一种机械液压双作用扩眼工具

技术领域

本发明涉及一种石油天然气行业用于随钻扩眼作业领域的机械液压双作用扩眼工具。

背景技术

在陆地和海上油气钻采过程中，钻井形成的井眼由于受地层挤压等原因，经常会遇到井眼直径缩小导致钻井过程难以继续的问题，因此井下扩眼技术和扩眼器应运而生，该技术和工具的使用不仅能解决井径缩小的问题，而且还具有很大的工程意义：（1）通过扩眼器的使用，扩大井眼直径，有利于井下测试和下套管作业；（2）通过井下扩眼技术可以采用小间隙套管程序，从而优化套管程序，减少套管钢材和固井水泥使用量，降低作业成本；（3）可解决盐膏层蠕变和挤压所带来的勘探和钻井等问题。

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。偏心扩眼钻头为侧面突起的钻头，它的特点是结构坚固，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。

国外对扩眼器的研制较早，在20世纪90年代初开始随钻扩眼的研究工作，其技术水平相对较高，迄今为止已研制出偏心钻头和液压扩眼器等多种随钻扩眼器，国外对相关扩眼器产品实行了技术垄断，服务费用昂贵。国内开展随钻扩眼钻井相关研究较晚，目前国内随钻扩眼技术使用的随钻扩眼工具大多是具有扩眼刀翼，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，然而这些扩眼器在使用时普遍存在扩眼刀翼不能解锁收回、扩眼尺寸有限、水眼容易堵塞、自洁能力差等问题，同时该类型随钻扩眼工具的刀翼在撑开时发生故障率高，寿命低。基于现有扩眼刀翼式结构随钻扩眼工具的缺点，采用偏心式扩眼工具具备结构简单，故障率低，维护成本低的显著优势。而偏心式扩眼工具在扩眼作业结束后，难以保证偏心钻头中心轴线和钻柱中心轴线对齐，致使偏心钻头卡在扩眼井段上端部的缩径段位置，严重时造成钻柱回收失败，给施工井队带来巨大经济损失，大大增加了钻井成本。

鉴于目前国外扩眼器存在的服务费用高、国内随钻扩眼工具扩眼效率低及偏心扩眼工具回收安全性差等问题，本发明特提供一种机械液压双作用扩眼工具。

发明内容

本发明的目的是：为了解决不能可靠回收偏心钻头的问题，以提高随钻扩眼作业效率，降低扩眼成本，特提供一种机械液压双作用扩眼工具。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种机械液压双作用扩眼工具，是由上接头、推力轴承、转子、上壳体、定子、万向轴、中壳体、上心轴、轴承盖、轴承Ⅰ、轴承座、上唇形密封圈、上偏心环、轴承Ⅱ、过渡接头、中间心轴、下壳体、下偏心环、下唇形密封圈、锁紧帽、中接头、下心轴、心轴套筒、下接头、偏心钻头、螺钉、盖板、弹簧Ⅰ、弹簧销、止动活塞、钢球、螺帽、弹簧Ⅱ、弹簧Ⅲ和压帽构成。其特征是：上接头上端设置有螺纹，上接头下端与上壳体上端螺纹连接，上壳体下端与中壳体上端螺纹连接，中壳体下端与下壳体上端螺纹连接，下壳体下端与中接头上端螺纹连接；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，上心轴下端与中间心轴上端螺纹连接，中间心轴下端与下心轴上端螺纹连接，下心轴下端与偏心钻头上端螺纹连接。

