CN111236845B - 一种新型随钻扩眼工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型随钻扩眼工具，用于油气田钻井作业随钻扩眼技术领域。其技术方案：上接头下端与上壳体上端螺纹连接，推力轴承置于轴承支撑座上表面，螺旋转轴置于上壳体内，螺旋转轴中部外表面设置螺旋翼，上壳体下端与下壳体上端螺纹连接，下壳体下端与钻头螺纹连接，螺旋转轴下端与齿轮轴上端螺纹连接，齿轮轴下端插入钻头内腔，齿轮轴下端与钻头内腔之间设置有密封装置，齿轮轴上部和下部分别设置两个渐开线齿轮，刀翼用销轴固定在下壳体扶正筋上的通槽外侧，转动支撑体的转轴安装在下壳体扶正筋通槽内侧两端的滑槽内。本发明有效保证井眼直径不缩径，延长了扩眼工具特别是扩眼刀翼的寿命，井眼直径将被扩至更大，实现了二次扩眼功能。

Description

一种新型随钻扩眼工具

技术领域

本发明涉及一种油气田钻井作业领域，特别是随钻扩眼技术领域使用的随钻扩眼工具。

背景技术

随钻扩眼技术是一种具有发展潜力的钻井新技术。所谓随钻扩眼技术就是采用随钻扩眼工具配合常规钻头（PDC钻头或者牙轮钻头）程序，在全面钻进的同时扩大井眼直径的一种钻井技术。随钻扩眼技术有利于深井/超深井小井眼井段固井，可增大生产套管的尺寸，同时利于完井及修井作业。国内外研制并使用的扩眼工具主要有双中心扩眼钻头和液压伸缩式扩眼工具两种；前者是利用双中心扩眼钻头外侧的偏心块在钻头公转下进行扩径，工作可靠但扩径量受到上部井段套管内径的限制。后者是利用具有伸缩性的刀翼实现扩径，上部井段套管内径对扩径量的限制较小，可实现较大位移的扩径，其伸缩方式决定着扩径的可靠性，现有的伸缩式扩眼工具几乎都是靠弹簧和液压方式实现刀翼的伸缩；同时受到井壁岩石软硬程度的影响，扩眼工具的刀翼磨损速度比钻头快，因此随钻扩眼工具与钻头的工作寿命不匹配，当扩眼刀翼磨损后就必须起钻更换新的扩眼刀翼，这样就增加了起下钻次数，即增加了钻井成本。基于上述技术背景，本发明特提供一种新型随钻扩眼工具。

发明内容

本发明的目的是：为了解决液压式随钻扩眼工具存在的部分问题，尽可能提升随钻扩眼工具的工作性能，以获得井径稳定且较大井径的井眼，特提供一种新型随钻扩眼工具。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种新型随钻扩眼工具，由上接头、螺旋转轴、上壳体、推力轴承、下壳体、刀翼、齿轮轴、密封圈、钻头、转动支撑体、压帽、弹簧、定位球和PDC齿组成，其特征是：上接头下端与上壳体上端用螺纹连接，上壳体内腔上部设置有轴承支撑座，推力轴承放置于轴承支撑座上表面，螺旋转轴置于上壳体内，螺旋转轴中部外表面设置有螺旋翼，螺旋翼与上壳体内壁采用间隙配合，螺旋转轴中上部外表面设置有圆形悬挂凸台，悬挂凸台置于推力轴承上表面，内腔中上部设置有过流孔Ⅰ，过流孔Ⅰ连通螺旋转轴的上腔与下腔，螺旋转轴的悬挂凸台设置有过流孔Ⅱ，上接头与螺旋转轴构成的环空和上壳体与螺旋转轴构成的环空通过过流孔Ⅱ连通。上壳体下端与下壳体上端螺纹连接，下壳体下端与钻头螺纹连接，螺旋转轴下端与齿轮轴上端螺纹连接，齿轮轴下端插入钻头内腔，齿轮轴下端与钻头内腔之间设置有密封装置，所述密封装置由O型内密封圈和密封挡圈构成。齿轮轴中心设置有通孔，齿轮轴中部设置有圆柱形定位凸台，在圆柱形定位凸台的外表面设置有一个半球形凹槽；下壳体中部设置有沉头座孔，压帽与沉头座孔外侧螺纹连接，弹簧置于沉头座孔内，弹簧左端与压帽接触，弹簧右端与定位球接触，弹簧处于压缩状态，定位球与齿轮轴的定位凸台外表面接触；齿轮轴上部和下部分别设置有两个渐开线齿轮，其中齿轮轴上部设置上齿轮，齿轮轴下部设置下齿轮。下壳体上部和下部分别设置有扶正筋，扶正筋上设置有通槽连通下壳体的内外腔，扶正筋上的通槽内侧两端设置有滑槽，刀翼外侧设置为圆弧形，刀翼外侧分布有PDC齿，刀翼用销轴固定在下壳体扶正筋上的通槽外侧，刀翼内侧安装有扭簧，使刀翼始终受到径向收拢的弹力，刀翼内侧与凸轮接触；转动支撑体两端设置有转轴，转动支撑体的转轴安装在下壳体扶正筋通槽内侧两端的滑槽内，转动支撑体上端设置有完整的小齿轮，转动支撑体下端外侧设置有凸轮，转动支撑体下端内侧设置有半圈小齿轮，转动支撑体的小齿轮分别与齿轮轴的上齿轮和下齿轮正确外啮合。所述下壳体上部和下部分别周向均匀各设置有三条扶正筋，所述转动支撑体设置有六个，分为上下两组，每组各三个，所述刀翼设置有六个，分为上下两组，每组各三个。

