一种随钻扩眼工具

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随钻扩眼工具。

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，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。

国外在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，国外已研制出多种随钻扩眼器，主要有偏心钻头和液压扩眼器。单纯使用偏心钻头在扩眼过程中主要存在以下问题：扩眼刀翼单边受力、扭矩大、机械钻速低、井眼扩大尺寸有限。目前使用的国外液压扩眼器在作业过程中存在的主要问题有以下几点：服务费用昂贵；利用压差推动刀翼张开，但不能准确判断刀翼是否张开到扩眼所需尺寸，扩眼效果达不到要求；刀翼张到最大后没有锁定机构，随着压力的变化外径易发生变化；如产生泥包，弹簧的推力不够，刀翼不能收回；水眼处没有单流阀，水眼容易堵塞等问题。国内开展随钻扩眼钻井相关研究较晚，有关介绍随钻扩眼工具理论分析、随钻扩眼工具研发及现场应用的文章相对较少，许多理论尚不完善。进口偏心钻头及液压扩眼器在使用过程中存在的问题在国产工具中都有所体现，同时，国产液压扩眼器扩眼效率低、结构不够合理、工作安全性差和寿命短的问题更为突出，难以满足海洋钻井的技术要求。因此，目前国产扩眼器的结构迫切需要进一步完善以提高其工作可靠性。

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服务费用高、国内偏心扩眼工具回收安全性差及随钻扩眼工具扩眼效率低等问题，本发明特提供一种随钻扩眼工具。

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的效率，降低扩眼成本，特提供一种随钻扩眼工具。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明一种随钻扩眼工具，是由上接头，上壳体，螺旋转子，推力轴承，橡胶定子，万向轴，中壳体，中接头，端盖Ⅰ，O型密封圈，轴承座，轴承Ⅰ，下壳体，上唇形密封圈，上偏心环，上心轴，内连接筒，轴承Ⅱ，端盖Ⅱ，下接头，下心轴，滚珠，套杯，换向接头，端盖Ⅲ，螺钉，转换接头，偏心钻头，弹簧，锁紧螺帽，活塞销，下唇形密封圈和下偏心环构成。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，下壳体下端与下接头上端螺纹连接；螺旋转子下端与万向轴上端螺纹连接，万向轴下端与中接头上端螺纹连接，中接头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；转换接头上端与换向接头下端螺纹连接，转换接头下端与偏心钻头上端螺纹连接。

所述上壳体内腔上部设置有一环形台阶，螺旋转子上部设置有圆形支撑台，支撑台底部设置有推力轴承，推力轴承下部与上壳体内腔上部的环形台阶面接触，螺旋转子内部为实心，螺旋转子支撑台面上均匀分布有多个圆形通孔，用以连通螺旋转子支撑台上部空间与下部空间，螺旋转子中部设置有螺旋翼，螺旋翼外侧与橡胶定子内表面接触，橡胶定子外圆柱面与上壳体内表面粘接在一起；端盖Ⅰ端面设置有通孔，端盖Ⅰ外圆与中壳体内壁之间设置有O型密封圈，端盖Ⅰ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上端面与端盖Ⅰ底部接触，轴承Ⅰ下端面与轴承座下部的台阶面接触。

所述内连接筒置于下壳体内腔，内连接筒上端与轴承座下端螺纹连接，上偏心环安装在内连接筒内腔上部，下偏心环安装在内连接筒内腔下部，内连接筒内腔上部设置有台肩，上偏心环底部与内连接筒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套在中接头中部，中接头中部设置有台肩，其中一个轴承Ⅱ底部与中接头中部的台肩接触，中接头上端为实心，中接头内部设置有中心通道，中接头上部设置有通孔连通中接头中心通道与外腔，上偏心环上部与中接头之间设置有上唇形密封圈；内连接筒内腔下部设置有台肩，下偏心环上端面与内连接筒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套在上心轴中部，下偏心环下部与上心轴之间设置有下唇形密封圈，上心轴设置有中心通孔，上偏心环内腔偏心孔和下偏心环内腔偏心孔轴线对齐；端盖Ⅱ上部与内连接筒下端螺纹连接，端盖Ⅱ内部设置有通孔，端盖Ⅱ顶部与下偏心环底部接触，端盖Ⅱ外圆柱面与下壳体之间设置有O型密封圈，上心轴穿过端盖Ⅱ内部通孔。

