CN113006697A - 一种机械液压式偏心回转定位装置 - Google Patents

一种机械液压式偏心回转定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石油天然气行业用于随钻偏心扩眼作业领域的机械液压式偏心回转定位装置，它解决提高随钻偏心扩眼作业效率，可靠回收偏心钻头的问题。其技术方案是：本发明由上接头、中心轴、止动活塞、心轴套筒、下接头、螺钉a、端盖、偏心钻头、压帽、弹簧a、螺帽、弹簧b、钢球、螺钉b、压板、弹簧c、弹销和卡簧构成；上接头上端与液压偏心扩眼工具的外壳体下端连接，中心轴上端连接液压偏心扩眼工具的偏心输出轴，偏心钻头下部本体中心线和上接头中心线对齐。本发明可驱动偏心钻头进行公转+自转的复合运动，钻出的井眼直径更大，扩眼效率较高，扩眼作业结束后偏心钻头回收方便、可靠，克服了偏心钻头中心线对正困难的问题。

Description

一种机械液压式偏心回转定位装置
技术领域
本发明涉及一种石油天然气行业用于随钻偏心扩眼作业领域的机械液压式偏心回转定位装置。
背景技术
在石油天然气行业，随钻扩眼作业是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作业技术。随钻扩眼技术在降低钻井综合成本，提高油气井质量，提高油气井产能等方面具有突出优势，具备良好的市场前景。
扩眼钻头是为某些特殊作业或为解除事故专门设计的钻头。分为张合式扩眼钻头和普通扩眼钻头，前者利用液压机构或依靠旋转离心力将钻头张开，切削岩石，扩大井眼。切削部件可以是牙轮钻头，也可以是刮刀钻头或金刚石钻头。后者一般为侧面突起的金刚石钻头，或由直径大于导眼钻头的固定刀片或滚轮组成的钻头。偏心扩眼钻头的特点是结构坚固，整体高度低，提高了井下马达的定向能力，根据特殊的力平衡原理设计，不对称布局使钻头钻进时整体绕钻头轴线旋转，保证了井眼质量。合理的喷嘴和排屑槽布局，能及时地运移井底岩屑和清洗冷却钻头，该钻头已经广泛应用于各类特殊作业，如开窗侧钻等。
随钻扩眼技术使用的随钻扩眼工具大多分为两种，一种是具有扩眼刀翼，利用机械或者液压作用力控制扩眼刀翼撑开进行扩眼作业，然而该类型随钻裸眼工具结构复杂，传动件多，发生故障概率高，维护困难；另一种择采用偏心输出轴的方式，在下入井下设计位置后，利用偏心输出轴的自转和钻柱的公转，并在偏心输出轴下接偏心钻头，利用偏心钻头自转和公转组成的复合运动，扩大钻头切削面积，形成扩眼效果。采用偏心输出轴的随钻扩眼工具，结构相对简单，故障率低，维护成本低；然而随钻扩眼作业结束后，难以保证偏心钻头中心轴和钻柱中轴线对齐，导致偏心钻头卡在井眼上端缩径段处，造成钻具回收作业失败，因而需要反复开泵、停泵以矫正偏心钻头位置，大大降低了扩眼作业效率。
针对现有的具有偏心输出轴的随钻扩眼工具，本发明特提供一种机械液压式偏心回转定位装置，解决随钻扩眼作业中钻具回收效率低、出井困难的问题。
发明内容
本发明的目的是：为了解决提高随钻偏心扩眼作业效率，可靠回收偏心钻头的问题，特提供一种机械液压式偏心回转定位装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种机械液压式偏心回转定位装置，是由上接头、中心轴、止动活塞、心轴套筒、下接头、螺钉a、端盖、偏心钻头、压帽、弹簧a、螺帽、弹簧b、钢球、螺钉b、压板、弹簧c、弹销和卡簧构成；其特征是：上接头上端设置有螺纹，上接头内腔上部设置一偏心台阶孔，上接头内腔下部设置一偏心台阶孔，上接头内腔上部设置有活塞腔，活塞腔底部和偏心台阶孔中部台阶面设置有通孔连通，该通孔继续向下延伸并在下偏心台阶孔内壁形成一个内半圆槽，上接头内腔上部设置有过流孔连通上接头内腔上端面和活塞腔下部，活塞腔上部设置有排气孔连通上接头外圆，上接头上部外圆设置有一个孔，该孔内设置有弹簧b，弹簧b内侧底部设置