CN110130846A - 一种水平井冲击式磨鞋工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水平井冲击式磨鞋工具，包括：上接头、导流机构、扶正机构和磨鞋头，导流机构包括壳体、卡爪以及设置在壳体内的分流帽、主轴、上扶正轴承、涡轮、调整环、导流环、下扶正轴承；分流帽一端与主轴连接，另一端穿设于通孔内，卡爪一端与壳体内的主轴连接；上扶正轴承套设在靠近分流帽一侧的主轴上，下扶正轴承套设在靠近卡爪一侧的主轴上，上扶正轴承至下扶正轴承之间的主轴上依次套设有涡轮、调整环和导流环，导流环和下扶正轴承相抵接，涡轮和调整环之间的壳体内还设有内凸块；主轴上还设有中心流道和导流旁道，中心流道和导流旁道连通，导流旁道和内凸块对应设置。本发明能降磨减阻，有效提高了磨鞋工具的机械钻速。
Description
技术领域
本发明涉及油井水平井修工具技术领域，具体涉及一种水平井冲击式磨鞋工具。
背景技术
近年来，随着页岩气、致密油气藏勘探开发的迅猛发展，泵送桥塞与射孔联作分段压裂技术作为一种新兴的水平井分段改造主体技术，已在国内外非常规油气藏分段压裂施工中得到广泛应用。该项技术的主要特点是入井工具串简单、分段压裂层数不受限制等。压裂后需要逐个安全高效的钻磨掉井筒内桥塞是恢复全通径井筒的关键环节，保障后续作业的顺利施工。
国内一般采用油管带磨鞋工具进行钻磨作业，但是在水平井钻进过程中油管与井壁之间的摩阻和磨鞋与井壁之间的摩阻扭矩是影响钻速的重要因素，摩阻和摩阻扭矩将导致磨鞋工具的机械钻速降低，工具面控制困难，单趟钻进尺减少，异常严重的磨鞋磨损等，当累积摩阻超过所施加钻压时，就会出现托压现象，迫使油管发生正旋弯曲或螺旋屈曲，甚至会影响到油井顺利施工。
有鉴于此，有必要研发一种水平井冲击式磨鞋工具，以解决现有水平井磨鞋工具存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种水平井冲击式磨鞋工具，该水平井冲击式磨鞋工具能降磨减阻，通过产生轴向振动有效提高了水平井冲击式磨鞋工具的机械钻速。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种水平井冲击式磨鞋工具，包括：上接头、导流机构、扶正机构和磨鞋头，其中，
所述上接头中心设有一通孔；
所述导流机构包括壳体、卡爪以及设置在壳体内的分流帽、主轴、上扶正轴承、涡轮、调整环、导流环、下扶正轴承；所述分流帽一端与主轴连接，另一端穿设于所述通孔内，所述卡爪一端与壳体内的主轴连接；所述上扶正轴承套设在靠近所述分流帽一侧的主轴上，所述下扶正轴承套设在靠近所述卡爪一侧的主轴上，所述上扶正轴承至所述下扶正轴承之间的主轴上依次套设有涡轮、调整环和导流环，所述导流环和所述下扶正轴承相抵接，所述涡轮和所述调整环之间的壳体内还设有内凸块；所述主轴上还设有中心流道和导流旁道，所述中心流道和所述导流旁道连通，所述导流旁道和所述内凸块对应设置；
所述扶正机构包括扶正工具体，所述扶正工具体一端与所述卡爪连接，所述扶正工具体内设有与所述中心流道相连通的通道；
所述磨鞋头一端与所述扶正工具体连接、另一端与硬质合金刀连接，所述磨鞋头内设有与所述通道相连通的喷道，所述磨鞋头的周面以及靠近硬质合金刀的一侧还设有多个喷嘴，所述喷嘴与所述喷道相连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、本发明中高压液体从上接头的通孔进入导流机构，带动涡轮旋转，涡轮带动主轴旋转，主轴在旋转过程中内凸块和导流旁道形成动阀与定阀，从而使内凸块和导流旁道实现周期性的开合，产生周期性的压力脉冲，使水平井冲击式磨鞋工具产生轴向振动，有效提高了水平井冲击式磨鞋工具的机械钻速，达到较好的降阻效果；
2、主轴和磨鞋头通过扶正工具体连接，高压液体从中心流道进入磨鞋头的喷道内，再通过喷嘴冲洗钻磨作业时留下的钻屑，使钻屑尽快排出井筒，而不会卡住磨鞋工具，影响磨鞋工具的机械转速和钻进效率；
3、本发明提供的水平井冲击式磨鞋工具，设计巧妙、使用方便，不仅能降磨减阻，通过产生轴向振动有效提高了水平井冲击式磨鞋工具的机械钻速，还能通过喷嘴解决现有磨鞋工具普遍存在的携岩效果差和施工效率低的问题。