上接头内腔中部设置有阶梯孔，转子上端插入上接头内腔的阶梯孔内，转子上部设置有圆形支撑台，支撑台上端面设置有推力轴承，推力轴承上部与上接头内腔阶梯孔的台阶底面接触，转子上部设置有一段圆柱空腔，转子下部为实心，支撑台下方设置有圆孔，连通转子上部内腔与外部环空，转子中部设置有螺旋棱，螺旋棱外侧与定子内表面接触，定子外圆柱面与上壳体内表面粘接在一起；轴承盖端面设置有通孔，轴承盖外圆与中壳体内壁之间设置有密封圈，轴承盖下端与轴承座之间螺纹连接，轴承座内部设置有通孔，轴承Ⅰ置于轴承座和下壳体之间，轴承Ⅰ上端面与轴承盖底部接触，轴承Ⅰ下端面与轴承座下部的台阶面接触；过渡接头置于下壳体内腔，过渡接头上端与轴承座下端螺纹连接，过渡接头内腔上部设置有台肩，上偏心环安装在过渡接头内腔上部，下偏心环安装在过渡接头内腔下部，上偏心环底部与过渡接头内腔上部的台肩接触，上偏心环内部设置有阶梯偏心孔，轴承Ⅱ有两个，其中一个轴承Ⅱ置于上偏心环的偏心孔内，其中一个轴承Ⅱ套在上心轴中部，上心轴中部设置有台肩，其中一个轴承Ⅱ底部与上心轴中部的台肩接触，上心轴上端为实心，上心轴内部设置有中心通道，上心轴上部设置有通孔连通上心轴中心通道与外腔，上偏心环上部与上心轴之间设置有上唇形密封圈；过渡接头内腔下部设置有台肩，下偏心环上端面与过渡接头内腔下部的台肩接触，下偏心环内部设置有阶梯偏心孔，另一个轴承Ⅱ置于下偏心环的偏心孔内，另一个轴承Ⅱ套在中间心轴中部，下偏心环下部与中间心轴之间设置有下唇形密封圈，上偏心环内腔偏心孔和下偏心环内腔偏心孔轴线对齐；中间心轴设置有中心通孔，锁紧帽上部与过渡接头下端螺纹连接，锁紧帽内部设置有通孔，锁紧帽顶部与下偏心环底部接触，锁紧帽外圆柱面与下壳体之间设置有密封圈。

中接头内腔上部设置一偏心台阶孔，中接头内腔下部设置一偏心台阶孔，中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，中接头内腔上部设置有过流孔连通中接头内腔上端面和活塞腔下部，活塞腔上部设置有一个排气孔连通中接头外圆，中接头上部外圆设置有一个孔，该孔内设置有弹簧Ⅱ，弹簧Ⅱ内侧底部设置有钢球，弹簧Ⅱ外侧设置有螺帽，螺帽与中接头之间螺纹配合，中接头下部外圆设置有一阶梯孔，该阶梯孔内设置有弹簧销，弹簧销外侧设置有弹簧Ⅰ，弹簧Ⅰ外侧设置有盖板，盖板与中接头之间用螺钉连接。

下心轴置于中接头的偏心台阶孔内，下心轴上部圆柱面上设置有通孔，连通下心轴内外腔，下心轴中部外表面设置为六方形，下心轴中部的六方形上部设置有卡槽，卡槽内设置有卡簧，下心轴下部外表面为圆柱面；心轴套筒外部为圆柱面，心轴套筒内部为六方形通孔，心轴套筒套在下心轴中部，心轴套筒外圆柱面与中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；中接头下端与下接头上端螺纹连接，下接头底部设置有偏心孔，下心轴穿过下接头底部偏心孔；止动活塞置于活塞腔内，止动活塞上端设置有弹簧Ⅲ，弹簧Ⅲ上端设置有压帽，压帽与中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，圆柱形活塞杆插入心轴套筒外圆上部的外半圆槽与中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。

下井前偏心钻头下部本体中心线和中接头中心线对齐，上接头上端与上部钻柱连接并送入井内，进行扩眼作业时，先启动井口方转盘旋转钻柱，带动整个扩眼工具随钻柱一起公转，然后开泵小排量循环钻井液，钻井液从下心轴上部通孔流入中接头内腔上部的过流孔内，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，使活塞杆脱离心轴套筒外圆上部外半圆槽与中接头内半圆槽构成的圆柱孔，钢球被弹簧Ⅱ弹入止动活塞中部的半球形凹槽，此时大排量循环钻井液，高压钻井液作用于螺旋棱进而驱动转子旋转，转子通过万向轴带动下部具有偏心距的上心轴、中间心轴、下心轴和偏心钻头一起绕其中心线自转，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中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转子带动偏心钻头缓慢旋转，并继续缓慢上提钻柱，钻柱拉动上接头、上壳体、中壳体和下壳体进而带动中接头沿下心轴上移，当偏心钻头旋转至下部本体中心线和中接头中心线对齐时，即中接头下部的弹簧销与心轴套筒的定位凹槽完全对正，弹簧销被弹簧Ⅰ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全部可靠回收。

