CN1082138A - 用于油/气井井口的开孔器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别适合在砾石或碎石地层中 钻进的开孔器，它包括一管状承重主体，该主体有用 于一组切割装置(8a)的固定装置(7a)，切割装置(8a) 布置在相对于管状承重主体的纵向轴线的水平面内， 开孔器最好设有稳定器和耐磨环。除固定装置(7a) 之外，还有用于至少一个其它的切割装置(8b、8c)的 固定装置(7b、7c)，它们处在相对于管状承重主体的 纵轴的水平面内，这些水平面离第一个水平面有一轴 线间距。

Description

本发明涉及一种用来钻油/气井井口的开孔器，它是为了将预先钻的小直径孔扩大。所述开孔器包括一管状体，该管状体的一端有与钻具连接的连接装置，所述管状体上设有至少用于一组切割具，如旋转切割轮的固定装置。而且开孔器上最好设有带耐磨部件的稳定器。

目前在市场上能得到的开孔器包括管状杆，其上装有钻头和滚轮，它用来钻孔和稳定钻具。作为以其两端与相邻的钻具相连接用的连接装置，这些开孔器在最下端有一螺纹连接，在最上端也有一螺纹连接。最下端螺纹连接是用来连接钻头或其它导向装置，最上端螺纹连接是用来连接钻柱或法兰盘。

当在砾石或碎石的地方钻这样的井口时，人们发现，普通的和其它现有的开孔器不具有满意的功能，并很难实现扩孔的目的。

本发明的目的在于提供一种上述类型的开孔器，它能在较大程度上克服在砾石和碎石地层中钻进时所遇到的困难。

当开孔器钻在砾石和碎石地层时涉及的主要问题如下：

当在砾石和碎石地层钻进时，钻头/开孔器组件将要从垂直位置向外偏离，因此使钻垂直孔变得更困难。由于通常在非常硬的地层遇到砾石和碎石，因此它仅仅能够维持很低的钻速（0.5-1米/每小时）。穿过处在其它松散地层中的砾石和碎石也是非常困难。由于开孔器的磨损很大且个别零件脱落，如头部脱落，从而使修理费用变得相当高。特别是在稳定器导向翼下面的开孔器主体上、导向翼上、锥体和切割具上、用于钻锥体的轴上、稳定翼上、横向滚轮上以及在稳定翼和开孔器上部之间的传递部分上磨损大。

在砾石和碎石地层中钻孔所存在的主要技术问题如下：

在一个通道中打穿一个36英吋的孔几乎是不可能的。因此，通常在打厚尺寸之前先打一个17  1/2吋的导引孔。但存在砾石或碎石有可能落入开孔器上方已开好的孔中的危险。这种危险可能再次导致钻柱被卡住。如果在这种情况下，必须提高钻速，以便将落入孔中的砾石或碎石通过离心作用再次撞入地层。为了对井孔进行有效清洗，或因不考虑液体流过开孔器，而为了尽可能获得一个较大的穿过导向装置（大头、钻头）的流量，需要非常高的泵送能力。对于开孔器/钻头，由于所需要的重量太大，使得提供相同的泵送能力变得困难。但是如果可能，可使用大法兰盘，例如直径为11  1/4吋或大于11  1/4吋。

本发明的开孔器具有如下性能：非常适合在砾石或碎石中钻进;耐磨性好;更换性能好;因而便于快速方便更换所有耐磨零件;在平台上易于操作控制;稳定性能最可靠;开孔器的结构设计坚固，它体现了本发明的总的目的。

本发明的一种特殊的目的是构成并修改一种开孔器，从而通过切割装置的位置用切割装置来保证：在同一时刻仅允许砾石或碎石与最少数的切割装置接触。该开孔器具有很好的穿透能力，特别适合松散地层的钻进。其次也特别适合在砾石或碎石地层中钻进。

所述的目的是通过权利要求书中所指出的技术特征来实现的。

借助附图来描述一个最佳实施例，并对涉及的部分作进一步解释;

其中：

图1以侧视图表示本发明开孔器的总体图;

图2表示沿图1中的截面Ⅱ剖开的局部放大图，它显示切割轮轴被固定在开孔器主体的固定装置之一中;

