一种开门式刀翼随钻扩眼器

本发明涉及石油天然气钻井井下工具，具体涉及一种利用固定铰接支承和凸轮滚子传动实现刀翼定轴开合、并利用两级投球机构切换液压激活状态的随钻扩眼器。

背景技术：

1、深井、超深井、水平井和复杂结构井的钻进过程中，常需在目标井段扩大井眼直径，以改善套管下入、固井和井眼清洁条件。随钻扩眼器能够随钻柱下入井内，并在目标井段展开刀翼完成扩眼，可减少因专门扩眼而增加的起下钻作业。

2、现有部分液压扩眼工具采用活塞直接径向顶推刀翼、楔块推出刀翼或活动连杆带动刀翼。当刀翼缺少位置固定的转轴约束时，驱动件与刀翼之间容易形成平移和摆动相耦合的运动，刀翼的展开半径和开合轨迹受装配间隙、切削反力及冲击振动影响较大，传动副也可能承受本应由支承结构承担的切削载荷。

3、另有部分扩眼工具依靠停泵使驱动腔失压并回收刀翼。若恢复钻井液循环后高压流道再次与驱动腔连通，刀翼可能重新展开，不利于工具以收回状态继续循环或通过缩径井段。刀翼收回后若明显凸出外壳，也会增加下入、起出过程中的遇阻风险。

4、因此，需要一种能够明确分离刀翼支承承载路径与凸轮驱动路径、使刀翼按预定轨迹定轴开合，并能够在保持钻井液主循环时维持去激活状态的随钻扩眼器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种开门式刀翼随钻扩眼器，以解决刀翼开合轨迹易受载荷扰动、驱动副承载过大、刀翼回收后恢复循环可能再次展开以及收回外形不利于工具通过的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种开门式刀翼随钻扩眼器，包括扩眼器外壳、刀翼、刀翼支撑套、凸轮套筒、随动滚子、刀翼短摇臂、环形驱动活塞、整体芯轴、压缩弹簧、驱动环、上球座、下球座、上端帽和下端帽。扩眼器外壳设有与刀翼对应的刀翼仓。

3、刀翼组件包括刀翼、刀翼短摇臂和随动滚子。刀翼靠近一侧边缘设有同轴的两个短轴头；扩眼器外壳内壁固定有分别位于刀翼仓轴向两端的两个刀翼支撑套，两个短轴头分别与两个刀翼支撑套转动配合，从而形成位置固定并由外壳支承的刀翼转轴。

4、刀翼短摇臂连接于刀翼内侧，随动滚子可转动地安装于刀翼短摇臂的自由端。凸轮套筒套设于整体芯轴外并能够轴向移动，凸轮套筒设有容纳随动滚子的弧形导向槽。驱动机构驱动凸轮套筒沿轴向移动，弧形导向槽通过随动滚子和刀翼短摇臂向刀翼施加转矩，使刀翼绕位置固定的刀翼转轴在收回位置与展开位置之间转动。

5、优选地，弧形导向槽为从两侧约束随动滚子的封闭导向槽，并包括收回保持段、过渡驱动段和展开保持段；过渡驱动段依据刀翼转轴位置、刀翼短摇臂有效长度和预定展开角确定，使凸轮套筒的轴向位移与随动滚子的圆弧运动相匹配。

6、优选地，驱动机构包括环形驱动活塞，弹性复位机构包括压缩弹簧和驱动环。环形驱动活塞与凸轮套筒传动连接，压缩弹簧套设于整体芯轴外并通过驱动环向凸轮套筒施加复位力。环形驱动活塞受压时驱动刀翼展开，环形驱动活塞失压时，压缩弹簧驱动刀翼收回。

7、优选地，扩眼器还包括投球液压控制机构。投球液压控制机构包括沿钻井液流动方向设置并由可剪断限位件保持初始位置的上球座和下球座。第一投球能够穿过上球座并与下球座密封配合，通过憋压使下球座移动至接通活塞腔的激活位置；第二投球能够与上球座密封配合，通过憋压使上球座移动至切断活塞腔高压流道的去激活位置。

8、优选地，整体芯轴设有通往钻头的中心钻井液通道。上球座移动至去激活位置时，活塞腔与高压钻井液隔断，而中心钻井液通道打开或保持连通，使刀翼能够在收回状态下继续进行钻井液循环。

9、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

10、第一，两个刀翼支撑套与刀翼上下短轴头构成位置固定的铰接支承，使主要切削反力和冲击载荷经刀翼支撑套传递至扩眼器外壳；凸轮槽—滚子副主要承担开合驱动功能，由此减少切削载荷对驱动轨迹的干扰，降低传动副过载、偏斜和卡滞的可能性。

11、第二，固定刀翼转轴与按运动关系设计的弧形导向槽共同限定刀翼开合轨迹，使刀翼能够按预定展开角和扩眼半径重复动作；封闭导向槽在复位时对随动滚子形成反向牵引，有利于刀翼主动、按原路径收回，从而改善扩眼尺寸的可控性和机构复位可靠性。

12、第三，第一投球建立扩眼激活状态，第二投球建立扩眼去激活状态。完成第二次投球后，即使恢复钻井液循环，活塞腔仍与高压钻井液隔断，刀翼保持收回，降低非扩眼井段再次误展开及由此造成遇阻、卡滞的风险，同时保持钻井液向钻头输送。

13、第四，刀翼收回后嵌入与其外形相适配的刀翼仓，外侧面与扩眼器外壳外圆弧面基本齐平，可减小工具下入和起出过程中的通过阻力；凸轮套筒、环形驱动活塞和复位弹簧围绕整体芯轴布置，有利于利用有限的井下径向空间。

14、第五，随动滚子与弧形导向槽滚动配合，可降低开合过程中的滑动摩擦；滚子轴端设置挡圈、轴肩或锁紧结构，可降低高速旋转和振动条件下随动滚子轴向脱出的风险。

1.一种开门式刀翼随钻扩眼器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的开门式刀翼随钻扩眼器，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的开门式刀翼随钻扩眼器，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的开门式刀翼随钻扩眼器，其特征在于，包括整体芯轴（9）和弹性复位机构，所述驱动机构包括与所述凸轮套筒（4）传动连接的环形驱动活塞（7），所述弹性复位机构包括套设于所述整体芯轴（9）外部的压缩弹簧（2）以及与所述压缩弹簧（2）抵接的驱动环（3）；所述环形驱动活塞（7）受压时驱动所述凸轮套筒（4）移动并使所述刀翼（5）展开，所述环形驱动活塞（7）失压时，所述压缩弹簧（2）通过驱动环（3）推动所述凸轮套筒（4）返回，使所述弧形导向槽（15）反向带动随动滚子（6）、刀翼短摇臂（13）和刀翼（5）回到收回位置。

5.根据权利要求4所述的开门式刀翼随钻扩眼器，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的开门式刀翼随钻扩眼器，其特征在于：

7.一种利用权利要求5或6所述开门式刀翼随钻扩眼器进行扩眼的工作方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于：