有钢球，弹簧b外侧设置有螺帽，螺帽与上接头之间螺纹配合，上接头下部外圆设置有一阶梯孔，该阶梯孔内设置有弹销，弹销外侧设置有弹簧c，弹簧c外侧设置有压板，压板与上接头之间用螺钉b连接；中心轴置于上接头的偏心台阶孔内，中心轴上端设置有螺纹，中心轴中上部圆柱面上设置有一～二个通孔，连通中心轴内外腔，中心轴中部外表面设置为六方形，中心轴中部的六方形上部设置有卡槽，卡槽内设置有卡簧，中心轴下部外表面为圆柱面，中心轴下端和偏心钻头上端螺纹连接；心轴套筒外部为圆柱面，心轴套筒内部为六方形通孔，心轴套筒套在中心轴中部，心轴套筒外圆柱面与上接头内腔下部的偏心台阶孔接触，心轴套筒外圆上部设置有外半圆槽，心轴套筒外圆上部设置有一定位凹槽；上接头下端与下接头上端螺纹连接，下接头下端与端盖之间通过螺钉a连接，端盖设置有偏心孔，中心轴穿过端盖偏心孔；止动活塞置于活塞腔内，止动活塞上端设置有弹簧a，弹簧a上端设置有压帽，压帽与上接头活塞腔之间通过螺纹连接，止动活塞下部为圆柱形活塞杆，圆柱形活塞杆插入外半圆槽与上接头内半圆槽构成的圆柱孔内，止动活塞中部设置有半球形凹槽。
所述偏心钻头和中心轴的旋转角度采用垫片调节。
所述上接头上端与液压偏心扩眼工具的外壳体下端连接，所述中心轴上端连接液压偏心扩眼工具的偏心输出轴，偏心钻头下部本体中心线和上接头中心线对齐；进行扩眼作业时，先启动井口方转盘旋转钻柱，再开泵循环钻井液，高压钻井液从中心轴上部通孔流入上接头内腔上部的过流孔内，高压钻井液经过流孔进入活塞腔底部并推动止动活塞轴向上移，使活塞杆脱离外半圆槽与上接头内半圆槽构成的圆柱孔，钢球被弹簧b弹入止动活塞中部的半球形凹槽；此时中心轴在上部液压偏心扩眼工具的动力驱动下旋转并带动偏心钻头自转，井口方转盘驱动钻柱旋转进而带动整个扩眼工具系统随钻柱一起进行公转，即偏心钻头在公转+自转的复合运动下进行扩眼作业；完成偏心扩眼作业后，停泵、停止方转盘并上提钻柱进行起钻，当偏心钻头下部本体中心线和上接头中心线未对齐时，偏心钻头被上部小井眼卡住，此时开泵小排量循环钻井液驱动偏心钻头缓慢旋转，并继续缓慢上提钻柱，钻柱拉动液压偏心扩眼工具的外壳体进而带动上接头沿中心轴上移，当偏心钻头旋转至下部本体中心线和上接头中心线对齐时，即上接头下部的弹销与定位凹槽完全对正，弹销被弹簧c弹入定位凹槽内，此时即可停泵继续上提钻柱，将整个偏心扩眼工具系统全部可靠回收。
本发明的有益效果是：（1）本发明结合偏心钻头进行随钻偏心扩眼作业，可驱动偏心钻头进行公转+自转的复合运动，钻出的井眼直径更大；（2）本发明克服了随钻扩眼作业结束后偏心钻头中心线对正困难的问题，使偏心钻头回收方便、可靠，有效解决了偏心钻头回收失败造成的经济损失；（3）本发明能适应井下复杂工况。
附图说明
图1是本发明一种机械液压式偏心回转定位装置的原始状态结构示意图。
图2是本发明在钻井扩眼工作状态的结构示意图。
图3是本发明在起钻状态的结构示意图。
图4是图1的A-A截面剖视图。
图5是图1的B-B截面剖视图。
图6是图3的C-C截面剖视图。
图中：1—上接头，2—中心轴，3—止动活塞，4—心轴套筒，5—下接头，6—螺钉a，7—端盖，8—偏心钻头，9—压帽，10—弹簧a，11—螺帽，12—弹簧b，13—钢球，14—螺钉b，15—压板，16—弹簧c，17—弹销，18—卡簧，101—过流孔，102—排气孔，41—外半圆槽，42—定位凹槽。