图3表示沿图1中的截面Ⅲ剖开的局部放大图，它显示磨损元件的可替换附件，该附件处在稳定器的一个导向翼的外端上。

图4表示旋转切割轮的局部剖面侧视图，该切割轮可更换地安装在轴上（这里，该截面图与图2中的截面图成90°角度布置，其中切割轮被省略，而仅仅显示了该轴的自由端）。

图1表示一个完整的开孔器，它设在管状主体或支座管1上。数字2和3分别表示止推环和带有导向翼片3′的可更换的耐磨环。数字4表示呈耐磨管状的稳定器，该稳定器有稳定翼片4′，数字5表示外耐磨件，特别参见图3。

止推环2焊在开孔器的支座管1上，并形成一个阻挡可更换耐磨环3的阻挡件。

从图3中可看到，耐磨件5有一锥形固定部件5′，它被放入相应的稳定翼片4′的自由端上的互补形状的空腔4″中。通过螺钉6来保证固定连接，螺钉6的螺纹轴端6′旋入稳定翼片4′的内螺纹孔中，并且它的头部6″缩到耐磨件5的阶梯孔中。

开孔器中的支座管1由固定装置7a、7b和7c形成，固定装置用于三组能转动的切割轮8a、8b和8c。

切割轮8a-8c的轴分别用9a、9b和9c来表示。下面将解释如何将轴9a、9b和9c固定在开孔器主体上的固定装置7a-7c中（图2），和如何将每个切割轮转动地支撑在其相应的轴9a、9b和9c上（图4）。

用现有技术设计的开孔器仅仅包括一组切割轮，如8a。

根据本发明，这组切割轮8a至少分成另外一组切割轮8b和/或8c，其中各个切割轮相互之间径向相对并且相对于支座管1的轴线处在同一水平面内。

这个或这些组切割轮8b和/或8c以每一组的方式相互之间径向布置，但它们处在各自的相对于支座管轴的水平面内。用于切割轮8a的水平面布置在离用于切割轮8b的水平面有一轴向距离处，而用于切割轮8b的水平面离切割轮8c的水平面也有一轴向距离。

而且，切割轮8b中的每个切割轮离支座管轴线的径向距离比切割轮8a中的每个切割轮要大些，同时切割轮c中的每个切割轮离支座管轴线的径向距离比切割轮8a和切割轮8b要大。

三组切割轮8a-8c相互之间不同，即在该组切割轮8b相对于图1中所示位置绕着支座管的轴线1′转动60°（为的是简明和概括说明）。同理，切割轮8c实际上相对图上所示位置转120°。

在图1的轴向剖面中，好象是用开孔器的支座管1以一个整体形式构成用于切割轮的固定装置7a-7c。虽然这种设计是可以相信的，但实际上通过焊接将固定装置7a-7c固定到支座管1上更合适，在焊接之后固定装置就可以使用。

通过焊接将切割轮8a-8c的轴9a-9c固定在固定装置7a-7c中。

在这种连接中，以图2作为参考，它表示一个沿图1中的截面Ⅱ剖开的截面。在这个放大的截面图中，仅仅显示了切割轮轴的自由端附近的部分和固定装置。

固定装置7a有一中心孔10，该孔10可以是连续通道，且以其外端进入向内/向外成圆锥形地渐减的空腔10′。数字11表示一个台阶，该台阶在孔10和锥形空腔10′之间构成一个止推面。

切割轮（8a）的轴9a上有一个锥面，它与锥形空腔互补且相对应，该轴9a上还设有横向通孔12，通孔12不垂直于轴9a的轴线9a′。该孔有一椭圆形截面形状，如图4所示。

在安装位置，横向孔12用来安装楔块13。在打入位置，楔块13也通过固定装置7a被安放在轴9a两侧的孔14和14′中。轴9a上的横向孔的倾斜位置的作用如下所述：在楔块13从一侧打入的过程中，楔块13的斜边将紧靠在轴9a的斜边上，而且将轴9a的斜边压入并锁在锥形空腔10′中。在楔块插入之后，为了防止楔块13脱落，用带有反向孔塞15′的孔塞15将孔14、14′密封。当把孔塞15、15′拆下时，沿与打入方向相反的方向很容易将楔块13打出来。之后可以容易地将带有切割轮（图中未示出）8a的轴9a从固定装置7a上的锥形空腔10′中拔出。