所述下接头内腔设置一偏心台阶孔，下接头下部设置一活塞孔，下接头内腔设置一过流孔连通活塞孔和内腔上端面；下心轴上部设置一通孔连通下心轴内外腔空间，下心轴外圆下部设置为外花键；换向接头内腔上部设置为内花键，换向接头外圆上部周向均匀设置六个半球形凹槽，换向接头外圆柱中部设置一圈换向槽；下心轴外圆下部外花键插入换向接头内腔上部内花键；六个滚珠分别安装在换向接头外圆上部的六个半球形凹槽内；套杯内腔上部设置为圆弧形台阶，套杯置入下接头内腔的偏心台阶孔内，套杯外圆和下接头偏心台阶孔实行紧配合；下心轴和换向接头整体置入下接头内腔的偏心台阶孔内，滚珠与套杯内腔上部圆弧形台阶压紧承受钻压；活塞销和弹簧置入下接头下部的活塞孔内，锁紧螺帽和下接头下部活塞孔孔口通过螺纹固紧；在弹簧作用下，活塞销前端圆柱头插入换向接头外圆中部的下换向槽内；端盖Ⅲ内腔设置一偏心孔，换向接头穿过端盖Ⅲ内腔偏心孔；端盖Ⅲ与下接头下端面通过螺钉连接；偏心钻头上部连接螺纹中心线与偏心钻头下部本体中心线之间设置有偏心距。

所述换向接头外圆柱中部的换向槽由下换向槽和上换向槽构成。

所述偏心钻头和转换接头之间的旋转角度采用垫片调节。

所述唇形密封圈的唇口槽内均设置有环形密封圈。所述中接头上部设置的通孔有二～四个。

下井前偏心钻头下部本体中心线和下接头本体中心线对齐，上接头上端与上部钻柱连接并送入井内，进行随钻扩眼作业时，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，然后开启钻井泵并小排量循环钻井液，高压钻井液从下接头的过流孔流入活塞孔，推动活塞销克服弹簧的作用力产生移动，活塞销前端圆柱头脱离换向接头外圆中部的下换向槽；此时大排量循环钻井液，高压钻井液驱动螺旋转子高速旋转，下心轴在螺旋转子作用下旋转，进而驱动换向接头、转换接头和偏心钻头自转，井口方转盘驱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随钻扩眼作业；完成随钻扩眼作业后，停泵上提钻柱，活塞销在弹簧的作用下产生回移，活塞销前端圆柱头插入换向接头外圆中部的下换向槽内；上提钻柱的过程中，换向接头、转换接头和偏心钻头在下部阻力作用下相对下心轴轴向下移，活塞销前端圆柱头从下换向槽滑移至上换向槽，换向接头在换向槽的作用下旋转固定的角度；下放本发明至井底，换向接头、转换接头和偏心钻头相对下心轴轴向上移，即活塞销前端圆柱头从上换向槽滑移至下换向槽，再次上提钻柱，换向接头、转换接头和偏心钻头在下部阻力作用下相对下心轴轴向下移，换向接头在换向槽的作用下再次旋转固定的角度；重复上述上提下放钻柱的操作方式，直至偏心钻头下部本体中心线和下接头本体中心线对齐，使下部阻力消失，进而实现顺利起钻，将整个扩眼工具全部可靠回收。

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，利用井口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+自转的复合旋转，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）本发明利用偏心钻头进行随钻扩眼作业，相比扩眼刀翼式的扩眼工具，故障率低，有利用降低钻井成本；（4）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驱动随钻扩眼工具的原始状态结构示意图。