所述上唇形密封圈的唇口槽内设置有一O型密封圈，所述下唇形密封圈的唇口槽内设置有一O型密封圈。所述转子支撑台下方设置的圆孔有二～四个；所述上心轴上部设置的通孔有二～四个；所述下心轴上部圆柱面上设置的通孔有一～二个。

所述偏心钻头和下心轴的旋转角度采用垫片调节。

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，利用转盘机械驱动下部偏心钻头公转，再结合液压动力驱动下部偏心轴带动偏心钻头自转，实现了偏心钻头公转+自转的复合运动，扩眼效率较高，能够在较小直径井眼下方钻出直径更大的井眼；（2）本发明在随钻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，有效解决了偏心钻头回收失败造成的经济损失；（3）本发明各个环节设计可靠，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双作用扩眼工具的原始状态结构示意图。

图2是本发明在扩眼工作状态的结构示意图。

图3是本发明在扩眼工作结束后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2的C-C截面剖视图。

图7是图3的D-D截面剖视图。

图8是转子的三维结构图。

图中：1—上接头，2—推力轴承，3—转子，4—上壳体，5—定子，6—万向轴，7—中壳体，8—上心轴，9—轴承盖，10—轴承Ⅰ，11—轴承座，12—上唇形密封圈，13—上偏心环，14—轴承Ⅱ，15—过渡接头，16—中间心轴，17—下壳体，18—下偏心环，19—下唇形密封圈，20—锁紧帽，21—中接头，22—下心轴，23—心轴套筒，24—下接头，25—偏心钻头，26—螺钉，27—盖板，28—弹簧Ⅰ，29—弹簧销，30—止动活塞，31—钢球，32—螺帽，33—弹簧Ⅱ，34—弹簧Ⅲ，35—压帽，211—过流孔，251—下部本体中心线，3a—支撑台，3b—螺旋棱。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本发明一种机械液压双作用扩眼工具，是由上接头1、推力轴承2、转子3、上壳体4、定子5、万向轴6、中壳体7、上心轴8、轴承盖9、轴承Ⅰ10、轴承座11、上唇形密封圈12、上偏心环13、轴承Ⅱ14、过渡接头15、中间心轴16、下壳体17、下偏心环18、下唇形密封圈19、锁紧帽20、中接头21、下心轴22、心轴套筒23、下接头24、偏心钻头25、螺钉26、盖板27、弹簧Ⅰ28、弹簧销29、止动活塞30、钢球31、螺帽32、弹簧Ⅱ33、弹簧Ⅲ34和压帽35构成。其特征是：上接头1上端设置有螺纹，上接头1下端与上壳体4上端螺纹连接，上壳体4下端与中壳体7上端螺纹连接，中壳体7下端与下壳体17上端螺纹连接，下壳体17下端与中接头21上端螺纹连接；转子3下端与万向轴6上端螺纹连接，万向轴6下端与上心轴8上端螺纹连接，上心轴8下端与中间心轴16上端螺纹连接，中间心轴16下端与下心轴22上端螺纹连接，下心轴22下端与偏心钻头25上端螺纹连接，偏心钻头25和下心轴22的旋转角度采用垫片调节；上接头1、上壳体4、中壳体7、下壳体17和中接头21的中心线位于一条直线，上心轴8、中间心轴16和下心轴22的中心线位于一条直线，上接头1、上壳体4、中壳体7、下壳体17和中接头21的中心线与上心轴8、中间心轴16和下心轴22的中心线之间存在偏心距，如图1和图5所示。

