一種減摩降阻工具的製作方法

2023-12-09 21:13:26

本發明屬於石油天然氣、礦山工程、建築基礎工程施工、地質、水文等鑽探技術領域，具體的講涉及一種減摩降阻工具。

背景技術：

在大位移井、水平井等定向井中，隨著井眼延伸，井眼水平方向上位移量的增加，鑽柱受到井眼（井壁）的摩擦力也逐漸增加。大位移井、水平井等定向井中的摩阻大，扭矩高，當井眼達到一定長度後，由於摩擦力增大，井眼水平方向上的延伸將受到限制。

現有減小鑽柱在井眼中的摩阻的方法主要有兩種類型的工具，一種是振動減摩工具，另一種是變滑動為滾動的減摩工具。振動減摩工具是在鑽柱的某些地方施加小幅度激勵振動，這樣的工具有水力振蕩器、井下馬達振動工具等，這類工具都是利用水力（鑽井液）能量來帶動工具產生衝擊或振動，其主要缺點是：工具內部結構較複雜，工具工作時需消耗一定的水力能量，工具對鑽井液的壓力和性能有一定的要求，井眼太深時工具可能不能工作等。後一種變滑動為滾動的減摩工具多是在工具外壁安裝滾動體，現有工具都安裝固定方向的滾動體，這些滾動體只能朝單一的一個方向滾動（如CN201310020599.0等），當鑽柱既要軸向運動又要周向旋轉時，單一方向滾動的滾動體將只能減小其中一個方向的摩阻，而不能減小另一運動方向上的摩阻，有時甚至起到不利的影響。如僅能沿鑽柱軸向滾動減摩的滾動體，當鑽柱需要周向旋轉運動時，滾動體不能起到旋轉時減摩的作用，反而還會增加鑽柱旋轉時的安全隱患，降低可靠性。

技術實現要素：

本發明的目的在於：提供一種滾動體可轉向的減摩降阻工具，以提高鑽柱的減摩降阻效果。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種減摩降阻工具，包括工具本體和滾子，減摩降阻工具本體的外壁上設置有滾子，工具本體的外壁上設置有至少一組轉向滾子，轉向滾子由滾子和轉向座組成，滾子通過轉動連接安裝在轉向座上，滾子能相對轉向座旋轉，滾子的旋轉軸線相對轉向座的旋轉軸線有偏移，且偏移距大於滾子半徑的八分之一，轉向座通過轉動連接安裝在工具本體的外壁上，轉向座相對工具本體能自由旋轉，轉向滾子安裝設置在工具本體的外壁上後，滾子所確定的外徑大於工具本體外徑。

本專利減摩降阻工具上的滾子為轉向滾子，其較現有技術的有益效果是：

1、本專利的減摩降阻工具上設置有轉向滾子，轉向滾子的轉向座通過轉動連接安裝在工具本體上，轉向座相對工具本體能自由旋轉，滾子能相對轉向座旋轉，滾子的旋轉軸線相對轉向座的旋轉軸線有偏移。本專利減摩降阻工具連接或安裝在鑽柱上，當本專利減摩降阻工具接觸井壁（或套管）時，其上的轉向滾子的滾子與井壁（或套管）接觸，鑽柱沿鑽柱軸向運動，或旋轉，或既有軸向運動又有旋轉時，在井壁（或套管）反作用力的作用下，本專利的轉向滾子均會繞其轉向座的軸線旋轉，將其上的滾子轉至滾子的軸線垂直於相對井壁運動的方向，使滾子在井壁上沿著鑽柱相對井壁運動的方向滾動。無論鑽柱相對井眼如何運動，本專利上的轉向滾子在外力的作用下，受垂直於轉向座軸線的平面的力（分力）的作用，轉向滾子將會被推動旋轉，使轉向滾子上的滾子的旋轉軸線始終垂直於鑽柱相對井眼運動的方向，即滾子始終順著鑽柱相對井眼運動的方向滾動。本專利滾子的旋轉軸線相對轉向座的旋轉軸線偏移，使轉向滾子具有方位自調節自適應功能，這樣，將鑽柱相對井眼（井壁）的滑動摩擦徹底轉成了滾動摩擦，變滑動為滾動，其能大大減小鑽柱相對井眼的摩擦和摩擦阻力，達到減摩降阻的作用。

