一种多功能钻具短节的制作方法

1.本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探等钻井工具技术领域，特别涉及一种多功能钻具短节。


背景技术：

2.目前，在石油钻井过程中，井壁不稳定的问题仍旧困扰着现场工作的进行。在钻进过程中，由于应力变化以及钻井液浸泡等原因，井筒表面的岩石常常会因失稳而发生块状的脱落，当这种岩石掉块尺寸较大或硬度较高时，常常会楔入稳定器或钻头与井壁之间的间隙中，造成扭矩波动，严重时会损坏钻头或稳定器，甚至造成卡钻，严重影响钻井进程。
3.在大斜度定向井和水平井钻井中，岩屑容易因重力堆积在井壁上，进而在井筒中形成岩屑床，岩屑床一旦形成，岩屑的上返难度就会显著增大，特别是当岩屑尺寸较大时就更加难以上返，从而造成钻具摩阻大幅增加，钻具在上提或下放时发生阻滞，钻井效率显著下降，严重时甚至会导致卡钻、埋钻。所以，一方面将井壁上的岩屑做二次破碎使其细化，另一方面通过搅动等方法促使岩屑脱离岩屑床，岩屑的上返就比较容易实现。
4.由于钻井过程中钻头的复杂切削运动等原因，常常导致井筒表面质量不光滑，从而造成钻具摩阻增大，钻具磨损加剧。这种现象在定向井和水平井中更加突出。当地层岩石硬度高、不均质性强时，这种现象的副作用更大。所以，通过在钻柱上设置具有修整井壁的工具短节是很有价值的。
5.稳定器(也称扶正器)是常用的钻井工具，对钻具组合的调整、井眼轨迹的控制以及钻柱横向振动的控制都具有重要意义。通常的稳定器包括固定式和滚子扶正器两类。固定式的缺点是直径较大(特别是采用满眼结构)时，扭矩阻力大。滚子扶正器虽然能有效降扭，但因为滚子设置在稳定器外缘，滚子尺寸小，轴承尺寸更小，过度磨损时容易发生滚子脱落事故。如何在降扭的同时提高滚子的工作可靠性，是一个重要问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多功能钻具短节(简称短节)，可安装在钻头上方，也可安装在钻柱之间，主要用于解决以下问题：(1)井壁掉块易造成钻具和钻头憋卡；(2)常规滚子扶正器的可靠性不高，易因滚轮轴承失效而发生滚轮脱落事故；(3)在定向井、水平井中，大颗粒岩屑沉积在井壁而形成岩屑床，使岩屑难以上返，从而对钻具造成双向的阻滞作用； (4)常规固定式稳定器或扶正器因与井壁的滑动摩擦或刮切作用而导致扭矩过大，不仅影响能量传递，也降低了钻柱的工作安全性。
7.本发明通过如下技术方案解决上述问题：一种多功能钻具短节，包括短节本体(简称本体) 和至少一个滚筒，所述短节本体的至少一端具有连接螺纹，其特征在于：所述滚筒具有基体、工作面和内孔，在所述短节本体的外表面设置有滚筒装配面，滚筒的内孔套装在短节本体的滚筒装配面处，滚筒能相对本体自由转动，也即绕本体滚筒转配面的中心自由转动滚筒装配面滚筒装配面。滚筒的最外侧的表面区域是滚筒的工作面。滚筒的工作面(简
称工作面)具体是指滚筒上与井壁、岩块或岩屑相接触的外表面，包括其上所设置的耐磨表层和/或牙齿。滚筒的工作面上的耐磨表层可以用敷焊、喷焊等方式形成。工作面上还可包括分布的多个牙齿，牙齿可通过过盈配合或焊接方式镶固于滚筒基体，也可通过机加工或烧结方式在基体上直接形成。牙齿可以是突出于滚筒基体表面的出露式结构，也可为非出露式结构(牙齿顶部与基体表面齐平或下沉)。