附图说明
图1是本发明水平井冲击式磨鞋工具的结构示意图；
图2是本发明导流机构A-A向剖视图；
图3是本发明的磨鞋头的结构示意图；
图4是本发明的喷嘴的结构示意图。
上图中的标记分别表示：
100-上接头、200-导流机构、300-扶正机构、400-磨鞋头、201-分流帽、202-上扶正轴承、203-涡轮、204-壳体、205-调整环、206-导流环、207-主轴、208-下扶正轴承、209-密封环、210-端盖、211-卡爪、301-扶正工具体、302-扶正凸块、401-喷嘴、402-硬质合金刀、403-导屑槽、204a-内凸块、207a-中心流道、207b-导流旁道、401a-后端喷嘴、401b-斜端喷嘴、401c-前端喷嘴、401d-喷嘴体、401e-挡环和401f-旋流轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1～4为根据本发明提供的水平井冲击式磨鞋工具。
如图1～2所示，该水平井冲击式磨鞋工具包括：上接头100、导流机构200、扶正机构300和磨鞋头400，其中，
上接头100中心设有一通孔(通孔图1中未示出)；
导流机构200包括壳体204、卡爪211以及设置在壳体内的分流帽201、主轴207、上扶正轴承202、涡轮203、调整环205、导流环206、下扶正轴承208；分流帽201一端与主轴207连接，另一端穿设于通孔内，卡爪211一端与壳体内的主轴207连接；上扶正轴承202套设在靠近分流帽201一侧的主轴207上，下扶正轴承208套设在靠近卡爪211一侧的主轴207上，上扶正轴承202至下扶正轴承208之间的主轴上依次套设有涡轮203(由涡轮定子和涡轮转子组成)、调整环205和导流环206，导流环206和下扶正轴承208相抵接，涡轮203和调整环205之间的壳体204内还设有内凸块204a；主轴207上还设有中心流道207a和导流旁道207b，中心流道207a和导流旁道207b连通，导流旁道207b和内凸块204a对应设置；
需要说明的是，调整环205的内壁与主轴207之间的部分为空心，其外壁与壳体204固定连接；导流环206的外壁与壳体204相抵接、内壁与主轴207相抵接，且导流环206的外壁和内壁之间的部分为实心；如此设置使进入导流机构内的高压液体通过调整环205并对导流环产生冲击力，使水平井冲击式磨鞋工具产生轴向的振动。
扶正机构300包括扶正工具体301，扶正工具体301一端与卡爪211连接，扶正工具体301内设有与中心流道207a相连通的通道(通道图1中未示出)；
磨鞋头400一端与扶正工具体301连接、另一端与硬质合金刀402连接，磨鞋头400内设有与通道相连通的喷道(喷道图1中未示出)，磨鞋头400的周面以及靠近硬质合金刀402的一侧还设有多个喷嘴401，喷嘴401与喷道相连通。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，上接头100中心的通孔远离分流帽201一侧的孔径大于靠近分流帽201一侧的孔径，且孔径大的一侧与孔径小的一侧平滑过渡；如此设置以限制高压液体的流入方向，使高压液体进入导流机构，进而带动涡轮转子旋转。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，分流帽201穿设于通孔内的一端为圆台形，分流帽201的另一端与主轴207螺纹连接；以便高压液体沿分流帽的两侧进入导流机构。
图2为根据本发明提供导流机构A-A向剖视图，如图2所示，主轴207沿径向设置了三条均匀分布的导流旁道207b，壳体204内设有三个内凸块204a，且导流旁道207b与内凸块204a一一对应设置。如此设置是为了当主轴旋转时，内凸块和导流旁道之间实现周期性的开合，产生周期性的压力脉冲，使水平井冲击式磨鞋工具产生轴向振动，有效的提高了水平井冲击式磨鞋工具的机械钻速，达到较好的降阻效果。
