CN112081529A - 一种投球控制的多次激发随钻扩眼器 - Google Patents

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吴小雄
樊春明
王德贵
闫静
游娜
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Baoji Oilfield Machinery Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，包括依次连接的壳体、下壳体、下接头，壳体内自上而下依次设置有上盖、芯轴、球座，芯轴外壁自上而下依次套接有第一弹性限位机构、活塞，第一弹性限位机构与活塞之间设置有刀翼；壳体上设置有喷嘴；球座外套接有球座套；球座套底部连接有下端腔，且下端腔固定在壳体内壁上，下端腔内侧设置有换位活塞；换位活塞上还开设有换位槽，下端腔上设置有换位销钉，换位销钉伸入换位槽内。根据投入球的数量，确定刀翼激发状态，与泵的排量大小、开关次数无关，避免排量不稳定、接钻杆时停泵次数多导致无法正确判断刀翼状态的问题。

Description

一种投球控制的多次激发随钻扩眼器
技术领域
本发明属于钻井工具技术领域，涉及一种投球控制的多次激发随钻扩眼器。
背景技术13
随着石油天然气钻完井技术的发展，面临着越来越复杂的地质问题，常遇到复杂地层缩径卡钻、盐层蠕变缩径、钻屑沉积、井壁形成虚泥饼等。随钻扩眼技术作为处理这些复杂情况一种非常有效的手段，就是利用随钻扩眼工具和常规钻头，实现全面钻进的同时扩大井眼的一种技术。随钻扩眼技术能节约起下钻次数，提高钻井效率，可有效解决日益凸显的深部地层和盐膏层钻探难题。
目前随钻扩眼器的主流型式是只能单次激发的随钻扩眼器，只能进行单井段扩眼，对于处置需要多井段扩眼的:“糖葫芦井”(同一井位多井段发生间隔性缩径)问题，只能多次起下钻来完成作业。
目前应用的另外一种流量控制多次激发随钻扩眼器，是利用流量的开启、关闭以及流量大小的转换来实现刀翼的开启与关闭。实际钻进过程中，接钻杆时的开、停泵次数多，排量波动大，都会导致无法正确判断刀翼的激发状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，解决了现有技术中存在的多次激发随钻扩眼器无法判断刀翼的激发状态的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，包括依次连接的壳体、下壳体、下接头，壳体侧面开设有开窗，壳体内自上而下依次设置有上盖、芯轴、球座，芯轴外壁自上而下依次套接有第一弹性限位机构、活塞，第一弹性限位机构与活塞之间设置有刀翼，刀翼活动连接在开窗上，活塞外套接有驱动机构；壳体上设置有喷嘴，喷嘴位于驱动机构下方；球座外套接有球座套，球座套与活塞相抵接；球座套底部连接有下端腔，且下端腔固定在壳体内壁上，下端腔内侧设置有换位活塞，换位活塞、下端腔上分别开设有相适配的第一通孔、第二圆孔；换位活塞上还开设有换位槽，下端腔上设置有换位销钉，换位销钉伸入换位槽内；下壳体内自上而下设置有第二弹性限位机构、球篮，第二弹性限位机构位于换位活塞下方。
本发明的特点还在于：
换位槽的形状为波形，由多个凹槽绕换位活塞圆周依次连接而成。
第一弹性限位机构包括弹簧腔，弹簧腔位于芯轴与壳体之间，弹簧腔连接在上盖底部；弹簧腔设置有复位弹簧，弹簧腔内壁开设有与复位弹簧相适配的限位凹槽，复位弹簧套接在芯轴外壁上，弹簧腔底部活动套接有弹簧保护盖，芯轴外还套接有止动环，弹簧保护盖固定于止动环上方。
驱动机构包括相适配的驱动环、驱动环锁块，驱动环、驱动环锁块套接在活塞外，驱动环位于驱动环锁块上方。
开窗侧壁上设置有斜槽，刀翼与斜槽上滑动连接。
换位活塞包括第一圆柱、第二圆柱，第一圆柱外径小于第二圆柱外径，第一通孔位于第一圆柱上，换位槽位于第二圆柱上；下端腔与换位活塞之间固定有限位筒，限位筒一端与球座套抵接，另一端抵接在第二圆柱上端。
换位活塞与第二弹性限位机构之间设置有轴承。
第二弹性限位机构包括弹簧轴，弹簧轴外套接有弹簧，下壳体内设置有第一台阶，弹簧轴位于第一台阶上方，弹簧轴伸入轴承内。
球座形状为圆柱形，球座外壁上开设有长形孔，球座底部连接有卡爪结构，卡爪结构包括多个卡爪，相邻两个所述卡爪之间设置有割缝，割缝与长形孔连通。
限位筒的形状为圆柱形，限位筒包括上限位筒、下限位筒，上限位筒内径小于下限位筒内径。
本发明的有益效果是：
本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，通过换位销钉沿换位活塞的运动，改变刀翼的激发状态；根据投入球的数量，确定刀翼激发状态，与泵的排量大小、开关次数无关，避免排量不稳定、接钻杆时停泵次数多导致无法正确判断刀翼状态的问题；一趟钻完成对地层的多井段扩眼，在球篮装满前无需起下钻作业，能节约非钻进时间，降低钻井成本。