8.当短节随钻柱在井下旋转工作时，短节上的滚筒能相对井壁表面施加碾压或冲击碾压作用 (具有牙齿的滚筒，冲击作用更强)，不仅能有效减小钻具扭矩，而且能避免或缓解定向井、水平井中的岩屑堆积，还能起到防井壁掉块造成的憋卡、稳定钻具以及修整井壁等作用，滚筒及其轴承(滚筒内壁与短节本体上的滚筒装配面形成的旋转运动副)的承压能力强，不易破裂落井，工作可靠性高，破碎岩块或岩屑的能力强、效率高。滚筒可以采用连续工作面结构(图6)，也可以采用棱脊式工作面结构(图7、8)。棱脊式工作面结构是指滚筒外部的工作面由多个棱脊组成，相邻棱脊之间形成导流槽，以利于钻井液和岩屑通过。采用棱脊式工作面的滚筒为棱脊式滚筒。棱脊式滚筒的棱脊数不少于2，较优的范围是3-6。
9.本发明中滚筒的尺寸相对较大，可以达到与井筒直径相同或略小的程度，所以滚筒内的轴承尺寸也远远大于常规滚子扶正器中滚轮的轴承，所以，滚筒的承载能力和轴承寿命明显优于常规的滚子扶正器，滚筒的安全可靠性能够得到充分保障，不易因过度磨损或破裂而落入井中，从而造成钻井事故。
10.井壁掉块一般比钻井岩屑大得多，常常会卡在钻具稳定器与井壁之间，或pdc钻头刀翼保径块与井壁之间，造成钻具或钻头的憋卡，不仅可能导致卡钻，而且剧烈的憋卡载荷波动还可能造成工具、钻头及钻柱的损坏。本发明的多功能钻具短节可以单个或多个组合的形式设置在钻柱之间，特别是设置在大倾角井段和水平井段，也可直接设置在钻头上方。在钻进过程中短节随着钻头旋转，井壁掉块下落经过所述滚筒的位置时，会被滚筒碾压破碎，再掉入下部pdc钻头处的掉块就比较小，降低钻头卡钻的风险。
11.在定向井、水平井中，大颗粒岩屑沉积在井壁而形成岩屑床，使岩屑难以上返，从而对钻具造成双向的阻滞或阻卡作用，严重影响钻井效率和钻井安全性。本发明的短节因为具有承载能力强的大尺寸滚筒，所以能高效碾压岩屑床使岩屑发生二次破碎，以利于岩屑的上返排出，避免岩屑堆积在井壁上，从而减少钻具移动的阻滞或阻卡力。所述滚筒上设置的牙齿可采用硬质合金或金刚石复合牙齿(如平面或三维表面的pdc复合片等)等耐磨材料，耐磨牙齿提高了碾压、冲击破碎井壁掉块或井筒岩屑的效率，也使牙齿具有较长的工作寿命。
12.在所述短节上，滚筒与短节本体之间的轴承连接可采用滑动轴承，也可采用滚动轴承或二者相结合的复合轴承，当采用滑动轴承时，在滚筒内孔与短节本体上滚筒装配面之间可以设置浮动或固定的轴承衬套。
13.所述牙齿可以采用楔形齿、锥球齿、球形齿、勺形齿、尖锥齿等齿型。
14.所述牙齿也可以是设置在滚筒上的滚动体，在发挥碾压作用的同时，还可以自由滚动，减少滚筒与井壁的阻力。
15.所述短节的螺纹连接井底钻头或其它钻具。所述滚筒内壁与短节本体上的滚筒装配面滚筒装配面形成摩擦副，使滚筒可绕短节轴线旋转。并可在滚筒装配面和滚筒之间设置密封结构，并在密封腔内使用润滑脂以减缓该摩擦副的磨损，延长其寿命。
16.作为优选，所述滚筒的轴向定位通过u形槽结构实现，在短节体上设置凹槽(简称u型槽)，滚筒设置于u型槽内。这种定位方式的好处是定位牢靠，定位装置的轴向承载能力强。
17.作为优选，所述滚筒的轴向定位通过在轴承中设置滚动体和滚动体槽的方式来实现。这种定位方式的好处是运转轻快，摩擦发热少。
18.作为优选，所述滚筒的轴向定位通过在滚筒端面设置挡圈或定位套的方式来实现。这种定位方式的好处是结构简单、紧凑。
19.作为优选，所述滚筒的外侧面设置数个导流孔，设置导流孔有利于钻井泥浆的上返。
20.作为优选，所述短节本体上还设置有固定式稳定块，所述对于要求较长尺寸的短节，在短节上设置有固定式稳定块，稳定块上具有耐磨表层，或具有牙齿，固定式稳定块除了也能够起到稳定钻具、破碎岩块或岩屑的作用之外，在大斜度定向井和水平井中，还能起到搅动岩屑床，使堆积的岩屑离开井壁的作用，与滚筒相配合，能使短节的工作性能进一步提升。呈棱脊式周向布置的固定式稳定块，棱脊数量不少于2个。