工作时，本发明的上接头上端接钻柱，本发明随钻柱一起旋转并带动下部的钻头进行钻进，高压钻井液进入本发明的内腔，其中一部分钻井液流入螺旋转轴内腔，经过流孔Ⅰ到达钻头内腔，并经钻头水眼流出，另一部分钻井液流入上接头与螺旋转轴构成的环空，并经过流孔Ⅱ作用于螺旋翼，进而推动螺旋转轴产生顺时针旋转，并带动齿轮轴一起顺时针旋转，此时齿轮轴的上齿轮和下齿轮带动小齿轮发生逆时针转动，同时凸轮也伴随小齿轮同步逆时针转动，最终在凸轮的推动下使刀翼产生顺时针旋转并使刀翼外侧逐渐径向伸出，使PDC齿接触前方钻头所形成的井壁；同时下壳体带动刀翼整体做顺时针旋转钻进，刀翼外侧的PDC齿逐步将前方钻头所钻井眼进行扩径。

本发明与现有技术比较，具有以下有益效果：（1）有效保证扩眼工具所扩井眼直径不缩径，同时有效延长了扩眼工具特别是扩眼刀翼的寿命；（2）钻头所钻井眼经过上下两组刀翼连续扩径后，井眼直径将被扩至更大，实现了二次扩眼功能；（3）操作简单，液压工作方式可靠。

附图说明

图1为本发明随钻扩眼工具工作前的整体结构示意图。

图2为本发明随钻扩眼工具工作时的结构示意图。

图3为图1的A—A剖视图。

图4为图1的B—B剖视图。

图5为图2的C—C剖视图。

图6为图2的D—D剖视图。

图7为本发明螺旋转轴的结构示意图。

图中：1—上接头，2—螺旋转轴，3—上壳体，4—推力轴承，5—下壳体，6—刀翼，7—齿轮轴，8—密封装置，9—钻头，10—转动支撑体，11—压帽，12—弹簧，13—定位球，14—PDC齿，2a—过流孔Ⅰ，2b—悬挂凸台，2c—螺旋翼，2d—过流孔Ⅱ，3a—轴承支撑座，7a—上齿轮，7b—下齿轮，10a—小齿轮，10b—凸轮。

具体实施方式

如图1～图7所示，一种新型随钻扩眼工具，由上接头、螺旋转轴、上壳体、推力轴承、下壳体、刀翼、齿轮轴、密封圈、钻头、转动支撑体、压帽、弹簧、定位球和PDC齿组成，其特征是：上接头1下端与上壳体3上端用螺纹连接，上壳体3内腔上部设置有轴承支撑座3a，推力轴承4放置于轴承支撑座3a上表面，螺旋转轴2置于上壳体3内，螺旋转轴2中部外表面设置有螺旋翼2c，螺旋翼2c与上壳体3内壁采用间隙配合，螺旋转轴2中上部外表面设置有圆形悬挂凸台2b，悬挂凸台2b置于推力轴承4上表面，内腔中上部设置有过流孔Ⅰ2a，过流孔Ⅰ2a连通螺旋转轴2的上腔与下腔，螺旋转轴2的悬挂凸台2b设置有过流孔Ⅱ2d，上接头1与螺旋转轴2构成的环空和上壳体3与螺旋转轴2构成的环空通过过流孔Ⅱ2d连通；

上壳体3下端与下壳体5上端螺纹连接，下壳体5下端与钻头9螺纹连接，螺旋转轴2下端与齿轮轴7上端螺纹连接，齿轮轴7下端插入钻头9内腔，齿轮轴7下端与钻头9内腔之间设置有密封装置8，密封装置8由O型内密封圈和密封挡圈构成。