附图说明
图1是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器刀翼关闭状态的结构示意图；
图2是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器中下端腔的剖视图；
图3是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器中换位活塞的结构示意图；
图4是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器中球座的剖视图；
图5是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器中限位筒的剖视图；
图6是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器中换位槽的结构示意图；
图7是本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器刀翼打开状态的结构示意图。
图中，1.壳体，2.下壳体，3.下接头，4.开窗，5.限位凹槽，6.弹簧腔，7.上盖，8.芯轴，9.球座，10.换位活塞，11.刀翼，12.活塞，13.喷嘴，14.球座套，15.下端腔，16.第一通孔，17.第二圆孔，18.换位槽，1801.第一人形槽，1802.第二人形槽，1803.第三人形槽，1804.第四人形槽，19.换位销钉，20.复位弹簧，21.弹簧保护盖，22.止动环，23.驱动环，24.驱动环锁块，25.斜槽，26.第一圆柱，27.第二圆柱，28.限位筒，28-1.上限位筒，28-2.下限位筒，29.轴承，30.弹簧，31.第一台阶，32.球篮，33.长形孔，34.卡爪，35.割缝，36.弹簧轴，37.第二台阶，38.安装销，39.螺塞。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，如图1所示，包括依次连接的壳体1、下壳体2、下接头3，壳体1两侧开设有开窗4；壳体1内自上而下依次设置有上盖7、芯轴8、球座9，上盖7通过安装销38和螺塞39限位于壳体1内，芯轴8外壁自上而下依次套接有第一弹性限位机构、活塞12，第一弹性限位机构与活塞12之间设置有刀翼11，开窗4上设置有斜槽25，刀翼11沿斜槽25滑动，活塞12外套接有驱动机构，第一弹性限位机构位于上盖7下方；壳体1上设置有喷嘴13，喷嘴13位于驱动机构下方；球座9外套接有球座套14，活塞12的截面为凸字形，球座套14伸入活塞12内侧，对活塞12进行限位；如图2所示，球座套14底部连接有下端腔15，且下端腔15固定在壳体1内壁上，下端腔15内侧设置有换位活塞10，如图3所示，换位活塞10、下端腔15上分别开设有相适配的第一通孔16、第二圆孔17；换位活塞10上还开设有换位槽18，下端腔15上设置有换位销钉19，换位销钉19伸入换位槽18内，换位活塞10转动、上下移动时，换位销钉19沿换位槽18运动；下壳体2内自上而下设置有第二弹性限位机构、球篮32，第二弹性限位机构位于换位活塞10下方。
换位槽18的形状为波形，由多个凹槽绕换位活塞10圆周依次连接而成，每个凹槽包括依次连接的第一人形槽1801、第二人形槽1802、第三人形槽1803、第四人形槽1804，第二人形槽1802、第四人形槽1804开口方向与第一人形槽1801、第三人形槽1803相反，第一人形槽1801、第二人形槽1802、第三人形槽1803、第四人形槽1804均由直线槽与斜槽连接而成，直线槽与换位活塞10轴心平行，第四人形槽1804的直线槽长度大于第一人形槽1801、第二人形槽1802、第三人形槽1803的直线槽。初始状态下，使换位销钉19位于第四人形槽1804的直线槽自由端点a处。相邻两个第四人形槽1804之间的分布间隔角度为θ，第二人形槽1802与第四人形槽1804之间的分布间隔度数为θ/2。
第一弹性限位机构包括弹簧腔6，弹簧腔6位于芯轴8与壳体1之间，弹簧腔6连接在上盖7底部；弹簧腔6内设置有复位弹簧20，复位弹簧20套接在芯轴8外壁上，弹簧腔6底部内壁有与复位弹簧20相适配的限位凹槽5，复位弹簧20压缩后单圈直径增大，复位弹簧20伸入限位凹槽5内，阻止活塞12向上运动；弹簧腔6底部活动套接有弹簧保护盖21，弹簧保护盖21能沿弹簧腔6运动；芯轴8外还套接有止动环22，弹簧保护盖21固定于止动环22上方。