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明一种机械液压式偏心回转定位装置，是由上接头、中心轴、止动活塞、心轴套筒、下接头、螺钉a、端盖、偏心钻头、压帽、弹簧a、螺帽、弹簧b、钢球、螺钉b、压板、弹簧c、弹销和卡簧构成；其特征是：上接头1上端设置有螺纹，上接头1内腔上部设置一偏心台阶孔，上接头1内腔下部设置一偏心台阶孔，上接头1内腔上部设置有活塞腔，活塞腔底部和偏心台阶孔中部台阶面设置有通孔连通，该通孔继续向下延伸并在下偏心台阶孔内壁形成一个内半圆槽，上接头1内腔上部设置有过流孔101连通上接头1内腔上端面和活塞腔下部，活塞腔上部设置有排气孔102连通上接头1外圆，上接头1上部外圆设置有一个孔，该孔内设置有弹簧b12，弹簧b12内侧底部设置有钢球13，弹簧b12外侧设置有螺帽11，螺帽11与上接头1之间螺纹配合，上接头1下部外圆设置有一阶梯孔，该阶梯孔内设置有弹销17，弹销17外侧设置有弹簧c16，弹簧c16外侧设置有压板15，压板15与上接头1之间用螺钉b14连接；中心轴2置于上接头1的偏心台阶孔内，中心轴2上端设置有螺纹，中心轴2中上部圆柱面上设置有一～二个通孔，连通中心轴2的内外腔，中心轴2中部外表面设置为六方形，中心轴2中部的六方形上部设置有卡槽，卡槽内设置有卡簧18，中心轴2下部外表面为圆柱面，中心轴2下端和偏心钻头8上端螺纹连接；心轴套筒4外部为圆柱面，心轴套筒4内部为六方形通孔，心轴套筒4套在中心轴2中部，心轴套筒4外圆柱面与上接头1内腔下部的偏心台阶孔接触，心轴套筒4外圆上部设置有外半圆槽41，心轴套筒4外圆上部设置有一定位凹槽42；上接头1下端与下接头5上端螺纹连接，下接头5下端与端盖7之间通过螺钉a6连接，端盖7设置有偏心孔，中心轴2穿过端盖7偏心孔；止动活塞3置于活塞腔内，止动活塞3上端设置有弹簧a10，弹簧a10上端设置有压帽9，压帽9与上接头1活塞腔之间通过螺纹连接，止动活塞3下部为圆柱形活塞杆，圆柱形活塞杆插入外半圆槽41与上接头1内半圆槽构成的圆柱孔内，如图1和图5所示，止动活塞3中部设置有半球形凹槽，如图4所示。偏心钻头8和中心轴2的旋转角度采用垫片调节。
工作时，本发明通过上接头1上端与液压偏心扩眼工具的外壳体下端连接，中心轴2上端连接液压偏心扩眼工具的偏心输出轴，通过垫片调节偏心钻头8和中心轴2的角度，使偏心钻头8下部本体中心线和上接头1中心线对齐，本发明处于原始状态，如图1所示。由于止动活塞3下部的活塞杆插入外半圆槽41与上接头1内半圆槽构成的圆柱孔内，偏心钻头8无法旋转，利用钻柱将本发明可靠的下入至扩眼井段；进行扩眼作业时，先启动井口方转盘旋转钻柱，再开泵循环钻井液，高压钻井液从中心轴2上部通孔流入上接头1内腔上部的过流孔101内，高压钻井液经过流孔101进入活塞腔底部并推动止动活塞3轴向上移，使圆柱形活塞杆脱离外半圆槽41与上接头1内半圆槽构成的圆柱孔，钢球13被弹簧b12弹入止动活塞3中部的半球形凹槽，将止动活塞3固定，如图2所示；此时中心轴2在上部液压偏心扩眼工具的动力驱动下旋转并带动偏心钻头8自转，井口方转盘驱动钻柱旋转进而带动整个扩眼工具系统随钻柱一起进行公转，即偏心钻头8在公转+自转的复合运动下进行扩眼作业；完成偏心扩眼作业后，停泵、停止方转盘并上提钻柱进行起钻，当偏心钻头8下部本体中心线和上接头1中心线未对齐时，偏心钻头8会被上部小井眼卡住，无法顺利起钻；此时开泵小排量循环钻井液驱动偏心钻头8缓慢旋转，并继续缓慢上提钻柱，钻柱拉动液压偏心扩眼工具的外壳体进而带动上接头1沿中心轴2上移，当偏心钻头8旋转至下部本体中心线和上接头1中心线对齐时，即偏心钻头8被完全收回，此时上接头1下部的弹销17与定位凹槽42完全对正，弹销17被弹簧c16弹入定位凹槽42内，如图3和图6所示，上接头1与心轴套筒4会连接在一起，心轴套筒4停止转动，进而中心轴2和偏心钻头8停止转动；此时再次上提钻柱时便不会有明显的阻力，然后停泵，继续将整个偏心扩眼工具系统全部可靠回收。

Claims (3)