21.作为优选，所述短节本体上设置有2组轴向位置分隔开的固定式稳定块，至少1个滚筒设置在2组固定式稳定块之间。
22.作为优选，在短节上同时采用滚筒和固定筒，固定筒也具有基体、工作面和内孔，所述固定筒的工作面上也具有耐磨表层，或具有分布于其工作面上的多个牙齿，在所述短节本体的外表面设置有固定筒装配面，固定筒的装配面可以单独设置，也可采用滚筒的装配面，固定筒的内孔套装并固定在短节本体的固定筒装配面处，除了不能旋转之外，其它主要结构与滚筒基本相同或相近。固定筒的功能与固定式稳定块基本相同，但因为装拆方便，所以具有更好的结构可调整性和互换性。当短节上同时具备滚筒和固定筒时，特别是当旋转筒与固定筒相间布置时，固定筒的搅动作用与滚筒的碾压冲击破碎作用相结合，能更好地达到清除岩屑床，降低定向井、水平井钻柱阻滞力，提高钻井效率的效果。
23.作为优选，在短节上设置有至少1个固定筒和至少2个滚筒，至少有1个固定筒设置在2 个滚筒之间。
24.作为优选，在短节上设置有至少2个固定筒和至少1个滚筒，至少有1个滚筒设置在2个固定筒之间。一般情况下，较优的滚筒工作面轮廓形状为圆柱形，针对以防掉块憋卡为主的问题，更优的方案是圆锥形或腰鼓形，通过在滚筒工作面与井壁之间适当增加空隙，有利于掉块的“捕捉”和破碎。
25.作为优选，在短节上设置的固定筒的固定方式采用销钉、键等方式实现固定筒的旋转定位，这种可拆卸式定位方式的好处是方便安装、更换及维修。
26.更近一步，所述滚筒为偏心结构或偏斜结构。偏心结构的滚筒，滚动工作面的中心线与内孔轴承中心线(通常轴承中心线与接头螺纹中心线相重合)平行但不重合，当其从低端向高端滚动时，能够提供更大的碾压力，另一方面，能使短节在井筒内产生横向振动，也有利于增加滚筒的碾压冲击载荷。此外，偏心滚筒所产生的这种横振效应能在一定程度上带动钻柱波动，从而减小钻柱与井壁之间的摩擦阻滞力，在大斜度定向钻井和水平钻井中具有增强钻柱延伸能力、提高钻井效率的效果。滚筒为偏心结构可以通过滚筒轴承中心线和滚筒基体表面不同心来实现(即采用偏心轴承结构)，也可以通过牙齿高低不同或只在部
分圆周区域设置牙齿来实现。偏斜结构的滚筒，滚动工作面的中心线与内孔轴承中心线之间不平行，有一个较小的夹角。所产生的效果与偏心滚轮相似，也能产生增加碾压冲击载荷，增加钻柱横向波动的作用。
27.作为优选，所述滚筒横截面轮廓为椭圆等非圆形轮廓，同样能达到增加碾压冲击载荷，增加钻柱横向波动的作用，以降低钻柱摩阻，增强延伸能力的目的。
28.本发明的有益效果是：
29.1.防井壁掉块造成的卡钻，滚筒上牙齿的滚动碾压力能有效破碎较大尺寸的岩块，而同时不造成大的扭矩波动。
30.2.可起到与滚子扶正器(稳定器)的功能，使保径面与井壁的滑动摩擦变为滚筒与井壁的滚动摩擦，降低钻具扭矩，提高扭矩传递效率，并提高钻具安全性。
31.3.在定向井、水平井中，滚筒可以起到碾压岩屑床使岩屑二次破碎的作用，以利于岩屑的上返排出，避免岩屑堆积在井壁上，从而减少钻具移动的阻滞力。
32.4.滚动牙齿对井壁凸起部分的碾压效应，可以起到更好的修正井壁的作用。
33.5.采用偏心滚筒、偏斜滚筒以及椭圆等非圆截面滚筒的短节，不仅能达到增大碾压冲击力效果，而且能有效带动钻柱发生横向波动，从而减小钻柱与井壁之间的摩擦阻滞力，在大斜度定向钻井和水平钻井中具有增强钻柱延伸能力、提高钻井效率的效果。
34.6.在短节上同时采用滚筒和固定筒或固定稳定块，特别是旋转筒与固定筒或固定稳定块相间布置时，固定筒或固定稳定块的搅动作用与滚筒的碾压冲击破碎作用相结合，能更好地达到清除岩屑床，降低定向井、水平井钻柱阻滞力，提高钻井效率的效果。