齿轮轴7中心设置有通孔，齿轮轴7中部设置有圆柱形定位凸台，在圆柱形定位凸台的外表面设置有一个半球形凹槽；下壳体5中部设置有沉头座孔，压帽11与沉头座孔外侧螺纹连接，弹簧12置于沉头座孔内，弹簧12左端与压帽11接触，弹簧12右端与定位球13接触，弹簧12处于压缩状态，定位球13与齿轮轴7的定位凸台外表面接触；齿轮轴7上部和下部分别设置有两个渐开线齿轮，其中齿轮轴7上部设置上齿轮7a，齿轮轴7下部设置下齿轮7b；

下壳体5上部和下部分别周向均匀各设置有三条扶正筋，每条扶正筋上设置有通槽连通下壳体5的内外腔，扶正筋上的通槽内侧两端设置有滑槽，刀翼6设置有六个，分为上下两组，每组各三个，刀翼6外侧设置为圆弧形，刀翼6外侧分布有PDC齿14，刀翼6用销轴固定在下壳体5扶正筋上的通槽外侧，刀翼6内侧安装有扭簧，使刀翼6始终受到径向收拢的弹力，刀翼6内侧与凸轮10b接触；转动支撑体10设置有六个，分为上下两组，每组各三个，转动支撑体10两端设置有转轴，转动支撑体10的转轴安装在下壳体5扶正筋通槽内侧两端的滑槽内，转动支撑体10上端设置有完整的小齿轮10a，转动支撑体10下端外侧设置有凸轮10b，转动支撑体10下端内侧设置有半圈小齿轮10a，转动支撑体10的小齿轮10a分别与齿轮轴7的上齿轮7a和下齿轮7b正确外啮合。

本发明的工作原理是：本发明的上接头1上端接钻柱并下入井内，工作时，本发明随钻柱一起旋转并带动下部的钻头9在地层中进行钻进，高压钻井液进入本发明的内腔，其中一部分钻井液流入螺旋转轴2内腔，经过流孔Ⅰ2a到达钻头9内腔，并经钻头水眼流出；另一部分钻井液流入上接头1与螺旋转轴2构成的环空，经过流孔Ⅱ2d进入上壳体3与螺旋转轴2构成的环空，并作用于螺旋翼2c表面，进而推动螺旋转轴2产生顺时针旋转运动，并带动齿轮轴7一起顺时针旋转，此时齿轮轴7的上齿轮7a和下齿轮7b带动小齿轮10a发生逆时针转动，同时凸轮10b也伴随小齿轮10a同步逆时针转动，最终在凸轮10b的推动下使刀翼6产生顺时针旋转并使刀翼6外侧逐渐径向伸出，使PDC齿14接触前方钻头9所形成的井壁；同时下壳体5带动刀翼6整体做顺时针旋转钻进，刀翼6外侧的PDC齿14逐步将前方钻头9所钻井眼进行扩径。

本发明共设置有上下两组扩眼刀翼，通过改变上齿轮7a与小齿轮10a的传动比，可实现两种不同效果的扩眼功能；其中第一种使用效果为：当把上齿轮7a与小齿轮10a的传动比和下齿轮7b与小齿轮10a的传动比设置相等时，齿轮轴7转动一定角度后，上下两组小齿轮10a转动的角度相等，因此凸轮10b推动上下两组刀翼6转动的角度也相等，所以上下两组刀翼6外侧的PDC齿14扩眼直径相等；此时，当下部刀翼的PDC齿扩眼产生磨损后，上部刀翼的PDC齿可持续进行扩眼，从而有效保证扩眼工具所扩井眼直径不缩径，同时也有效延长了扩眼工具特别是扩眼刀翼的寿命。第二种使用效果为：当上齿轮7a与小齿轮10a的传动比大于下齿轮7b与小齿轮10a的传动比时，齿轮轴7转动一定角度后，上部小齿轮10a转动的角度将大于下部小齿轮10a转动的角度，因此凸轮10b推动上部刀翼6转动的角度会大于下部刀翼6转动的角度，即上部刀翼6外侧的PDC齿14扩眼直径将大于下部刀翼6外侧PDC齿14的扩眼直径，前方钻头9所钻井眼经过上下两组刀翼连续扩径后，井眼直径将被扩至更大，从而实现了二次扩眼功能。

Claims (3)