1.一种机械液压式偏心回转定位装置，是由上接头（1）、中心轴（2）、止动活塞（3）、心轴套筒（4）、下接头（5）、螺钉a（6）、端盖（7）、偏心钻头（8）、压帽（9）、弹簧a（10）、螺帽（11）、弹簧b（12）、钢球（13）、螺钉b（14）、压板（15）、弹簧c（16）、弹销（17）和卡簧（18）构成；其特征是：上接头（1）上端设置有螺纹，上接头（1）内腔上部设置一偏心台阶孔，上接头（1）内腔下部设置一偏心台阶孔，上接头（1）内腔上部设置有活塞腔，活塞腔底部和偏心台阶孔中部台阶面设置有通孔连通，该通孔继续向下延伸并在下偏心台阶孔内壁形成一个内半圆槽，上接头（1）内腔上部设置有过流孔（101）连通上接头（1）内腔上端面和活塞腔下部，活塞腔上部设置有排气孔（102）连通上接头（1）外圆，上接头（1）上部外圆设置有一个孔，该孔内设置有弹簧b（12），弹簧b（12）内侧底部设置有钢球（13），弹簧b（12）外侧设置有螺帽（11），螺帽（11）与上接头（1）之间螺纹配合，上接头（1）下部外圆设置有一阶梯孔，该阶梯孔内设置有弹销（17），弹销（17）外侧设置有弹簧c（16），弹簧c（16）外侧设置有压板（15），压板（15）与上接头（1）之间用螺钉b（14）连接；中心轴（2）置于上接头（1）的偏心台阶孔内，中心轴（2）上端设置有螺纹，中心轴（2）中上部圆柱面上设置有一～二个通孔，连通中心轴（2）内外腔，中心轴（2）中部外表面设置为六方形，中心轴（2）中部的六方形上部设置有卡槽，卡槽内设置有卡簧（18），中心轴（2）下部外表面为圆柱面，中心轴（2）下端和偏心钻头（8）上端螺纹连接；心轴套筒（4）外部为圆柱面，心轴套筒（4）内部为六方形通孔，心轴套筒（4）套在中心轴（2）中部，心轴套筒（4）外圆柱面与上接头（1）内腔下部的偏心台阶孔接触，心轴套筒（4）外圆上部设置有外半圆槽（41），心轴套筒（4）外圆上部设置有一定位凹槽（42）；上接头（1）下端与下接头（5）上端螺纹连接，下接头（5）下端与端盖（7）之间通过螺钉a（6）连接，端盖（7）设置有偏心孔，中心轴（2）穿过端盖（7）偏心孔；止动活塞（3）置于活塞腔内，止动活塞（3）上端设置有弹簧a（10），弹簧a（10）上端设置有压帽（9），压帽（9）与上接头（1）活塞腔之间通过螺纹连接，止动活塞（3）下部为圆柱形活塞杆，圆柱形活塞杆插入外半圆槽（41）与上接头（1）内半圆槽构成的圆柱孔内，止动活塞（3）中部设置有半球形凹槽。
2.根据权利要求1所述的机械液压式偏心回转定位装置，其特征是：所述上接头（1）上端与液压偏心扩眼工具的外壳体下端连接，所述中心轴（2）上端连接液压偏心扩眼工具的偏心输出轴，偏心钻头（8）下部本体中心线和上接头（1）中心线对齐；进行扩眼作业时，先启动井口方转盘旋转钻柱，再开泵循环钻井液，高压钻井液从中心轴（2）上部通孔流入上接头（1）内腔上部的过流孔（101）内，高压钻井液经过流孔（101）进入活塞腔底部并推动止动活塞（3）轴向上移，使活塞杆脱离外半圆槽（41）与上接头（1）内半圆槽构成的圆柱孔，钢球（13）被弹簧b（12）弹入止动活塞（3）中部的半球形凹槽；此时中心轴（2）在上部液压偏心扩眼工具的动力驱动下旋转并带动偏心钻头（8）自转，井口方转盘驱动钻柱旋转进而带动整个扩眼工具系统随钻柱一起进行公转，即偏心钻头（8）在公转+自转的复合运动下进行扩眼作业；完成偏心扩眼作业后，停泵、停止方转盘并上提钻柱进行起钻，当偏心钻头（8）下部本体中心线和上接头（1）中心线未对齐时，偏心钻头（8）被上部小井眼卡住，此时开泵小排量循环钻井液驱动偏心钻头（8）缓慢旋转，并继续缓慢上提钻柱，钻柱拉动液压偏心扩眼工具的外壳体进而带动上接头（1）沿中心轴（2）上移，当偏心钻头（8）旋转至下部本体中心线和上接头（1）中心线对齐时，即上接头（1）下部的弹销（17）与定位凹槽（42）完全对正，弹销（17）被弹簧c（16）弹入定位凹槽（42）内，此时即可停泵继续上提钻柱，将整个偏心扩眼工具系统全部可靠回收。
3.根据权利要求1所述的机械液压式偏心回转定位装置，其特征是：所述偏心钻头（8）和中心轴（2）的旋转角度采用垫片调节。
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