一种用于固完井管柱的动力旋转引鞋的制作方法

1.本发明属于石油、天然气勘探开发固井作业技术领域，具体涉及一种用于固完井管柱的动力旋转引鞋。


背景技术：

2.在石油天、然气勘探开发固完井作业中，套管能否顺利下到井底是整个施工作业的关键。随着钻完井井深的不断增加，钻遇地层复杂情况越来越多，这给固完井作业套管下入带来很大的技术难题。目前，现有技术中通常采用无动力套管引鞋进行作业。无动力套管引鞋在下井过程中，套管一旦遇阻，只能采用活动钻具方式解决，这种处理方式极易引起套管变形、井眼坍塌等一系列恶性井下复杂状况。为此，国内外均对动力引鞋进行了研究，出现了可旋转的动力引鞋，可旋转的动力引鞋在套管下入过程中能够实现引鞋导向头旋转，从而清除井眼中堆积的岩屑、绕过井壁台阶，实现套管的顺利下入。
3.然而，现有的旋转引鞋虽然实现了导向头的旋转功能，但在旋转扭矩、固井过程中节流压降、固井扫除可钻性等方面普遍存在缺陷。例如，旋转扭矩小，导致套管下入时旋转清障效果差，循环节流压降大，使得固井作业施工压力高，导致固井作业无法施工。固井后扫塞引鞋内套旋转，无法完成水泥及内套扫除，难以进行下一步钻进施工。这严重影响了旋转引鞋在实际生产作业中的应用。


技术实现要素：

4.针对如上所述的技术问题，本发明旨在提出一种用于固完井管柱的动力旋转引鞋，该动力旋转引鞋能够增强导向头的旋转扭矩，提高底部旋转清障能力，并能够改变钻井液循环流道，降低固井时节流压耗，以及能够在固井作业时防止内芯转动。
5.为此，根据本发明提供了一种用于固完井管柱的动力旋转引鞋，包括：外壳，所述外壳的下端固定连接有传动轴外套；同心布置在所述外壳内的叶轮轴套，所述叶轮轴套内部形成有第一流道；固定连接在所述叶轮轴套下端的传动轴内套，所述传动轴内套的侧壁设有循环通孔，所述传动轴内套的内部形成有与所述第一流道连通的第二流道，在所述外壳与所述叶轮轴套和所述传动轴内套之间形成径向环空；设置在所述径向环空内的叶轮组，所述叶轮组套设在所述叶轮轴套的外周表面；以及固定连接在所述传动轴内套的下端的偏心导向头；其中，所述叶轮轴套通过轴向限位件与所述外壳形成连接，所述轴向限位件构造成能够对所述叶轮轴套形成轴向限位，并使所述叶轮轴套能够相对于所述外壳旋转；在第一状态下，所述动力旋转引鞋能够封堵所述第一流道，并使所述循环通孔导通所述径向环空和所述第二流道而形成第一循环通道，钻井液通过所述第一循环通道并冲击所述叶轮组旋转，进而通过所述叶轮轴套和所述传动轴内套带动所述偏心导向头转动，以在遇阻情况下形成导引；在第二状态下，所述动力旋转引鞋能够关闭所述循环孔而打开所述第一流道，以形成第二循环通道，钻井液通过所述第二循环通道进行固井作业。
6.在一个实施例中，所述轴向限位件包括套设在所述叶轮轴套上的剪钉套和限位轴
套，所述剪钉套通过剪钉与所述叶轮轴套固定连接，所述限位轴套与所述外壳内壁固定连接，所述剪钉套套坐在所述限位轴套上而形成轴向限位，且能相对于所述限位轴套旋转，所述剪钉套能够在所述第一循环通道的循环排量达到预定值时剪断所述剪钉，从而使叶轮轴套带动所述传动轴内套和所述偏心导向头下行，直至所述循环通孔运动至所述外轴套的径向内侧而关闭所述第一循环通道。
7.在一个实施例中，在所述叶轮轴套的第一流道内设有破裂盘，所述破裂盘能够对钻井液进行憋压，所述破裂盘达到破裂临界值时破裂而导通所述第一流道，从而形成所述第二循环通道。
8.在一个实施例中，所述剪钉的剪切临界值小于所述破裂盘的破裂临界值。
9.在一个实施例中，在所述叶轮轴套的内壁上设有端面朝上的台肩，所述破裂盘固定安装在所述台肩上。