上接头1内腔中部设置有阶梯孔，转子3上端插入上接头1内腔的阶梯孔内，转子3上部设置有圆形支撑台3a，支撑台3a上端面设置有推力轴承2，推力轴承2上部与上接头1内腔阶梯孔的台阶底面接触，转子3上部设置有一段圆柱空腔，转子3下部为实心，支撑台3a下方设置有二～四个圆孔，连通转子3上部内腔与外部环空，本实施例中支撑台3a下方设置有二个圆孔，转子3中部设置有螺旋棱3b，螺旋棱3b外侧与定子5内表面接触，定子5外圆柱面与上壳体4内表面粘接在一起；轴承盖9端面设置有通孔，轴承盖9外圆与中壳体7内壁之间设置有密封圈，轴承盖9下端与轴承座11之间螺纹连接，轴承座11内部设置有通孔，轴承Ⅰ10置于轴承座11和下壳体17之间，轴承Ⅰ10上端面与轴承盖9底部接触，轴承Ⅰ10下端面与轴承座11下部的台阶面接触；过渡接头15置于下壳体17内腔，过渡接头15上端与轴承座11下端螺纹连接，过渡接头15内腔上部设置有台肩，上偏心环13安装在过渡接头15内腔上部，下偏心环18安装在过渡接头15内腔下部，上偏心环13底部与过渡接头15内腔上部的台肩接触，上偏心环13内部设置有阶梯偏心孔，轴承Ⅱ14有两个，其中一个轴承Ⅱ14置于上偏心环13的偏心孔内，其中一个轴承Ⅱ14套在上心轴8中部，上心轴8中部设置有台肩，其中一个轴承Ⅱ14底部与上心轴8中部的台肩接触，上心轴8上端为实心，上心轴8内部设置有中心通道，上心轴8上部设置有二～四个通孔连通上心轴8中心通道与外腔，本实施例中上心轴8上部设置有两个圆孔，上偏心环13上部与上心轴8之间设置有上唇形密封圈12，上唇形密封圈12的唇口槽内设置有一O型密封圈；过渡接头15内腔下部设置有台肩，下偏心环18上端面与过渡接头15内腔下部的台肩接触，下偏心环18内部设置有阶梯偏心孔，另一个轴承Ⅱ14置于下偏心环18的偏心孔内，另一个轴承Ⅱ14套在中间心轴16中部，下偏心环18下部与中间心轴16之间设置有下唇形密封圈19，中间心轴16设置有中心通孔，上偏心环13内腔偏心孔和下偏心环18内腔偏心孔轴线对齐；下唇形密封圈19的唇口槽内设置有一O型密封圈，唇形密封圈可有效防止钻进液进入轴承Ⅱ14内；锁紧帽20上部与过渡接头15下端螺纹连接，锁紧帽20内部设置有通孔，锁紧帽20顶部与下偏心环18底部接触，锁紧帽20外圆柱面与下壳体17之间设置有密封圈。

中接头21内腔上部设置一偏心台阶孔，中接头21内腔下部设置一偏心台阶孔，中接头21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，中接头21内腔上部设置有过流孔211连通中接头21内腔上端面和活塞腔下部，活塞腔上部设置有一个排气孔连通中接头21外圆，中接头21上部外圆设置有一个孔，该孔内设置有弹簧Ⅱ33，弹簧Ⅱ33内侧底部设置有钢球31，弹簧Ⅱ33外侧设置有螺帽32，螺帽32与中接头21之间螺纹配合，中接头21下部外圆设置有一阶梯孔，该阶梯孔内设置有弹簧销29，弹簧销29外侧设置有弹簧Ⅰ28，弹簧Ⅰ28外侧设置有盖板27，盖板27与中接头21之间用螺钉26连接。

