外壳、上下接头、涡轮定转子、传动轴、径向轴承和止推轴承等零件组成，通过涡轮定转子实现液体能向机械能转换。

(2)扩眼引鞋结构设计为引鞋外壳、扩眼肋和引鞋头三部分，其中扩眼肋采用硬质合金敷焊或镶嵌的方式与引鞋外壳结合在一起，从而通过扩眼肋进行修整井壁。

(3)安全装置。在旋转扩眼引鞋上部设计安全机构，如固井过程中涡轮部分发生堵塞或循环压力增大，可通过内外压差打开安全阀，提供水泥浆过流通道。

(4)设计了常规固井管串和尾管固井管串中旋转扩眼引鞋的管串结构和施工实例。

具体来说，本发明旋转扩眼引鞋的总体结构如图1所示，包括应急旁通阀单元01和旋转扩眼引鞋单元02。应急旁通阀单元01连接在旋转扩眼引鞋单元02上端。其中应急旁通阀单元为安全机构，旋转扩眼引鞋单元为工作机构。在下入过程，通过管内液体循环驱动旋转扩眼引鞋单元02进行旋转，实现井壁的修整和下入。同时，在下入过程和固井过程中，如出现液体杂质堵塞旋转扩眼引鞋单元02的涡轮组或液流通过涡轮组的循环阻力过大，则通过管内外压差打开应急旁通阀单元01，形成旁通循环，不影响固井施工。

应急旁通阀单元01的结构如图2所示，包括上接头0101、外壳0102、旁通孔0103，共三个，周向均布，剪钉0104、防退卡簧0105、内套0106、卡簧槽0107、传压孔0108、下接头0109。其中，上接头0101、外壳0102与下接头0109通过螺纹丝扣进行固定，并使用螺钉紧固防止回转，图2中为示意。卡簧0107为圆环状，周向切口，且在其外表面车有螺纹，能够与下端卡簧槽内的螺纹配合。正常安装状态下为收缩安装在内套0106上的环状槽内。卡簧槽0107设置在外壳内壁上，车有螺纹，可与卡簧配合，卡簧0105进行入卡簧槽内部后只能向下，不能反方向运动，即只能向下单方向运动，另一方向锁定，这样能够防止旁通孔打开后再次关闭。应急旁通阀为本工具安全机构，传压孔0108使内套下端压力同工具外压力相同，当涡轮引鞋单元堵塞或循环压力过大时，工具内部压力升高，从而工具内外形成压差，压差推动内套下行，剪断剪钉，露出旁通孔0103，形成工具内外循环。

旋转扩眼引鞋单元02结构如图3所示，包括上接头0201、传动轴上盖0202、径向轴承0203、涡轮定转子组0204(多个涡轮定转子串联)、外壳0205、传动轴0206、阻流环0207、分流环0208、支撑轴承0209、扶正器0210、调整环0211、下接头0212、传动接头0213、扩眼引鞋0214。其中，径向轴承0203起到对定转子和传动轴扶正的作用，由内环和外环组成，径向轴承共两组，分别安装在涡轮定转子组的上下。整个旋转扩眼引鞋单元分为运动部分和不动部分。其中，上接头、径向轴承外圈、涡轮定子组、阻流环、调整环、下接头等与外壳紧固在一起，扶正器安装在外壳上，为整个机构的不动部分。传动轴上盖、径向轴承内圈、涡轮转子组、传动轴、分流环、支撑轴承、传动接头和扩眼引鞋紧固在一起，为运动部分。不动部分的紧固通过上接头与外壳、外壳与下接头间螺纹连接提供。转动部分的紧固通过传动轴上盖与传动轴、传动轴与传动接头间的螺纹连接提供。液体流经定子叶片时，通过涡轮定转子单元0204实现能量转换，推动转子旋转，从而实现转动部分的整体旋转。阻流环0207将通过涡轮定转子的液体变向，阻挡液体继续向下，转向进入传动轴旁通孔流入传动轴内部。分流环0208将液体分流一部分，通过分流环流向下端支撑轴承，起到对轴承润滑的目的。支撑轴承起到支持下端扩眼引鞋向上推力。

图4为单个定转子组示意图。图中涡轮定子0215、定子叶片0216、涡轮转子0217、转子叶片0218。图4中示意了液流方向，液体流过涡轮定子叶片时，流体方向发生改变，推动涡轮转子叶片。从图3中可知，涡轮定转子分别属于不动部分和转动部分，从而液流推动转子带动转动部分进行旋转。

扩眼引鞋如图5所示，扩眼引鞋0214包括引鞋外壳0301、扩眼肋0302、引鞋头0303。其中，扩眼肋0302为直接在引鞋外壳外敷焊硬质合金或镶嵌金刚石柱，成条状或螺旋状。

常规固井管串中涡轮旋转扩眼引鞋管串如图6所示。在常规固井中，管串结构包括：套管串1、止塞箍2、浮箍3、涡轮旋转扩眼引鞋4。涡轮旋转扩眼引鞋直接通过套管扣与管串连接即可。其中浮箍3等单向阀可增加多个。在管串下入过程中，如遇阻，上提管串至遇阻点以上，循环钻井液驱动引鞋旋转并缓慢下降，直至通过遇阻点。固井时按照常规固井方式进行。

尾管固井管串中涡轮旋转扩眼引鞋管串如图7所示，包括钻杆5、尾管悬挂器6、球座7、浮箍8、涡轮旋转扩眼引鞋9。其中浮箍8等单向阀可增加至多个。涡轮旋转扩眼引鞋直接通过套管扣与管串连接在最下端。