附图说明
35.图1是本发明第一种实施方式的结构图。
36.图2是本发明第一种实施方式所用的短节图。
37.图3是本发明第一种实施方式所用的滚筒图。
38.图4是图3的俯视图。
39.图5是图1的剖视图。
40.图6是本发明第二种实施方式的结构图。
41.图7是本发明第三种实施方式的结构图。
42.图8是本发明第四种实施方式的结构图。
43.图9是本发明第五种实施方式的结构图。
44.图10是本发明第五种实施方式所用的短节图。
45.图11是图9的剖视图。
46.图12是本发明第六种实施方式的结构图。
47.图13是本发明第六种实施方式所用的短节图。
48.图14是图12的剖视图。
49.图15是本发明第七种实施方式的结构图。
50.图16是本发明第七种实施方式所用的短节图。
51.图17是图15的剖视图。
52.图18是壁内具有导流孔的滚筒示意图。
53.图19是具有椭圆外壁的滚筒示意图。
54.图20是具有偏心距为e偏心的滚筒示意图。
55.图21是只有周向的部分空间设置有牙齿的滚筒。
56.图22是出露于滚筒外壁部分为球形的牙齿。
57.图23是横向设置牙齿的滚筒。
58.图24是设置有滚动牙齿的滚筒。
59.图25是表面堆焊有耐磨层的铣齿牙齿。
60.图26是钢珠轴向定位滚筒的多功能钻具短节示意图。
61.图27套筒定位多个滚筒的多功能钻具短节示意图。
62.图28是卡簧定位滚筒的多功能钻具短节示意图。
63.图29是加长齿柱定位的多功能钻具短节示意图。
64.图30是仅一端有连接螺纹，另一端为焊接接头的多功能钻具短节示意图。
65.图31是仅一端有连接螺纹，另一端安装有喷嘴的多功能钻具短节示意图。
66.图中所示：1-短节本体，101-公扣，102-母扣，103-滚筒装配面滚筒装配面，104-固定式稳定块，2-滚筒，201-牙齿，202-导流槽，203-滚筒内圆，204-导流孔，3-密封圈，4-钢珠， 5-套筒、6-卡簧、7、加长齿柱，8-固定筒，9-喷嘴。
具体实施方式
67.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
68.具体实施方式一：如图1-图5所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述短节本体1两端的连接螺纹分别为公扣101和母扣102，在母扣102端的本体外圆上设置有滚筒装配面103，滚筒2放置在滚筒装配面103上，滚筒2的内壁203与滚筒装配面103 形成摩擦副，使滚筒2可绕短节本体1轴线自由转动，且滚筒装配面103的长度大于滚筒2 的长度。所述滚筒2和滚筒装配面103之间设置有密封圈3，并在两道密封圈之间使用润滑脂以减缓该摩擦副的磨损，延长其寿命。所述滚筒2的外侧面设置数个导流槽202，设置导流槽有利于钻井泥浆的上返。
69.具体实施方式二：如图6所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述滚筒2的外侧面没有设置有导流槽。
70.具体实施方式三：如图7所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述滚筒2的外侧面设置有导流槽202，所述导流槽202为直槽。
71.具体实施方式四：如图8所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述滚筒2的外侧面设置有导流槽202，所述导流槽202为螺旋槽。