驱动机构包括相适配的驱动环23、驱动环锁块24，驱动环23、驱动环锁块24套接在活塞12外，驱动环23位于驱动环锁块24上方；活塞12、驱动环23共同推动刀翼11向上运动。
换位活塞10包括第一圆柱26、第二圆柱27，第一圆柱外径26小于第二圆柱27外径，第一通孔16位于第一圆柱上，换位槽18位于第二圆柱27上；下端腔15与换位活塞10之间固定有限位筒28，限位筒28一端与球座套14抵接，另一端抵接在第二圆柱27上端。
换位活塞10与第二弹性限位机构之间设置有轴承29。轴承29为推力轴承。
第二弹性限位机构包括弹簧轴36，弹簧轴36外套接有弹簧30，下壳体2内设置有第一台阶31，弹簧轴36位于第一台阶31上方，弹簧轴36伸入轴承29内，轴承29位于弹簧30上方。
如图4所示，球座9的形状为圆柱形，球座9外壁上开设有长形孔33，球座9底部连接有卡爪结构，卡爪结构包括多个卡爪34，多个卡爪34沿球座9圆周依次排列，相邻两个卡爪34之间设置有割缝35，割缝35与长形孔33连通。
如图5所示，限位筒28的形状为圆柱形，限位筒28包括上限位筒28-1、下限位筒28-2，上限位筒28-1内径小于下限位筒28-2内径。
球篮32内设置有第二台阶37，第二台阶37阻止球的下落；球篮32侧壁上均匀开设有多个通孔。球篮32的长度可根据需要回收球的个数改变。
本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器的工作过程如下：
当刀翼11未开启或者关闭状态，见图1，即投球个数为偶数(包括零)时，此时刀翼11未伸出，完全藏于开窗4内，此时流体全部经中心通道沿着箭头A101、箭头B102、箭头C103和箭头D104向下流动至钻头处，此时扩眼器的作用相当于一根钻杆。
流体沿着箭头E201、箭头F202向下流动，投球数量为奇数个时，球利用自重或者随钻井液流动下落至卡爪34处，在球座9处憋压推动下方换位活塞10、轴承29周向转动并向下移动，同时弹簧30被压缩，卡爪34向限位筒28底部运动，如图6所示，该过程中换位销钉19沿换位槽18移动从关闭点a处(第四人形槽1804的直线槽自由端)沿着箭头N301和箭头O302方向移动到复位点b处(第三人形槽1803的直线槽自由端)；此时卡爪34到达限位筒28底部扩径处，卡爪34张开，球继续沿中心通道落入球篮32中，被球篮32内第二台阶37卡住，与此同时弹簧30恢复，推动轴承29、换位活塞10周向转动和向上移动，推动球座9也向上移动；该过程中换位销钉19沿着换位槽18继续移动，从复位点b处沿着箭头P303和箭头Q(304)方向移动到开启点c处(第二人形槽1802的直线槽自由端)，此时第一通孔16、第二圆孔17对齐，实现旁通流道的打开，部分流体沿着箭头K(205)和箭头M(207)流至旁通通道内，再由流体推动活塞12向上移动，从而推动刀翼11沿两侧斜槽向上外侧滑动伸出壳体1外，实现刀翼的开启；此时弹簧保护盖21沿弹簧腔6向上运动，复位弹簧20被压缩。该部分流体会沿着箭头L(206)经喷嘴13喷出至井眼环空内，冲刷冷却刀翼，防止泥包，加速井筒环空的返液流速带出岩屑；另一部分流体继续经中心通道沿着箭头G(203)和箭头H(204)向下流动至钻头处。如果此时停泵，再开泵，没有投球，随钻扩眼器刀翼状态不改变，继续是开启状态，如图7所示。
在刀翼开启时，再次投入球，同样球在球座9处憋压推动下方换位活塞10、轴承29周向转动并向下移动，同时弹簧30被压缩，卡爪34向限位筒28底部运动，该过程中换位销钉19沿换位槽18移动从开启点c处(第二人形槽1802的直线槽自由端)沿着箭头R(305)和箭头S(306)方向移动到复位点d处(第一人形槽1801的直线槽自由端)；此时卡爪34到达限位筒28底部扩径处，卡爪34张开，球继续沿中心通道落入球篮32中，被球篮32内第二台阶37卡住，与此同时弹簧30恢复，推动轴承29、换位活塞10周向转动和向上移动，推动球座9也向上移动；该过程中换位销钉19沿着换位槽18继续移动，从复位点d处沿着箭头T(307)、箭头U(308)和箭头V(309)方向移动到关闭点e处(相邻凹槽的第四人形槽1804直线槽自由端)，此时第一通孔16、第二圆孔17错开，旁通流道关闭，复位弹簧20恢复，推动刀翼11沿斜槽25向下内侧滑动缩回，实现刀翼11的关闭。此时就是图1所示的刀翼关闭状态。如果此时停泵，再开泵，没有投球，随钻扩眼器刀翼状态不改变，继续是关闭状态。
通过以上方式，本发明一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，通过换位销钉沿换位活塞的运动，改变刀翼的激发状态；根据投入球的数量，确定刀翼激发状态，与泵的排量大小、开关次数无关，避免排量不稳定、接钻杆时停泵次数多导致无法正确判断刀翼状态的问题；一趟钻完成对地层的多井段扩眼，在球篮装满前无需起下钻作业，能节约非钻进时间，降低钻井成本。