图2是本发明在随钻扩眼工作状态的结构示意图。

图3是本发明在随钻扩眼工作结束后起钻状态的结构示意图。

图4是图3的A-A截面剖视图。

图5是图3 B处的局部放大视图。

图6是换向接头的三维结构图。

图中：1—上接头，2—上壳体，3—螺旋转子，4—推力轴承，5—橡胶定子，6—万向轴，7—中壳体，8—中接头，9—端盖Ⅰ，10—O型密封圈，11—轴承座，12—轴承Ⅰ，13—下壳体，14—上唇形密封圈，15—上偏心环，16—上心轴，17—内连接筒，18—轴承Ⅱ，19—端盖Ⅱ，20—下接头，21—下心轴，22—滚珠，23—套杯，24—换向接头，25—端盖Ⅲ，26—螺钉，27—转换接头，28—偏心钻头，29—弹簧，30—锁紧螺帽，31—活塞销，32—下唇形密封圈，33—下偏心环，201—过流孔，241—下换向槽，242—上换向槽。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明一种随钻扩眼工具，是由上接头1，上壳体2，螺旋转子3，推力轴承4，橡胶定子5，万向轴6，中壳体7，中接头8，端盖Ⅰ9，O型密封圈10，轴承座11，轴承Ⅰ12，下壳体13，上唇形密封圈14，上偏心环15，上心轴16，内连接筒17，轴承Ⅱ18，端盖Ⅱ19，下接头20，下心轴21，滚珠22，套杯23，换向接头24，端盖Ⅲ25，螺钉26，转换接头27，偏心钻头28，弹簧29，锁紧螺帽30，活塞销31，下唇形密封圈32和下偏心环33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2上端螺纹连接，上壳体2下端与中壳体7上端螺纹连接，中壳体7下端与下壳体13上端螺纹连接，下壳体13下端与下接头20上端螺纹连接；螺旋转子3下端与万向轴6上端螺纹连接，万向轴6下端与中接头8上端螺纹连接，中接头8下端与上心轴16上端螺纹连接，上心轴16下端与下心轴21上端螺纹连接；转换接头27上端与换向接头24下端螺纹连接，转换接头27下端与偏心钻头28上端螺纹连接。

所述上壳体2内腔上部设置有一环形台阶，螺旋转子3上部设置有圆形支撑台，支撑台底部设置有推力轴承4，推力轴承4下部与上壳体2内腔上部的环形台阶面接触，螺旋转子3内部为实心，螺旋转子3支撑台面上均匀分布有多个圆形通孔，用以连通螺旋转子3支撑台上部空间与下部空间，螺旋转子3中部设置有螺旋翼，螺旋翼外侧与橡胶定子5内表面接触，橡胶定子5外圆柱面与上壳体2内表面粘接在一起；端盖Ⅰ9端面设置有通孔，端盖Ⅰ9外圆与中壳体7内壁之间设置有O型密封圈10，端盖Ⅰ9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Ⅰ12置于轴承座11和下壳体13之间，轴承Ⅰ12上端面与端盖Ⅰ9底部接触，轴承Ⅰ12下端面与轴承座11下部的台阶面接触。

所述内连接筒17置于下壳体13内腔，内连接筒17上端与轴承座11下端螺纹连接，上偏心环15安装在内连接筒17内腔上部，下偏心环33安装在内连接筒17内腔下部，内连接筒17内腔上部设置有台肩，上偏心环15底部与内连接筒17内腔上部的台肩接触，上偏心环15内部设置有阶梯偏心孔，轴承Ⅱ18有两个，其中一个轴承Ⅱ18置于上偏心环15的偏心孔内，其中一个轴承Ⅱ18套在中接头8中部，中接头8中部设置有台肩，其中一个轴承Ⅱ18底部与中接头8中部的台肩接触，中接头8上端为实心，中接头8内部设置有中心通道，中接头8上部设置有通孔连通中接头8中心通道与外腔，中接头8上部设置的通孔有二～四个，在本实施例中该通孔设置有两个，上偏心环15上部与中接头8之间设置有上唇形密封圈14；内连接筒17内腔下部设置有台肩，下偏心环33上端面与内连接筒17内腔下部的台肩接触，下偏心环33内部设置有阶梯偏心孔，另一个轴承Ⅱ18置于下偏心环33的偏心孔内，另一个轴承Ⅱ18套在上心轴16中部，下偏心环33下部与上心轴16之间设置有下唇形密封圈32，上心轴16设置有中心通孔，端盖Ⅱ19上部与内连接筒17下端螺纹连接，端盖Ⅱ19内部设置有通孔，上偏心环15内腔偏心孔和下偏心环33内腔偏心孔轴线对齐；端盖Ⅱ19顶部与下偏心环33底部接触，端盖Ⅱ19外圆柱面与下壳体13之间设置有O型密封圈10，上心轴16穿过端盖Ⅱ19内部通孔。所述唇形密封圈的唇口槽内均设置有环形密封圈，密封效果更好。