需要说明的是，内凸块204a的宽度小于导流旁道207b的宽度，以保证在内凸块204a和导流旁道207b闭合时，仍然能有少部分液体能进入中心流道207a中，使磨鞋工具能不间断的工作；内凸块的宽度比导流旁道的宽度小多少，本发明不作进一步的限定，只要能保证在主轴旋转时既能产生周期性的压力脉冲，又能保证磨鞋工具能连续不间断的工作即可，本领域的技术人员可以根据实际使用情况进行调整。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，导流环206靠近调整环205的一侧为斜面；如此设置是为了增大高压液体与导流环的接触面积，进而增大高压液体对导流环的冲击力。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，导流机构还包括密封环209和端盖210，端盖210一侧与壳体204连接、另一侧与卡爪211滑动配合连接；密封环209设置在端盖210和卡爪211之间的区域；如此设置是为了保证导流机构具有较好的密封性，防止高压液体外漏。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，扶正工具体301为变径体，扶正工具体301的外圆周上均匀设有三条扶正凸块302；如此设置能保护油管和水平井冲击式磨鞋工具避免受到刮碰和磨损，使油管和水平井冲击式磨鞋工具与井筒之间的线接触变为点滑动接触，以降低摩擦阻力，同时也达到水平井冲击式磨鞋工具扶正的目的，进而提高下放管柱施工成功率。
图3为本发明的磨鞋头的结构示意图，如图3所示，磨鞋头400上的喷嘴401包括前端喷嘴401c、斜端喷嘴401b和后端喷嘴401a，前端喷嘴401c与斜端喷嘴401b设置在靠近硬质合金刀402的一侧，且前端喷嘴401c与喷道平行设置，斜端喷嘴401b与喷道倾斜设置；后端喷嘴401a设置在磨鞋头400的周面上，并与喷道倾斜设置。如此设置前端喷嘴和斜端喷嘴可以多方面的冲洗钻磨作业留下的钻屑，使钻屑尽快的排出井筒不卡住水平井冲击式磨鞋工具，后端喷嘴可以用在上拉工具时，往井筒口冲洗钻屑，并携带钻屑随着水平井冲击式磨鞋工具一起排出井筒。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，多个硬质合金刀402与磨鞋头400末端固定连接，且沿磨鞋头400末端的圆周面均匀分布。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，磨鞋头400的圆周面上还开设有多条导屑槽403；如此设置使水平井冲击式磨鞋工具在钻磨作业时，方便钻屑通过导屑槽移动到水平井冲击式磨鞋工具旁边，而不影响水平井冲击式磨鞋工具的钻井效率和钻速。
图4为本发明的喷嘴的结构示意图，如图4所示，喷嘴401由喷嘴体401d、挡环401e和旋流轮401f构成，其中，喷嘴体401d与磨鞋头400固定连接，喷嘴体401d的内部通过挡环401e固定安装旋流轮401f，旋流轮401f的一端呈圆弧状，且旋流轮401f的圆周上均设有呈螺旋状分布的多个旋流叶片；如此设置使进入喷嘴的高压液体在旋流轮的引导下喷出的过程中，螺旋状设置的旋流叶片能够促使高压液体形成旋流，进一步加强高压液体的旋流力度，从而达到增强该水平井冲击式磨鞋工具冲洗钻屑，使钻屑有效排出井筒的目的。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，如无特别限定，本发明中的连接为螺纹连接。
工作原理：在水平井冲击式磨鞋工具工作过程中，高压液体从上接头100的通孔进入导流机构，高压液体经过上接头100中的圆弧锥面带动涡轮203旋转，涡轮203带动主轴207旋转，内凸块204a与导流旁道207b形成动阀和定阀，当内凸块204a和导流旁道207b闭合时，高压液体会进入调整环205进而对导流环206产生冲击力，使水平井冲击式磨鞋工具产生轴向的振动；当内凸块204a与导流旁道207b错开时，高压液体接着从主轴207上的导流旁道207b流入中心流道207a；从而在主轴207旋转过程中，使内凸块204a和导流旁道207b之间实现周期性的开合，产生周期性的压力脉冲，使水平井冲击式磨鞋工具产生轴向振动，有效提高了水平井冲击式磨鞋工具的机械钻速，达到较好的降阻效果；主轴207和磨鞋头400通过扶正工具体301连接，主轴207旋转时会带动扶正工具体301和磨鞋头400旋转，且从中心流道207a流出的高压液体会流进扶正工具体301内，进而流进磨鞋头400内，进入前端喷嘴401c、斜端喷嘴401b及后端喷嘴401a，高压液体在旋流轮401f的作用下离心式喷出，使进入喷嘴体401d内部的高压液体呈旋流状态，产生旋流冲洗效果，磨鞋头400旋转钻磨作业时钻屑在旋流高压液体作用下通过导屑槽403移动到水平井冲击式磨鞋工具旁边，导屑槽403提高了钻屑的排出效果。