下心轴22置于中接头21的偏心台阶孔内，下心轴22上部圆柱面设置有一～二个通孔，连通下心轴22内外腔，在本实施例中，下心轴22上部圆柱面设置有一个通孔，下心轴22中部外表面设置为六方形，下心轴22中部的六方形上部设置有卡槽，卡槽内设置有卡簧，下心轴22下部外表面为圆柱面；心轴套筒23外部为圆柱面，心轴套筒23内部为六方形通孔，心轴套筒23套在下心轴22中部，心轴套筒23随下心轴22一起转动，心轴套筒23外圆柱面与中接头21内腔下部的偏心台阶孔接触，心轴套筒23外圆上部设置有外半圆槽，心轴套筒23外圆上部设置有一定位凹槽，如图5所示；中接头21下端与下接头24上端螺纹连接，下接头24底部设置有偏心孔，下心轴22穿过下接头24底部偏心孔；止动活塞30置于活塞腔内，止动活塞30上端设置有弹簧Ⅲ34，弹簧Ⅲ34上端设置有压帽35，压帽35与中接头21活塞腔之间通过螺纹连接，止动活塞30下部为圆柱形活塞杆，圆柱形活塞杆插入心轴套筒23外圆上部的外半圆槽与中接头21内半圆槽构成的圆柱孔内，止动活塞30中部设置有半球形凹槽，如图4所示。

如图1所示，下井前通过垫片调节偏心钻头25与下心轴（22）之间的旋转角度，使偏心钻头25下部本体中心线251和中接头21中心线对齐，上接头1上端与上部钻柱连接并送入井内；进行扩眼作业时，先启动井口方转盘旋转钻柱，带动整个扩眼工具随钻柱一起公转，然后开泵小排量循环钻井液，钻井液由转子3支撑台3a下方的通孔流经螺旋棱3b进入万向轴6与中壳体7之间的环空，再经上心轴8上部的圆孔进入上心轴8和中间心轴16的内腔，最后部分钻进液从下心轴22上部通孔流入中接头21内腔上部的过流孔211内，钻井液经过流孔211进入活塞腔底部靠液体压力推动止动活塞30轴向上移，使活塞杆脱离心轴套筒23外圆上部外半圆槽与中接头21内半圆槽构成的圆柱孔，钢球31被弹簧Ⅱ33弹入止动活塞30中部的半球形凹槽，如图6所示；此时大排量循环钻井液，高压钻井液作用于螺旋棱3b进而驱动转子3旋转，转子3通过万向轴6带动下部具有偏心距的上心轴8、中间心轴16、下心轴22和偏心钻头25一起绕其中心线自转，如图2所示，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25在公转+自转的复合运动下进行扩眼作业。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，扩眼效率较高，钻出的井眼直径更大，能够在较小直径井眼下方钻出直径更大的井眼。

完成随钻扩眼作业后，停泵、停止方转盘并上提钻柱进行起钻，当偏心钻头25下部本体中心线251和中接头21中心线恰好对齐时，可顺利进行起钻作业；但是偏心钻头25下部本体中心线251和中接头21中心线对齐的位置是有且唯一的，因此很多时候随钻扩眼作业停止后，偏心钻头25下部本体中心线251和中接头21中心线并未对齐，在起钻过程中偏心钻头25偏心一侧会被上部小井眼卡住，对本发明而言，此时开泵小排量循环钻井液驱动转子3带动偏心钻头25缓慢旋转，并继续缓慢上提钻柱，钻柱拉动上接头1、上壳体4、中壳体7和下壳体17进而带动中接头21沿下心轴22上移，当偏心钻头25旋转至下部本体中心线251和中接头21中心线对齐时，即中接头21下部的弹簧销29与心轴套筒23的定位凹槽完全对正，弹簧销29被弹簧Ⅰ28弹入定位凹槽内，如图7所示，中接头21与心轴套筒23会连接在一起，心轴套筒23停止转动，进而下心轴22和偏心钻头25停止转动；此时即可停泵继续上提钻柱，将整个偏心扩眼工具全部可靠回收。上述环节实现了本发明在随钻扩眼作业结束后偏心钻头回收方便、可靠的优点，克服了偏心钻头中心线对正困难的问题，同时本发明各个环节设计可靠，能适应井下复杂工况。