CN112282652B

CN112282652B - 一种偏心式旋冲扩眼工具

Info

Publication number: CN112282652B
Application number: CN202011366893.3A
Authority: CN
Inventors: 孔春岩; 朱容军; 王国军; 张均富; 李双双; 赵国尧
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: CN112282652A

Abstract

本发明涉及一种石油天然气行业随钻扩眼领域用的偏心式旋冲扩眼工具。它解决现有随钻扩眼工具扩眼刀翼故障率高，钻井效率低的问题。其技术方案是：上接头上端内部设置有管螺纹，上接头下端与上壳体上端螺纹连接，上壳体下端与中接头上端螺纹连接，中接头下端与下壳体上端螺纹连接，下壳体下端与锁紧帽上端螺纹连接；橡胶定子固定在上壳体内壁，螺旋转子置于橡胶定子内腔；上心轴外圆下部齿轮和齿轮连接筒内腔的上齿圈啮合，变速齿轮外圆上部齿轮和齿轮连接筒内腔的下齿圈啮合；钢球在下心轴外圆中部的圆柱凸轮槽内周向滚动，下心轴周向转动的同时，产生轴向往复运动。本发明下心轴为偏心轴输出，配合偏心钻头，达到随钻扩眼作业的目的。

Description

一种偏心式旋冲扩眼工具

技术领域

本发明涉及一种石油天然气行业随钻扩眼领域用的偏心式旋冲扩眼工具。

背景技术

随钻扩眼技术是利用扩眼工具，在钻进的同时扩大裸眼段尺寸，使其大于上部套管串内径的一种钻井技术。该技术减少了起下钻次数，随钻扩眼技术在深井、超深井、小间隙井和侧钻井等复杂井领域具有广阔的应用前景，在处理井下复杂情况、降低钻井综合成本、提高建井质量和安全性等方面具有显著优势。

目前使用的随钻工具结构大多均采用扩眼工具进行扩眼，其在常规钻头后端连接随钻扩眼工具，利用上提下放钻柱，或者液压方式控制扩眼刀翼张开，实现扩眼作业。而活动式的扩眼刀翼结构，传动结构复杂，运动件直接暴露在井眼环空恶劣的工况下，故障率高，难于维护；活动式的扩眼刀翼，也存在强度低，磨损快等问题，钻井效率低下。

针对现有随钻扩眼工具存在的问题，本发明特提供一种偏心式旋冲扩眼工具，其不需要活动式扩眼刀翼结构，克服了活动式扩眼刀翼结构存在的问题。

发明内容

本发明的目的是：为了解决现有随钻扩眼工具扩眼刀翼故障率高，钻井效率低的问题，特提供一种偏心式旋冲扩眼工具。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种偏心式旋冲扩眼工具，是由上接头、推力轴承a、螺旋转子、橡胶定子、上壳体、中接头、万向轴、上心轴、轴承端盖、轴承a、上轴承座、上偏心环、轴承b、下壳体、滚珠、推力轴承b、齿轮连接筒、变速齿轮、钢球、套杯、轴承c、下偏心环、下轴承座、轴承d、锁紧帽和下心轴构成。其特征是：上接头上端内部设置有管螺纹，上接头下端与上壳体上端螺纹连接，上壳体下端与中接头上端螺纹连接，中接头下端与下壳体上端螺纹连接，下壳体下端与锁紧帽上端螺纹连接。

橡胶定子固定在上壳体内壁，螺旋转子置于橡胶定子内腔，螺旋转子外圆中部设置有螺旋棱，螺旋转子上部设置有支撑台，在支撑台圆周方向均匀分布有多个过流孔，上壳体内腔中上部设置有一环形凸台，推力轴承a安装在该环形凸台上，支撑台坐落于推力轴承a上端面；螺旋转子下端与万向轴上端螺纹连接，万向轴下端与上心轴上端螺纹连接，上心轴下端与下心轴上端螺纹连接，下心轴下端内部设置有管螺纹；上心轴上部沿周向均布有两个通孔，这两个通孔连通上心轴的外部和内腔，上心轴内腔下端周向均匀设置三～六个半球滑槽，上心轴外圆下部设置为渐开线齿轮，齿数为Z1；齿轮连接筒置于下壳体内腔，齿轮连接筒内腔上部设置有渐开线齿廓的上齿圈，齿轮连接筒内腔中部设置有线齿廓的下齿圈，上齿圈的齿数为Z2，下齿圈的齿数为Z3。