Claims (10)

1.一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，包括依次连接的壳体(1)、下壳体(2)、下接头(3)，所述壳体(1)侧面开设有开窗(4)，所述壳体(1)内自上而下依次设置有上盖(7)、芯轴(8)、球座(9)，其特征在于，所述芯轴(8)外壁自上而下依次套接有第一弹性限位机构、活塞(12)，所述第一弹性限位机构与活塞(12)之间设置有刀翼(11)，所述刀翼(11)活动连接在开窗(4)上，所述活塞(12)外套接有驱动机构；所述壳体(1)上设置有喷嘴(13)，所述喷嘴(13)位于驱动机构下方；所述球座(9)外套接有球座套(14)，所述球座套(14)与活塞(12)相抵接；所述球座套(14)底部连接有下端腔(15)，且所述下端腔(15)固定在壳体(1)内壁上，所述下端腔(15)内侧设置有换位活塞(10)，所述换位活塞(10)、下端腔(15)上分别开设有相适配的第一通孔(16)、第二圆孔(17)；所述换位活塞(10)上还开设有换位槽(18)，所述下端腔(15)上设置有换位销钉(19)，所述换位销钉(19)伸入换位槽(18)内；所述下壳体(2)内自上而下设置有第二弹性限位机构、球篮(32)，所述第二弹性限位机构位于换位活塞(10)下方。
2.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述换位槽(18)的形状为波形，由多个凹槽绕换位活塞(10)圆周依次连接而成。
3.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述第一弹性限位机构包括弹簧腔(6)，所述弹簧腔(6)位于芯轴(8)与壳体(1)之间，所述弹簧腔(6)连接在上盖(7)底部；所述弹簧腔(6)设置有复位弹簧(20)，所述弹簧腔(6)内壁开设有与复位弹簧(20)相适配的限位凹槽(5)，所述复位弹簧(20)套接在芯轴(8)外壁上，所述弹簧腔(6)底部活动套接有弹簧保护盖(21)，所述芯轴(8)外还套接有止动环(22)，所述弹簧保护盖(21)固定于止动环(22)上方。
4.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述驱动机构包括相适配的驱动环(23)、驱动环锁块(24)，所述驱动环(23)、驱动环锁块(24)套接在活塞(12)外，所述驱动环(23)位于驱动环锁块(24)上方。
5.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述开窗(4)侧壁上设置有斜槽(25)，所述刀翼(11)与斜槽(25)上滑动连接。
6.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述换位活塞(10)包括第一圆柱(26)、第二圆柱(27)，所述第一圆柱外径(26)小于第二圆柱(27)外径，所述第一通孔(16)位于第一圆柱上，所述换位槽(18)位于第二圆柱(27)上；所述下端腔(15)与换位活塞(10)之间固定有限位筒(28)，所述限位筒(28)一端与球座套(14)抵接，另一端抵接在第二圆柱(27)上端。
7.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述换位活塞(10)与第二弹性限位机构之间设置有轴承(29)。
8.根据权利要求7所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述第二弹性限位机构包括弹簧轴(36)，所述弹簧轴(36)外套接有弹簧(30)，所述下壳体(2)内设置有第一台阶(31)，所述弹簧轴(36)位于第一台阶(31)上方，所述弹簧轴(36)伸入轴承(29)内。
9.根据权利要求1所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述球座(9)的形状为圆柱形，所述球座(9)外壁上开设有长形孔(33)，所述球座(9)底部连接有卡爪结构，所述卡爪结构包括多个卡爪(34)，相邻两个所述卡爪(34)之间设置有割缝(35)，所述割缝(35)与长形孔(33)连通。
10.根据权利要求9所述的一种投球控制的多次激发随钻扩眼器，其特征在于，所述限位筒(28)的形状为圆柱形，所述限位筒(28)包括上限位筒(28-1)、下限位筒(28-2)，所述上限位筒(28-1)内径小于下限位筒(28-2)内径。
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