如上所述，稳定器4有一耐磨管结构，该结构有稳定翼片4′。带有稳定翼片的耐磨管可以根据假设的螺旋线来构成。这个螺旋线形状可以沿支座管1适当延伸，通过带有切割轮8c的最上端的固定装置7c向下到最下面一组切割轮8a。

如已知的那样，耐磨环3和稳定器4是可以更换的。根据现有的技术，用于这种元件的可拆卸的组装装置由螺旋接头组成。为了在工作过程中转动元件并传递力矩，必须这样设计螺纹，即相应的元件本身不会松开，但相对于支座管1却自动牢固地拧紧。这样将导致耐磨环3和/或稳定器4最后将自己牢固地拧在支座管1上，以致支座管1和耐磨环3或稳定器4之间的连接不能被松开或仅在较大的侵蚀之后才能松动。

因此，根据本发明，耐磨环3和稳定器4是通过爪形联接器、爪式离合器、卡爪或类似物将其安装在支座管1上，以便保证迅速和适宜的解锁定动作以及实现相应元件的简单拆卸。这种联接器和离合器（爪形联接器、爪式离合器或类似联接器/离合器）未在图中显示出来。

切割轮8a-8c的每个支撑不同于现有切割轮支撑，在本发明中，该支撑使用单方面的轴支撑。因此，涉及支撑切割轮的一般的叉形臂的基本磨损问题被消除。

用于切割轮的轴9a-9c用高级工具钢及特殊热处理工艺进行制造。热处理可以包括淬火、回火和渗氮。然后进行支承表面的磨削和抛光。切割轮用经过热处理的特种钢制造。在热处理接着珩磨（抛光）之后，在所得到的外齿（未示出）之间磨出一个中间齿刃区域。所设计的齿形基本上可以仿照普通的切割轮齿的形状，直到试验可以需要较大或较小的改变为止。

切割轮8a-8c最好以易于处理的切刃来制造，这种切刃在使用一段时间后就报废。象切割轮8a-8c那样的耐磨性的轴9a-9c未露出来，假定它们连续使用几次。在任何情况下，将每个切割轮8a-8c转动地支承在轴9a-9c上都是合适的。

这样，当切割轮轴装配时，首先要建立一个能相对转动的连接，从而使切割轮可以相对轴转动;第二个问题是易于拆卸，以便易于更换切割轮。

现在参照图4，它表示已组装好的切割组件（带轴的切割轮）。

为了显示切割组件的轴线9a′、8a′的方位，用钻柱的轴线16作为参照，轴线16是用点划线来表示。

图4中显示安装楔块的横向孔12的椭圆横截面形状，正如从垂直于图2的方向所看到的那样。另外还显示了除与图2中固定装置7a的锥形空腔10′相配合的锥形端部之外，切割轮9a在其延伸部分上还有一同轴的圆柱部分9a″。在轴9a的这两部分之间形成一台阶，它用数字17表示。

切割轮8a周边上设有齿8a″，它基本上是利用现有技术来制造，并与切割轮8a的主体构成一个整体。切割轮主体上有一个杯形空心部分，它有一同轴的空腔18，该空腔18开口朝着轴9a，并与轴9a上的圆柱部分9a″互补配合。将切割轮8a主体上的空腔18的直径比轴9a上圆柱部分的9a″的直径设计得稍大些，以便在空腔和轴9a″之间安装一衬套。

在靠近构成切割轮8a主体的杯形空心部分的开口端上设有一内环形槽20，该环形槽20与径向朝外开口通道21连通。

与切割轮内环形槽20径向相对的轴9a圆柱部分9a″上设有一外环形槽22，该环形槽22的截面为半圆形。轴9a的外环形槽22用来部分容纳若干轴承滚珠23，该滚珠23的另一部分处在切割轮8a上的内环形槽20内。

在组装切割组件之前（切割轮和轴），不装滚珠23。同样地也不装两个柱塞24、25和一中间加油嘴26。根据图4，该加油嘴26装在径向朝外的开口通道21中，该通道21向里分别与切割轮8a和轴9a上的环形槽20、22连通。