上偏心环内腔设置为偏心孔，轴承b安装在上偏心环内腔偏心孔内，下偏心环内腔设置为偏心孔，轴承c安装在下偏心环内腔偏心孔内；上偏心环安装在齿轮连接筒内腔上部，下偏心环安装在齿轮连接筒内腔下部，上偏心环内腔偏心孔和下偏心环内腔偏心孔轴线对齐；上轴承座下端与齿轮连接筒上端螺纹连接，轴承a安装在上轴承座外圆上，轴承a外圆与下壳体内腔上部配合，下轴承座上端与齿轮连接筒下端螺纹连接，轴承d安装在下轴承座外圆上，轴承d外圆与下壳体内腔下部配合，轴承端盖与上轴承座上端螺纹连接；下心轴外圆上部周向均匀设置有三～六个半球槽，下心轴外圆中部设置有一圈圆柱凸轮槽，下心轴上端置于上心轴内腔下部，滚珠安装在下心轴外圆上部的三～六个半球槽和上心轴内腔下端三～六个半球滑槽形成的空腔内；变速齿轮外圆上部设置为渐开线齿轮，齿数为Z4，变速齿轮下部圆柱面设置有一径向通孔，变速齿轮套在下心轴外圆中部，钢球同时置于变速齿轮下部径向通孔和下心轴外圆中部的圆柱凸轮槽内，套杯套在变速齿轮外圆下部；上心轴和变速齿轮之间安装有推力轴承b。

所述上心轴外圆下部的齿轮和齿轮连接筒内腔上部的上齿圈啮合，变速齿轮外圆上部的齿轮和齿轮连接筒内腔中部的下齿圈啮合；上心轴齿轮的齿数Z1和变速齿轮齿轮的齿数Z4、齿轮连接筒内腔上齿圈的齿数Z2以及齿轮连接筒内腔下齿圈的齿数Z3之间存在关系为（Z1*Z3）/（Z2*Z4）≠1；下心轴和上心轴的转速相同，下心轴和变速齿轮的转速不同，钢球可在下心轴外圆中部的圆柱凸轮槽内周向滚动，下心轴在周向转动的同时，产生轴向往复运动，轴向往复运动的频次和周向转动的转数之比为1-（Z1*Z3）/（Z2*Z4）。

所述下心轴和上心轴之间设置有密封装置，轴承端盖和中接头之间设置有密封装置。

本发明的有益效果是：（1）本发明下心轴终端产生由旋转运动和往复运动构成的复合运动，提高切削效率，提供周期性的交变钻压，防止粘滑运动产生；（2）本发明下心轴为偏心轴输出，配合偏心钻头，达到随钻扩眼作业的目的；（3）本发明钻井液驱动，适应井下复杂工况。

附图说明

图1是本发明一种偏心式旋冲扩眼工具的结构示意图。

图2是图1A-A截面的剖视图。

图3是图1B-B截面的剖视图。

图4是螺旋转子的三维结构示意图。

图5是下心轴的三维结构示意图。

图中：1—上接头，2—推力轴承a，3—螺旋转子，4—橡胶定子，5—上壳体，6—中接头，7—万向轴，8—上心轴，9—轴承端盖，10—轴承a，11—上轴承座，12—上偏心环，13—轴承b，14—下壳体，15—滚珠，16—推力轴承b，17—齿轮连接筒，18—变速齿轮，19—钢球，20—套杯，21—轴承c，22—下偏心环，23—下轴承座，24—轴承d，25—锁紧帽，26—下心轴，3a—过流孔，3b—支撑台，3c—螺旋棱，17a—上齿圈，17b—下齿圈，26a—半球槽，26b—圆柱凸轮槽。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明一种偏心式旋冲扩眼工具，是由上接头、推力轴承a、螺旋转子、橡胶定子、上壳体、中接头、万向轴、上心轴、轴承端盖、轴承a、上轴承座、上偏心环、轴承b、下壳体、滚珠、推力轴承b、齿轮连接筒、变速齿轮、钢球、套杯、轴承c、下偏心环、下轴承座、轴承d、锁紧帽和下心轴构成。其特征是：上接头1上端内部设置有管螺纹，上接头1下端与上壳体5上端螺纹连接，上壳体5下端与中接头6上端螺纹连接，中接头6下端与下壳体14上端螺纹连接，下壳体14下端与锁紧帽25上端螺纹连接。橡胶定子4固定在上壳体5内壁，螺旋转子3置于橡胶定子4内腔，螺旋转子3外圆中部设置有螺旋棱3c，螺旋转子3上部设置有支撑台3b，在支撑台3b圆周方向均匀分布有多个过流孔3a，上壳体5内腔中上部设置有一环形凸台，推力轴承a2安装在该环形凸台上，支撑台3b坐落于推力轴承a2上端面；螺旋转子3下端与万向轴7上端螺纹连接，万向轴7下端与上心轴8上端螺纹连接，上心轴8下端与下心轴26上端螺纹连接，下心轴26下端内部设置有管螺纹；上心轴8上部沿周向均布有两个通孔，这两个通孔连通上心轴8的外部和内腔，上心轴8内腔下端周向均匀设置三～六个半球滑槽，如图2所示，在本实施例中设置为六个半球滑槽，上心轴8外圆下部设置为渐开线齿轮，齿数为Z1；齿轮连接筒17置于下壳体14内腔，齿轮连接筒17内腔上部设置有渐开线齿廓的上齿圈17a，齿轮连接筒17内腔中部设置有线齿廓的下齿圈17b，上齿圈17a的齿数为Z2，下齿圈17b的齿数为Z3。上偏心环12内腔设置为偏心孔，轴承b13安装在上偏心环12内腔偏心孔内，下偏心环22内腔设置为偏心孔，轴承c21安装在下偏心环22内腔偏心孔内；上偏心环12安装在齿轮连接筒17内腔上部，下偏心环22安装在齿轮连接筒17内腔下部，上偏心环12内腔偏心孔和下偏心环22内腔偏心孔轴线对齐；上轴承座11下端与齿轮连接筒17上端螺纹连接，轴承a10安装在上轴承座11外圆上，轴承a10外圆与下壳体14内腔上部配合，下轴承座23上端与齿轮连接筒17下端螺纹连接，轴承d24安装在下轴承座23外圆上，轴承d24外圆与下壳体14内腔下部配合，轴承端盖9与上轴承座11上端螺纹连接；下心轴26外圆上部周向均匀设置有三～六个半球槽26a，如图2和图5所示，在本实施例中半球槽26a设置为六个，下心轴26外圆中部设置有一圈圆柱凸轮槽26b，下心轴26上端置于上心轴8内腔下部，滚珠15安装在下心轴26外圆上部的半球槽26a和上心轴8内腔下端半球滑槽形成的空腔内；变速齿轮18外圆上部设置为渐开线齿轮，齿数为Z4，变速齿轮18下部圆柱面设置有一径向通孔，变速齿轮18套在下心轴26外圆中部，钢球19同时置于变速齿轮18下部径向通孔和下心轴26外圆中部的圆柱凸轮槽26b内，套杯20套在变速齿轮18外圆下部；上心轴8和变速齿轮18之间安装有推力轴承b16。