72.具体实施方式五：如图9-11所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述短节本体1两端的连接螺纹分别为公扣101和母扣102，在短节外侧设置有数个固定式稳定块104，在靠近母扣102一侧的本体外圆上设置有滚筒装配面103，固定式稳定块固定式稳定块104的端面可作为滚筒装配面103的端面，滚筒2放置在滚筒装配面103上，滚筒2的内壁203与滚筒装配面103形成摩擦副，使滚筒2可绕多功能钻具短节轴线自由转动。所述滚筒
2和滚筒装配面103之间设置有密封圈3，并在两道密封圈之间使用润滑脂以减缓该摩擦副的磨损，延长其寿命。
73.具体实施方式六：如图12-14所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述短节本体1两端的连接螺纹均为母扣102，两个滚筒装配面103分别设置在短节本体1的两端，且滚筒装配面103的宽度大于滚筒2的宽度。滚筒2放置在滚筒装配面103上，滚筒 2的内壁203与滚筒装配面103形成摩擦副，使滚筒2可绕多功能钻具短节轴线自由转动。所述滚筒2和滚筒装配面103之间设置有密封圈3，并在两道密封圈之间使用润滑脂以减缓该摩擦副的磨损，延长其寿命。
74.具体实施方式七：如图15-17所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1和滚筒2，所述短节本体1两端的连接螺纹均为母扣102，两个滚筒装配面103分别设置在短节本体1的两端，在短节本体1外侧轴向设置了数个固定式稳定块104，因此两个滚筒装配面103之间为固定式稳定块104，固定式稳定块104的端面可作为滚筒装配面103的端面。滚筒2放置在滚筒装配面103上，滚筒2的内圆203与滚筒装配面103形成摩擦副，使滚筒2可绕短节本体1轴线自由转动，且滚筒装配面103的宽度大于滚筒2的宽度。所述滚筒2和滚筒装配面103之间设置有密封圈3，可减缓滚筒内圆203的磨损。
75.具体实施例八：如图29所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1、滚筒2、密封圈3、套筒5、固定筒7和固定稳定块104，所述短节本体1两端的连接螺纹分别为公扣101和母扣 102，特别短节本体上滚筒2与固定筒7与滚筒2与固定稳定块104依次布置时，固定筒或固定稳定块的搅动作用与滚筒的碾压冲击破碎作用相结合，能更好地达到清除岩屑床，降低定向井、水平井钻柱阻滞力，提高钻井效率的效果。
76.具体实施方式九：如图1-31所示的各种短节，只要是两端都有钻杆或工具连接螺纹的方案，均可与具有适配螺纹的钻头配合使用。短节与钻头装配成一体后，相当于将普通钻头变成了一种具有滚筒碾压结构的新型钻头，从而能使常规钻头的破岩钻进功能与短节所具备的各种特殊功能相结合，使新型钻头具有更优的综合性能。
77.具体实施例十：如图30所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1、滚筒2、密封圈3、卡簧6，所述短节本体1仅一端有公扣101连接螺纹，该类短节可在无螺纹端与其他工具或者钻头焊接，装配成一体后，变成了一种具有滚筒碾压结构的新型工具。
78.具体实施例十一：如图31所示，一种多功能钻具短节，包括短节本体1、滚筒2、密封圈 3、钢球4和喷嘴9，所述短节本体1仅一端有公扣101连接螺纹，该类短节用做通井、井壁修整或微扩孔等工程作业。
79.本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。