内柱塞24用来夹持加油嘴26，外柱塞25当作盖。

在将切割轮8a装在轴9a上之前，尽可能的往所有的空腔加入润滑油。之后将滚珠23放入封闭的环形滚珠槽中（除通道21外），该滚珠槽截面基本为圆环形，它是由两个相互邻接的环形槽20、22构成。环形槽20、22的截面基本上是半圆形，它们分别设在切割轮8a和轴9a上。当滚珠放在环形槽20、22里时，先将带有加油嘴26的柱塞24装上，之后将外柱塞25装入所述径向通道21。

因此，切割轮8a转动地与轴9a连接。之后滚珠23将承受轴向载荷。

对于所示的实施例来说，润滑油的加入是通过加油嘴26来实现。从加油嘴26将润滑油压入，通过槽22和轴9a上的向内倾斜的横向通道27，到达储油腔28。储油腔28是在轴9a内形成的。

在储油腔28内，装有一活塞29。当向储油腔加润滑油时，活塞被向后推动直到所确定的复位弹簧30完全被压缩为止。由于，活塞29没有盖住通过横向通道31的孔，该孔从储油腔28通到轴的表面，因而将润滑油向外输至密封环32外面的轴表面上。继续加油时，润滑油将被挤入这个通道31中。被挤出的过剩润滑油为一确定指标，该指标可以确定加入了多少润滑油。同时，活塞29和弹簧30还可以把润滑油推入轴9a上的轴向通道33中，轴向通道33的开口在轴9a的端面上。润滑油从通道33进入腔34，该腔34是在所述端面和相对的径向端之间形成，该径向端构成了切割轮腔18的轴向范围。腔34与轴向偏心的腔35液体连通。腔35中装有单向阀36。该阀36有一阀座37、一球38和弹簧39。在润滑油进入腔34之后，它就通过单向阀36，从单向阀36进入轴9a中形成的径向通道40。因此，当组件（切割轮和轴）中的空腔都充满了润滑油时，通过加油嘴继续加油，润滑油将被挤到密封环32的外面。部分润滑油进入密封盒41中，该密封盒41装在轴9a的轴肩17上，而该轴肩17构成了密封盒的止推面。

在轴向向外开的圆形孔42中装有一高压活塞43和一盘簧44，另外活塞的自由端导入环形槽45中，该槽45设在与切割轮8a的杯形主体的底部的相对的面上。槽45的底面在圆周方向上设有一个或多个突起部分，它们起下列作用：

当开孔器工作时，整个装置都在旋转，切割轮8a-8c沿着孔壁滚动，并在相应的轴9a-9c上旋转。此时，高压活塞43沿着环形槽45滑动。当遇到突起部分45′时，它将被推入轴9a上的圆孔42中。此时，润滑油通过横向通道40被压入到衬套19的区域中，并分配到最需要润滑油的地方。

当活塞43已经通过突起部分45′时，盘簧44将活塞43推回原来的位置，并在通道40内产生一较小的压力，使润滑油从储油腔经过通道33、空腔34、空腔35、穿过单向阀36进入通道40，将活塞以下的空穴填满。

Claims (10)

1、一种开孔器，特别是在砾石(碎石)地层中钻进用的开孔器，它包括一管状承重主体(1)，在相对管状承重主体(1)的纵向轴线(1′)水平面内，设置了一组用于切割装置(8a)的固定装置(7a)，所述的开孔器最好设有稳定器(4)和耐磨环(3)，其特征在于除所述用于切割装置(8a)的固定装置(7a)外，开孔器还有用于切割装置(8b、8c)的固定装置(7b、7c)，所述切割装置(8b、8c)的固定装置(7b、7c)设置在相对于管状承重主体(1)的纵向轴线(1′)的水平面内，它们分别离第一次提到的水平面有一段轴线距离，所述的固定装置(7b、7c)和相应的所述切割装置(8b或8c)的半径范围比固定装置(7a)和相应的切割装置(8a)的半径范围大。

2、根据权利要求1所述的开孔器，其特征在于所述固定装置（7b、7c）和固定装置（7a）在与管状承重主体（1）纵轴线（1′）垂直的假想平面内成角度布置。

3、根据权利要求2所述的开孔器，其特征在于开孔器包括用于三组或多组切割装置（8a-8c）的固定装置（7a-7c），所述固定装置（7a-7c）/切割装置（8a-8c）从下端朝上看它有一增加的半径范围，最先提到的最下部的固定装置（7a）在所述平面内有第一个方向，上层用于第二组切割装置（8b）的固定装置（7b）与第一个提到的固定装置（7a）成大约60°角度布置，再上层用于第三组切割装置（8c）的固定装置（7c）与第一个提到的固定装置（7a）成大约120°角度布置。