所述上心轴8外圆下部的齿轮和齿轮连接筒17内腔上部的上齿圈17a啮合，变速齿轮18外圆上部的齿轮和齿轮连接筒17内腔中部的下齿圈17b啮合；上心轴8齿轮的齿数Z1和变速齿轮18齿轮的齿数Z4、齿轮连接筒17内腔上齿圈17a的齿数Z2以及齿轮连接筒17内腔下齿圈17b的齿数Z3之间存在关系为（Z1*Z3）/（Z2*Z4）≠1；下心轴26和上心轴8的转速相同，下心轴26和变速齿轮18的转速不同，钢球19可在下心轴26外圆中部的圆柱凸轮槽26b内周向滚动，下心轴26在周向转动的同时，产生轴向往复运动，轴向往复运动的频次和周向转动的转数之比为1-（Z1*Z3）/（Z2*Z4）。

所述下心轴26和上心轴8之间设置有密封装置，轴承端盖9和中接头6之间设置有密封装置。

将本发明上端与钻柱连接，将偏心钻头与本发明下端连接，下井前将偏心钻头偏心线位置调整至与本发明中轴线同心，下放本发明至井下，开泵循环钻井液，钻井液驱动螺旋转子3转动，经万向轴7传递给上心轴8；上心轴8利用滚珠15把扭矩传递给下心轴26，即下心轴26、上心轴8和螺旋转子3的自转同步；上心轴8下部外齿轮驱动齿轮连接筒17转动，齿轮连接筒17驱动变速齿轮18转动，变速齿轮18和下心轴26转速不同，对应转速比为（Z1*Z3）/（Z2*Z4），故钢球19在下心轴26外圆中部的圆柱凸轮槽26b内周向滚动，钢球19驱动下心轴26产生轴向往复运动；扩眼时转盘驱动钻柱旋转，下心轴26带动偏心钻头一边自转，一边公转，偏心钻头实现随钻扩眼作业，并产生轴向冲击作用提高破岩效率。起钻时，停止转盘旋转，采用钻井泵输出小流量低压力钻井液，上提本发明至扩眼井段顶部，偏心钻头低速旋转，位置对正上部井眼时，本发明和偏心钻头一起进入上部小井眼，停泵起出本发明和偏心钻头。

Claims

1.一种偏心式旋冲扩眼工具，是由上接头、推力轴承a、螺旋转子、橡胶定子、上壳体、中接头、万向轴、上心轴、轴承端盖、轴承a、上轴承座、上偏心环、轴承b、下壳体、滚珠、推力轴承b、齿轮连接筒、变速齿轮、钢球、套杯、轴承c、下偏心环、下轴承座、轴承d、锁紧帽和下心轴构成；