所述下接头20内腔设置一偏心台阶孔，下接头20下部设置一活塞孔，下接头20内腔设置一过流孔201连通活塞孔和内腔上端面；下心轴21上部设置一通孔连通下心轴21内外腔空间，下心轴21外圆下部设置为外花键；换向接头24内腔上部设置为内花键，换向接头24外圆上部周向均匀设置六个半球形凹槽，换向接头24外圆柱中部设置一圈换向槽，换向槽由下换向槽241和上换向槽242构成，如图6所示；下心轴21外圆下部外花键插入换向接头24内腔上部内花键；六个滚珠22分别安装在换向接头24外圆上部的六个半球形凹槽内，如图4所示；套杯23内腔上部设置为圆弧形台阶，套杯23置入下接头20内腔的偏心台阶孔内，套杯23外圆和下接头20偏心台阶孔实行紧配合；下心轴21和换向接头24整体置入下接头20内腔的偏心台阶孔内，滚珠22与套杯23内腔上部圆弧形台阶压紧承受钻压；活塞销31和弹簧29置入下接头20下部的活塞孔内，锁紧螺帽30和下接头20下部活塞孔孔口通过螺纹固紧；在弹簧29作用下，活塞销31前端圆柱头插入换向接头24外圆中部的下换向槽241内，如图5所示；端盖Ⅲ25内腔设置一偏心孔，换向接头24穿过端盖Ⅲ25内腔偏心孔；端盖Ⅲ25与下接头20下端面通过螺钉26连接；偏心钻头28上部连接螺纹中心线与偏心钻头28下部本体中心线之间设置有偏心距。

如图1所示，下井前通过垫片调节偏心钻头28与转换接头27之间的旋转角度，使偏心钻头28下部本体中心线和下接头20本体中心线对齐，上接头1上端与上部钻柱连接并送入井内；进行随钻扩眼作业时，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，然后开启钻井泵并小排量循环钻井液，高压钻井液从下接头20的过流孔201流入活塞孔，推动活塞销31克服弹簧29的作用力产生移动，活塞销31前端圆柱头脱离换向接头24外圆中部的下换向槽241，如图2所示；此时大排量循环钻井液，高压钻井液驱动螺旋转子3高速旋转，下心轴21在螺旋转子3作用下旋转，进而驱动换向接头24、转换接头27和偏心钻头28自转，如图2所示，井口方转盘驱动整个扩眼工具系统随钻柱一起进行公转，即偏心钻头28在公转+自转的复合运动下进行随钻扩眼作业。本发明结合偏心钻头进行随钻扩眼作业，可驱动偏心钻头进行公转+自转的复合旋转运动，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，停泵上提钻柱，活塞销31在弹簧29的作用下产生回移，活塞销31前端圆柱头插入换向接头24外圆中部的下换向槽241内。上提钻柱的过程中，当本装置被上提至扩眼井段缩径段时，若偏心钻头28下部本体中心线和下接头20中心线对齐，则钻柱和本装置会被顺利起出井口；若偏心钻头28下部本体中心线和下接头20中心线未对齐，即起钻至扩眼井段缩径段时偏心钻头28遇卡，此时缓慢上提钻柱，钻柱会拉动上接头1、上壳体2、中壳体7、下壳体13和下接头20一起缓慢上移，即换向接头24、转换接头27和偏心钻头28在下部阻力作用下相对下心轴21轴向下移，活塞销31前端圆柱头从下换向槽241滑移至上换向槽242，换向接头24在换向槽的作用下旋转固定的角度；下放本发明至井底，换向接头24、转换接头27和偏心钻头28相对下心轴21轴向上移，即活塞销31前端圆柱头从上换向槽242滑移至下换向槽241，再次上提钻柱，换向接头24、转换接头27和偏心钻头28在下部阻力作用下相对下心轴21轴向下移，换向接头24在换向槽的作用下再次旋转固定的角度；重复上述上提下放钻柱的操作方式，直至偏心钻头28下部本体中心线和下接头20本体中心线对齐，如图3所示，使下部阻力消失，进而实现顺利起钻，将整个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，有效解决了偏心钻头回收失败造成的经济损失；同时本发明各个环节设计可靠，能适应井下复杂工况；本发明利用偏心钻头进行随钻扩眼作业，相比扩眼刀翼式的扩眼工具，故障率低，有利于降低钻井成本。