4、根据上述任一项权利要求所述的开孔器，其中每个切割装置（8a-8c）有一轴（9a-9c），该轴与给定的固定装置（7a-7c）一起组成能拆卸的配合，其特征在于每个固定装置都有一个向外开的锥形空腔（10′），该腔用来安装相应切割装置（8a-8c）的轴（9a-9c）的锥形连接部分在固定装置（7a-7c）的锥形空腔（10′）里有两个相应的横向孔（14、14′），它用来装楔杆（13），楔杆（13）用来将轴（9a-9c）锁定在固定装置（7a-7c）上，轴（9a-9c）上有一横向通孔12，它用来装楔杆（13），横向孔12的轴线与轴（9a）的轴线（9a′）之间的角度不是90°角。

5、根据以上任一个权利要求所述的开孔器，其中稳定器（4）上设有稳定翼片（4′），其特征在于所述每个稳定器翼片（4′）的径向外端上都安装有一耐磨件（5），并且该耐磨件（5）能从相应的稳定器翼片（4′）上拆下来。

6、根据权利要求5所述的开孔器，其特征在于稳定器（4）和耐磨环（3）是通过爪形联接器，牙嵌式离合器或其它类似工具将其安装在开孔器的管状承重主体（1）上，在稳定器（4）和耐磨环（3）之间形成一个用于切割装置（8a-8c）的固定装置（7a-7c）的轴向区域。

7、根据前述的一个或多个权利要求所述的开孔器，其特征在于每个切割装置（8a-8c）包括一轴（9a-9c），该轴（9a-9c）是作为一个独立的构件，轴通过转动连接（20、22、23）相对于切割装置（8a-8c）转动，切割轮（8a-8c）可以拆卸下来更换，在切割轮（8a-8c）的圆周面上设有切割齿（8a″）。

8、根据权利要求7所述的开孔器，其特征在于切割轮（8a-8c）是以基本上是杯形空心体的形式构成，该空心体有一内环形槽（20），内环形槽（20）与轴部分（9a″）上的外环形槽（22）相对应，轴部分（9a″）能插到所述空心体的圆柱形空腔内，相对的环形槽（20、22）构成了一个近似圆形截面的封闭的环状空间，它用来安放许多支承滚珠（23），滚珠（23）是通过横向通道（21）放到环状空间，横向通道（21）的径向内口对着所述的环状空间（20、22）。

9、根据权利要求8所述的开孔器，其特征在于所述横向通道（21）最好用柱塞（25）封住，在它里面装有加油嘴（26），通过该加油嘴（26）可以把润滑油泵入承受磨损的间隙中，即安装在空腔（18）壁和与该空腔（18）配合的轴（9a）部分端部的相对面之间的衬套（19），轴（9a）有一个润滑油储油腔（28），其中装有弹簧（30）加载的活塞（29），储油腔（28）一部分与横向通道（27）连通，在通道（27）的另一端进入加油嘴（26）的区域，一部分与轴向通道33连通，通道33的另一端通入轴（9a）的端面和切割装置（8a）内壁之间的间隙（34），该间隙（34）通过装有单向阀（36）的横向通道（35）与横向通道（40）连通，该通道（40）径向向外延伸到所述衬套（19）的地方。

10、根据权利要求9所述的开孔器，其特征在于横向通道（40）与轴（9a）上轴向向外开的圆孔（42）连通，所述圆孔（42）内装有轴向往复弹簧（44）加载的活塞（43），圆孔（42）开口方向朝着与轴的端面相对的切割轮（8a）的杯形空心体的内壁，活塞（43）的外端与切割轮（8a）内壁上形成的内环形槽（45）滑动配合，该内环形槽（45）中设有一个或多个突起部分（45′），该突起部分（45′），作用在活塞（43）上并将它压回，在切割轮（8a）在轴（9a）上旋转的过程中，活塞（43）与突起部分或每一突起部分（45′）相接触，因此为了把润滑油从活塞（43）的圆孔（42）中挤出，而通过上面所提到的通道（40）将润滑油挤到所述衬套（19）的区域。

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