10.在一个实施例中，所述叶轮组包括多个依次交替排列的叶轮定子和叶轮转子，所述叶轮转子通过内圆花键与所述叶轮轴套形成周向固定连接，所述叶轮定子通过外圆花键与所述外壳形成轴向固定连接，所述叶轮转子能够在钻井液的冲击作用下带动所述叶轮轴套转动。
11.在一个实施例中，在所述叶轮轴套的外表面设有端面朝下的第一台阶，所述传动轴内套的上端面外径大于所述叶轮轴套的外径，从而在所述传动轴内套与所述叶轮轴套的连接处形成端面朝上的第二台阶，所述叶轮组安装在所述第一台阶和所述第二台阶之间。
12.在一个实施例中，在所述传动轴内套的外表面固定连接有防转套，所述防转套处于所述循环通孔的上端。
13.在一个实施例中，所述防转套的下端设有第一防转齿，所述外轴套的上端设有第二防转齿，所述第一防转齿能够在所述第二状态下与所述第二防转齿啮合，从而防止所述偏心导向头转动。
14.在一个实施例中，在所述叶轮轴套的上端设有限位套，所述限位套用于对所述叶轮轴套形成轴向限位。
15.与现有技术相比，本技术的优点之处在于：
16.根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋，其通过叶轮组能够增强偏心导向头的旋转扭矩，从而有效提高套管底部的旋转清障能力，有利于使得动力旋转引鞋带动套管顺利下入井筒，并能够有效避免遇阻情况，非常有利于提高套管下井效率。并且，动力旋转引鞋能够根据不同施工阶段设定循环临界排量，在下井时通过控制循环排量小于临界排量，实现第一循环通道循环，实现旋转功能，而在固井作业时通过超临界排量循环，转换为第二循环通道进行循环，有利于井底固井时节流压耗。同时，动力旋转引鞋通过防转套能够防止内芯部件在固井及后续扫除作业时转动，有效避免对固井作业和后续钻井产生影响，从而保证固井作业的施工效果。非常有利于提高固定作业效率和增强固井作业效果。
附图说明
17.下面将参照附图对本发明进行说明。
18.图1显示了根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋处于第一状态下的结构。
19.图2显示了根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋处于第二状态下的结构。
20.图3显示了图2所示动力旋转引鞋中的防转套与外轴套啮合后的结构。
21.在本技术中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本发明的原理，并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
22.下面通过附图来对本发明进行介绍。
23.在本技术中，需要说明的是，将根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋下放到井筒中靠近井口的一端定义为上端或相似用语，将远离井口的一端定义为下端或相似用语。
24.图1显示了根据本发明的根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋100的结构。如图1所示，动力旋转引鞋100包括筒状外壳1、固定连接在外壳1的下端的转动轴外套2、同心布置在外壳1的内部的叶轮轴套3、固定连接在叶轮轴套3的下端的传动轴内套4和套设在叶轮轴套3的外周的叶轮组6，以及固定连接在传动轴内套4的下端的偏心导向头7。叶轮轴套3通过轴向限位件8与外壳1形成连接，轴向限位件8构造成能够对叶轮轴套3形成轴向限位，并使叶轮轴套3能够相对于外壳1旋转。在叶轮轴套3的内部形成有第一流道31，第一流道31用于过流钻井液。传动轴内套4的侧壁设有循环通孔41，传动轴内套4的内部形成有与第一流道31连通的第二流道42。动力旋转引鞋100构造成能够增强偏心导向头7的旋转扭矩，从而提高底部旋转清障能力，并能够改变钻井液循环流道，从而降低固井时节流压耗，以及能够在固井作业时防止内芯转动。