其特征是：上接头（1）上端内部设置有管螺纹，上接头（1）下端与上壳体（5）上端螺纹连接，上壳体（5）下端与中接头（6）上端螺纹连接，中接头（6）下端与下壳体（14）上端螺纹连接，下壳体（14）下端与锁紧帽（25）上端螺纹连接；

橡胶定子（4）固定在上壳体（5）内壁，螺旋转子（3）置于橡胶定子（4）内腔，螺旋转子（3）外圆中部设置有螺旋棱（3c），螺旋转子（3）上部设置有支撑台（3b），在支撑台（3b）圆周方向均匀分布有多个过流孔（3a），上壳体（5）内腔中上部设置有一环形凸台，推力轴承a（2）安装在该环形凸台上，支撑台（3b）坐落于推力轴承a（2）上端面；螺旋转子（3）下端与万向轴（7）上端螺纹连接，万向轴（7）下端与上心轴（8）上端螺纹连接，上心轴（8）下端与下心轴（26）上端螺纹连接，下心轴（26）下端内部设置有管螺纹；

上心轴（8）上部沿周向均布有两个通孔，这两个通孔连通上心轴（8）的外部和内腔，上心轴（8）内腔下端周向均匀设置三～六个半球滑槽，上心轴（8）外圆下部设置为渐开线齿轮，齿数为Z1；齿轮连接筒（17）置于下壳体（14）内腔，齿轮连接筒（17）内腔上部设置有渐开线齿廓的上齿圈（17a），齿轮连接筒（17）内腔中部设置有线齿廓的下齿圈（17b），上齿圈（17a）的齿数为Z2，下齿圈（17b）的齿数为Z3；

上偏心环（12）内腔设置为偏心孔，轴承b（13）安装在上偏心环（12）内腔偏心孔内，下偏心环（22）内腔设置为偏心孔，轴承c（21）安装在下偏心环（22）内腔偏心孔内；上偏心环（12）安装在齿轮连接筒（17）内腔上部，下偏心环（22）安装在齿轮连接筒（17）内腔下部，上偏心环（12）内腔偏心孔和下偏心环（22）内腔偏心孔轴线对齐；上轴承座（11）下端与齿轮连接筒（17）上端螺纹连接，轴承a（10）安装在上轴承座（11）外圆上，轴承a（10）外圆与下壳体（14）内腔上部配合，下轴承座（23）上端与齿轮连接筒（17）下端螺纹连接，轴承d（24）安装在下轴承座（23）外圆上，轴承d（24）外圆与下壳体（14）内腔下部配合，轴承端盖（9）与上轴承座（11）上端螺纹连接；下心轴（26）外圆上部周向均匀设置有三～六个半球槽（26a），下心轴（26）外圆中部设置有一圈圆柱凸轮槽（26b），下心轴（26）上端置于上心轴（8）内腔下部，滚珠（15）安装在下心轴（26）外圆上部的三～六个半球槽（26a）和上心轴（8）内腔下端三～六个半球滑槽形成的空腔内；

变速齿轮（18）外圆上部设置为渐开线齿轮，齿数为Z4，变速齿轮（18）下部圆柱面设置有一径向通孔，变速齿轮（18）套在下心轴（26）外圆中部，钢球（19）同时置于变速齿轮（18）下部径向通孔和下心轴（26）外圆中部的圆柱凸轮槽（26b）内，套杯（20）套在变速齿轮（18）外圆下部；上心轴（8）和变速齿轮（18）之间安装有推力轴承b（16）。

2.根据权利要求1所述的偏心式旋冲扩眼工具，其特征是：所述上心轴（8）外圆下部的齿轮和齿轮连接筒（17）内腔上部的上齿圈（17a）啮合，变速齿轮（18）外圆上部的齿轮和齿轮连接筒（17）内腔中部的下齿圈（17b）啮合；上心轴（8）齿轮的齿数Z1和变速齿轮（18）齿轮的齿数Z4、齿轮连接筒（17）内腔上齿圈（17a）的齿数Z2以及齿轮连接筒（17）内腔下齿圈（17b）的齿数Z3之间存在关系为（Z1*Z3）/（Z2*Z4）≠1；下心轴（26）和上心轴（8）的转速相同，下心轴（26）和变速齿轮（18）的转速不同，钢球（19）可在下心轴（26）外圆中部的圆柱凸轮槽（26b）内周向滚动，下心轴（26）在周向转动的同时，产生轴向往复运动，轴向往复运动的频次和周向转动的转数之比为1-（Z1*Z3）/（Z2*Z4）。

3.根据权利要求1所述的偏心式旋冲扩眼工具，其特征是：所述下心轴（26）和上心轴（8）之间设置有密封装置，轴承端盖（9）和中接头（6）之间设置有密封装置。