在管串下入过程中，如遇阻，上提至遇阻点以上。循环钻井液驱动引鞋旋转并缓慢下降，直至通过遇阻点。固井时按照尾管固井方式进行。

本发明的动力单元可实现液体动能向机械旋转动能的转化，通过液体循环带动扩眼引鞋旋转；扩眼引鞋单元可在旋转过程中对井壁进行休整，从而实现管串下入的目的。设计了两种管串结构，包括常规固井管串结构和尾管固井管串结构，可提高管串水平井和大斜度井中管串的下入性能，同时该工具内部全部可钻，不影响下一开次的继续钻进，因此具有较好的推广价值和应用前景。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种旋转扩眼引鞋，其特征在于：所述旋转扩眼引鞋包括引鞋单元，所述引鞋单元包括依次连接的上接头、外壳和下接头，在所述上接头、外壳和下接头连通的内腔中安装有动力机构；

所述动力机构的下端与传动接头的上端连接，所述传动接头的下端伸出下接头的下端面后与扩眼引鞋的上端连接；

所述动力机构包括传动轴上盖、径向轴承、涡轮定转子组和传动轴；

所述径向轴承的外圈、涡轮定转子组中的定子组与外壳紧固连接在一起；

所述传动轴的上端与传动轴上盖连接，所述传动轴上盖的下端面顶住径向轴承的内圈的上端面；

所述径向轴承的内圈和涡轮定转子组中的转子组套装在所述传动轴的外表面，所述传动轴的下端与所述传动接头的上端连接；

所述扩眼引鞋包括引鞋外壳和引鞋头，所述引鞋外壳的上端通过螺纹与传动接头的下端连接，引鞋外壳的下端通过螺纹与引鞋头连接。

2.根据权利要求1所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：所述传动轴上盖与传动轴之间的螺纹连接上紧有预紧力，传动轴上盖、径向轴承的内圈、涡轮定转子组中的转子组的端面接触，通过预紧力连接为一体。

3.根据权利要求2所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：所述涡轮定转子组包括多个串联的涡轮定转子，在涡轮定转子组的上方和下方均安装有径向轴承；所述传动轴上盖的下端面顶住涡轮定转子组的上方的径向轴承的内圈的上端面。

4.根据权利要求3所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：在所述传动轴上开有传动轴旁通孔，其位于涡轮定转子组的下方的径向轴承的下方，在所述传动轴旁通孔下方的外壳与传动轴之间设有阻流环，所述阻流环的外表面与外壳固定连接；所述阻流环的上端面为斜面，通过涡轮定转子组后的液体经过该斜面转向后进入传动轴旁通孔，进而流入传动轴内部。

5.根据权利要求4所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：在所述阻流环的内孔中设有台阶，在该台阶处安装有分流环，所述分流环位于传动轴与阻流环之间，所述分流环的内壁与传动轴的外表面紧固连接；

在所述传动轴的下方套装有支撑轴承，所述支撑轴承的上端面顶住所述分流环的下端面，所述支撑轴承的下端面顶住所述传动接头的上端面。

6.根据权利要求5所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：在所述支撑轴承与外壳之间的空隙内设有调整环；在所述外壳下端的外壁上设有扶正器。

7.根据权利要求6所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：

在所述引鞋外壳的外壁上设有扩眼肋；

所述扩眼肋为条状肋或螺旋状肋，采用在引鞋外壳上敷焊硬质合金形成或采用镶嵌金刚石柱形成。

8.根据权利要求6所述的旋转扩眼引鞋，其特征在于：所述旋转扩眼引鞋包括安全单元，所述安全单元包括依次连接的安全上接头、安全外壳和安全下接头；所述安全上接头的下端与安全外壳的上端连接，所述安全外壳的下端与安全下接头的上端连接，所述安全下接头的下端与引鞋单元中的上接头的上端连接；

在所述安全外壳上开有在周向上均布的旁通孔；

在所述安全外壳的内腔中安装有内套，在安全外壳的所述旁通孔的下方设有剪钉，所述内套通过剪钉与安全外壳固定连接；

在所述剪钉下方的内壳的外壁上设有环形槽，在所述环形槽内安装有防退卡簧，所述防退卡簧为圆环状，开有周向切口，且在其外表面设有螺纹；

在所述剪钉下方的安全外壳的内壁上开有卡簧槽，在卡簧槽内设有螺纹，能够与防退卡簧的螺纹配合，当内套下移时，防退卡簧进入卡簧槽内，在卡簧槽内只能进行向下的单方向移动；

在所述外壳上设有传压孔，其位于卡簧槽的下方，连通外壳的外部与内腔；

所述安全上接头、安全外壳与安全下接头通过螺纹丝扣进行固定，并使用螺钉紧固。

9.一种利用权利要求1至8任一所述旋转扩眼引鞋构成的常规固井管串，其特征在于：所述常规固井管串包括依次连接的套管串、止塞箍、浮箍、套管和旋转扩眼引鞋；

所述旋转扩眼引鞋直接通过套管扣与最末端的套管连接。

10.一种利用权利要求1至8任一所述旋转扩眼引鞋构成的尾管固井管串，其特征在于：所述尾管固井管串包括依次连接的钻杆、尾管悬挂器、球座、浮箍、套管和旋转扩眼引鞋，

所述旋转扩眼引鞋通过套管扣与最末端的套管连接。

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