25.在本实施例中，外壳1的下端分构造成锥形连接扣，外壳1的下端通过螺纹连接方式与外轴套2固定连接。外壳1的上端构造成套管扣，外壳1的上端通过套管扣连接套管串。
26.根据本发明，在叶轮轴套3的第一流道31内设有破裂盘9。破裂盘9能够对钻井液进行憋压，并在破裂盘9达到破裂临界值时破裂，而导通第一流道31。如图1所示，在叶轮轴套3的内壁上设有端面朝上的台肩32，破裂盘9固定安装在台肩32上。优选地，破裂盘9设置在叶轮轴套3的靠近上端的侧壁上。破裂盘9的功能作用将在下文介绍。
27.如图1所示，在外壳1与叶轮轴套3和传动轴内套4之间形成径向环空5。叶轮组6设置在径向环空5内，且套设在叶轮轴套3上。传动轴内套4的侧壁上的循环通孔41在初始状态下(第一状态下)导通5径向环空和传动轴内套4的第二流道43，从而形成第一循环通道。叶轮组6包括多个依次交替排列的叶轮定子61和叶轮转子62。叶轮定子61与外壳1周向固定连接，叶轮转子62与叶轮轴套3周向固定连接。在一个实施例中，叶轮定子61通过外圆花键与外壳1形成周向固定连接，叶轮转子62通过内圆花键与叶轮轴套3形成周向固定连接。叶轮转子62能够在钻井液的冲击作用下产生扭矩，并带动叶轮轴套3转动。
28.在叶轮轴套3的外表面设有端面朝下的第一台阶33。同时，连接在叶轮轴套3的下端的传动轴内套4的上端面外径大于叶轮轴套3的外径，从而在传动轴内套4与叶轮轴套3的连接处形成端面朝上的第二台阶43。叶轮组6安装在第一台阶33与第二台阶43之间。传动轴外套2套装在传动轴内套4的外周，且传动轴外套2的内壁面与传动轴内套4之间形成滑动配合，传动轴内套4能够沿传动轴外套2轴向滑动。在初始状态下，传动轴内套4的循环通孔41
处于传动轴外套2的上端，从而导通5径向环空和传动轴内套4的第二流道43。
29.根据本发明，轴向限位件8包括套设在叶轮轴套3上的剪钉套81和限位轴套82。剪钉套81通过剪钉83与叶轮轴套3的外壁面固定连接，剪钉81的剪切临界值小于破裂盘9的破裂临界值。限位轴套82构造为圆筒状，且与外壳1内壁固定连接。剪钉套81套坐在限位轴套82上而形成轴向限位，且能相对于限位轴套82旋转。剪钉套81大致呈中空圆柱体形，剪钉套81的上端设有径向向外延伸的环形凸起，环形凸起的外径大于限位轴套82的内径而小于外壳1的内径，从而能够套坐在限位轴套82。剪钉套81设有轴向延伸的过流通道，径向环空5的处于剪钉套8的轴向两端的区域通过过流通道相互连通。在一个实施例中，轴向限位件8设置在叶轮组6的上端。
30.在第一状态下，破裂盘9封堵叶轮轴套3的第一流道31，第一循环通道过流钻井液。此时，动力旋转引鞋100处于下放井筒的过程，循坏排量在临界排量内，叶轮组6在钻井液的作用下旋转，并带动下端的偏心导向头7转动，从而实现套管底部旋转清障功能，能够在下放遇阻情况形成有效导引，进而顺利通过遇阻区域，非常有利于下放套管，从而能够使套管顺利下入井筒，提高下井效率。
31.根据本发明，在传动轴内套4的外表面固定连接有防转套10，防转套10处于循环通孔41的轴向上端。如图1所示，在传动轴内套4的外表面上设有端面朝下的安装台阶，防转套10的上端面安装在安装台阶上，且内壁面与传动轴内套4的外壁面固定连接。在第一状态下，传动轴内套4的循环孔41处于防转套10与外轴套2的轴向之间，从而使循环通孔41连通径向环空5。