钻磨作业结束后上拉水平井冲击式磨鞋工具，后端喷嘴401a往井筒口冲洗钻屑，并携带钻屑随着水平井冲击式磨鞋工具一起排出井筒。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，包括：上接头、导流机构、扶正机构和磨鞋头，其中，
所述上接头中心设有一通孔；
所述导流机构包括壳体、卡爪以及设置在壳体内的分流帽、主轴、上扶正轴承、涡轮、调整环、导流环、下扶正轴承；所述分流帽一端与主轴连接，另一端穿设于所述通孔内，所述卡爪一端与壳体内的主轴连接；所述上扶正轴承套设在靠近所述分流帽一侧的主轴上，所述下扶正轴承套设在靠近所述卡爪一侧的主轴上，所述上扶正轴承至所述下扶正轴承之间的主轴上依次套设有涡轮、调整环和导流环，所述导流环和所述下扶正轴承相抵接，所述涡轮和所述调整环之间的壳体内还设有内凸块；所述主轴上还设有中心流道和导流旁道，所述中心流道和所述导流旁道连通，所述导流旁道和所述内凸块对应设置；
所述扶正机构包括扶正工具体，所述扶正工具体一端与所述卡爪连接，所述扶正工具体内设有与所述中心流道相连通的通道；
所述磨鞋头一端与所述扶正工具体连接、另一端与硬质合金刀连接，所述磨鞋头内设有与所述通道相连通的喷道，所述磨鞋头的周面以及靠近硬质合金刀的一侧还设有多个喷嘴，所述喷嘴与所述喷道相连通。
2.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述上接头中心的通孔远离所述分流帽一侧的孔径大于靠近所述分流帽一侧的孔径，且孔径大的一侧与孔径小的一侧平滑过渡。
3.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述主轴沿径向设置了三条均匀分布的导流旁道，所述壳体内设有三个内凸块，且所述导流旁道与所述内凸块一一对应设置。
4.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述调整环的内壁与所述主轴之间的部分为空心，所述调整环的外壁与所述壳体固定连接；所述导流环的外壁与壳体相抵接、内壁与主轴相抵接，且所述导流环的外壁和内壁之间的部分为实心。
5.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述导流环靠近所述调整环的一侧为斜面。
6.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述导流机构还包括密封环和端盖，所述端盖一侧与壳体连接、另一侧与卡爪滑动配合连接；所述密封环设置在所述端盖和所述卡爪之间的区域。
7.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述扶正工具体为变径体，所述扶正工具体的外圆周上均匀设有三条扶正凸块。
8.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述磨鞋头上的喷嘴包括前端喷嘴、斜端喷嘴和后端喷嘴，所述前端喷嘴与所述斜端喷嘴设置在靠近硬质合金刀的一侧，且所述前端喷嘴与所述喷道平行设置，所述斜端喷嘴与所述喷道倾斜设置；所述后端喷嘴设置在磨鞋头的周面上，并与喷道倾斜设置。
9.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述磨鞋头的圆周面上还开设有多条导屑槽。
10.根据权利要求1所述的水平井冲击式磨鞋工具，其特征在于，所述喷嘴由喷嘴体、挡环和旋流轮构成，所述喷嘴体与所述磨鞋头固定连接，所述喷嘴体的内部通过挡环固定安装旋流轮，所述旋流轮的一端呈圆弧状，且所述旋流轮的圆周上均设有呈螺旋状分布的多个旋流叶片。
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