1.一种新型随钻扩眼工具，由上接头、螺旋转轴、上壳体、推力轴承、下壳体、刀翼、齿轮轴、密封圈、钻头、转动支撑体、压帽、弹簧、定位球和PDC齿组成，其特征是：上接头（1）下端与上壳体（3）上端用螺纹连接，上壳体（3）内腔上部设置有轴承支撑座（3a），推力轴承（4）放置于轴承支撑座（3a）上表面，螺旋转轴（2）置于上壳体（3）内，螺旋转轴（2）中部外表面设置有螺旋翼（2c），螺旋翼（2c）与上壳体（3）内壁采用间隙配合，螺旋转轴（2）中上部外表面设置有圆形悬挂凸台（2b），悬挂凸台（2b）置于推力轴承（4）上表面，内腔中上部设置有过流孔Ⅰ（2a），过流孔Ⅰ（2a）连通螺旋转轴（2）的上腔与下腔，螺旋转轴（2）的悬挂凸台（2b）设置有过流孔Ⅱ（2d），上接头（1）与螺旋转轴（2）构成的环空和上壳体（3）与螺旋转轴（2）构成的环空通过过流孔Ⅱ（2d）连通；

上壳体（3）下端与下壳体（5）上端螺纹连接，下壳体（5）下端与钻头（9）螺纹连接，螺旋转轴（2）下端与齿轮轴（7）上端螺纹连接，齿轮轴（7）下端插入钻头（9）内腔，齿轮轴（7）下端与钻头（9）内腔之间设置有密封装置（8）；

齿轮轴（7）中心设置有通孔，齿轮轴（7）中部设置有圆柱形定位凸台，在圆柱形定位凸台的外表面设置有一个半球形凹槽；下壳体（5）中部设置有沉头座孔，压帽（11）与沉头座孔外侧螺纹连接，弹簧（12）置于沉头座孔内，弹簧（12）左端与压帽（11）接触，弹簧（12）右端与定位球（13）接触，弹簧（12）处于压缩状态，定位球（13）与齿轮轴（7）的定位凸台外表面接触；齿轮轴（7）上部和下部分别设置有两个渐开线齿轮，其中齿轮轴（7）上部设置上齿轮（7a），齿轮轴（7）下部设置下齿轮（7b）；

下壳体（5）上部和下部分别设置有扶正筋，扶正筋上设置有通槽连通下壳体（5）的内外腔，扶正筋上的通槽内侧两端设置有滑槽，刀翼（6）外侧设置为圆弧形，刀翼（6）外侧分布有PDC齿（14），刀翼（6）用销轴固定在下壳体（5）扶正筋上的通槽外侧，刀翼（6）内侧安装有扭簧，使刀翼（6）始终受到径向收拢的弹力，刀翼（6）内侧与凸轮（10b）接触；转动支撑体（10）两端设置有转轴，转动支撑体（10）的转轴安装在下壳体（5）扶正筋通槽内侧两端的滑槽内，转动支撑体（10）上端设置有完整的小齿轮（10a），转动支撑体（10）下端外侧设置有凸轮（10b），转动支撑体（10）下端内侧设置有半圈小齿轮（10a），转动支撑体（10）的小齿轮（10a）分别与齿轮轴（7）的上齿轮（7a）和下齿轮（7b）正确外啮合；

工作时，本发明的上接头（1）上端接钻柱，本发明随钻柱一起旋转并带动下部的钻头（9）进行钻进，高压钻井液进入本发明的内腔，其中一部分钻井液流入螺旋转轴（2）内腔，经过流孔Ⅰ（2a）到达钻头（9）内腔，并经钻头水眼流出，另一部分钻井液流入上接头（1）与螺旋转轴（2）构成的环空，并经过流孔Ⅱ（2d）作用于螺旋翼（2c），进而推动螺旋转轴（2）产生顺时针旋转，并带动齿轮轴（7）一起顺时针旋转，此时齿轮轴（7）的上齿轮（7a）和下齿轮（7b）带动小齿轮（10a）发生逆时针转动，同时凸轮（10b）也伴随小齿轮（10a）同步逆时针转动，最终在凸轮（10b）的推动下使刀翼（6）产生顺时针旋转并使刀翼（6）外侧逐渐径向伸出，使PDC齿（14）接触前方钻头（9）所形成的井壁；同时下壳体（5）带动刀翼（6）整体做顺时针旋转钻进，刀翼（6）外侧的PDC齿（14）逐步将前方钻头（9）所钻井眼进行扩径。

2.根据权利要求1所述的一种新型随钻扩眼工具，其特征是：所述下壳体（5）上部和下部分别周向均匀各设置有三条扶正筋；所述转动支撑体（10）设置有六个，分为上下两组，每组各三个；所述刀翼（6）设置有六个，分为上下两组，每组各三个。

3.根据权利要求1所述的一种新型随钻扩眼工具，其特征是：所述密封装置（8）由O型内密封圈和密封挡圈构成。

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