32.根据本发明的动力旋转引鞋100下放到井底后，通过增加第一循环通道的排量直至剪钉套8剪断剪钉81，而使叶轮轴套3带动传动轴内套3和偏心导向头7下行，直至循环通孔41运动至外轴套2的径向内侧而关闭第一循环通道。进而憋压至破裂盘9达到破裂临界值时破裂而导通第一流道，从而形成第二循环通道。此时，动力旋转引鞋100处于第二状态，动力旋转引鞋100能够进行固井作业，第二循环通道为固井循环通道，从而使动力旋转引鞋100在固井作业时处于大排量、低压力循环通道，这非常有利于提高固井作业效率和增强固井作业效果。图2显示了动力旋转引鞋100处于第二状态下的结构。
33.在一个实施例中，在防转套10的下端设有第一防转齿101，同时，在外轴套2的上端设有第二防转齿21。第一防转齿101能够在第二状态下与第二防转齿21适配啮合，从而防止偏心导向头7在固井作业时转动。由此，使动力旋转引鞋100能够实现内芯钻除防转功能。图3显示了动力旋转引鞋100中的防转套10与外轴套2啮合后的结构。防转套10能够在固井施工时有效防止动力旋转引鞋100的内芯部件转动，从而有效保证了动力旋转引鞋100的固定施工作业效率和效果。
34.下面简述根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋100的工作过程。首先，将动力旋转引鞋100连接到管柱下端，随管串一起下入井筒中。动力旋转引鞋100处于第一状态。此时，破裂盘9封堵叶轮轴套3的第一流道31，循环通孔41导通径向环空5和传动轴内套4的第二流道42，从而形成第一循环通道。在下放过程中，一旦出现套管下入困难，临界排量内开泵循环，钻井液通过第一循环通道，并流经叶轮组6，叶轮组6在钻井液的冲击作用下产生扭矩，从而带动叶轮轴套3转动，叶轮轴套3带动传动轴内套4和偏心导向头7转动。这使得偏心导向头7有效对套管底部进行清障，对套管进行有效导向，使得套管能够顺利下入到井
底，大大提高了套管的下井效率，有效避免遇阻情况的发生。动力旋转引鞋100下入到井底后，继续增大循环排量，直至第一循环通道的循环排量达到预定值时(临界值)，达到剪钉81的剪切值，使得剪钉套8能够剪断剪钉81。进而使得叶轮轴套3带动传动轴内套4和偏心导向头7同步下行，直至传动轴内套4上的循环通孔41运动至外轴套2的径向内侧而关闭第一循环通道。并且，防转套10随着传动轴内套4同步下行而运动至第一防转齿101与外轴套2上端的第二防转齿21啮合，从而实现内芯部件的防转。循环通孔41关闭后，即第一循环通道被关闭而无法循环，导致钻井液对破裂盘9进行憋压，直至钻井液压力达到破裂盘9的临界破裂值时，破裂盘9破裂，进而导通第一流道，从而转换为成第二循环通道循环。由此，动力旋转引鞋100实现循环通道变换，从而通过大排量、低压耗的第二循环通道进行固定作业，实现固定作业大通道循环。这能够有效避免对固井作业产生的影响，保证固井作业的施工效果。这大大提高了固井作业效率和增强固井作业效果。
35.根据本发明的用于固完井管柱的动力旋转引鞋100，其通过叶轮组6能够增强偏心导向头的旋转扭矩，从而有效提高套管底部的旋转清障能力，有利于使得动力旋转引鞋100带动套管顺利下入井筒，并能够有效解决套管下入过程中遇阻问题，非常有利于提高套管下入效率。并且，动力旋转引鞋100能够根据不同施工阶段改变钻井液循环流道，在下入过程通过第一循环通道进行循环，实现旋转下入，而在固井作业时降低固井时通过第二循环通道进行循环，有效降低固井时节流压耗。同时，动力旋转引鞋100通过防转套10能够防止内芯部件在后续钻除时转动，有效避免对固井作业和后续钻井产生影响，从而保证固井作业的施工效果。非常有利于提高固定作业效率和增强固井作业效果。
36.最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。