2、本專利的減摩降阻工具上採用轉向滾子結構，使滾子具有方位自調節自適應功能，無論鑽柱如何運動，其相對井眼（井壁）的運動均為滾動，能解決現有技術中採用固定方向的滾動體結構只能緩解單一運動方向上的摩阻問題。同時，本專利的安全可靠性明顯高於現有技術，因為現有單一固定方向的滾動體在其他方向有運動（沿滾動體旋轉軸線的運動）時，易造成滾動體的磨損甚至掉落而產生井底落物的影響和事故。因此，本專利減摩降阻效果更好、更徹底，安全可靠性更高。

3、本專利的減摩降阻工具上採用轉向滾子結構，使滾子具有方位自調節自適應功能，無論鑽柱如何運動，其相對井眼（井壁）的運動均為滾動。這不僅能在最大程度上減小鑽柱與井眼（井壁）的摩擦磨損和摩擦阻力，還能降低鑽柱對井眼（井壁）或套管等的傷害：將鑽柱與井眼（井壁）或套管之間相對滑動所產生的硬磨、硬刮作用變為平滑的純滾動，能減摩降阻，大大減少鑽柱及井眼（井壁）或套管之間的相互磨損和破壞。因此，本專利能提高井眼質量，減少磨損破壞，降低能耗，延長鑽柱使用壽命，提高經濟效益。

作為選擇，滾子的旋轉軸線相對轉向座的旋轉軸線之間的偏移距小於滾子直徑的8倍。為使轉向滾子工作時能順利旋轉至正確的滾動方向，並保持良好的滾動方位，滾子的旋轉軸線相對轉向座的旋轉軸線之間的偏移距不能太小，偏移距越大越易於轉向滾子的順利旋轉，驅使轉向滾子旋轉到正常方位的驅動力也將越足，也越易於保證轉向滾子在鑽柱軸向運動、旋轉或既軸向運動又旋轉的運動過程中能保持良好的滾動方位。但偏移距也不能太大，太大的偏移距將使轉向滾子佔據較大的旋轉空間，造成其布置空間的浪費。

作為選擇，滾子相對工具本體的出露高度不超過滾子直徑的三分之二。井眼結構複雜，井壁凹凸不平，滾子相對工具本體的出露高度不宜太高。滾子相對井眼滾動過程中，滾子出露越高將使其在滾過井壁凹凸不平的井段時，滾子陷入凹坑的深度越深，當凸起高度明顯高於滾子半徑時，滾子將受到衝擊和阻擋，易損傷滾子。且在井眼直徑一定時，滾子出露高度越高，工具本體外徑將越小，這將影響工具的強度和安全可靠性。作為進一步選擇，滾子相對工具本體的出露高度不超過滾子直徑的二分之一。

作為選擇，轉向滾子的滾子頂圓與轉向座的旋轉軸線共面。該方案中，滾子頂圓與轉向座的旋轉軸線共面，在轉向滾子旋轉到合適的滾動方向後，使滾子能順暢滾動，減少或避免滾子發生橫向滑移（摩擦）。

本專利中，滾子頂圓是指滾子最大外徑所確定的圓。當滾子最大外徑有多處或為一段圓柱時，最大外徑段的中間處為滾子頂圓處。滾子最大外徑即為滾子外徑（直徑）。

作為選擇，減摩降阻工具本體的外壁上設置有流道槽。減摩降阻工具的外徑一般較鑽柱其他地方的外徑要大，鑽柱與井壁之間的環空為鑽井液及巖屑等的上返通道，較大的外徑將影響鑽井液等的上返。該方案中，減摩降阻工具本體的外壁上設置流道凹槽能增加上返鑽井液流體的過流面積，減少水力損失和節流效應，有利於上返流體的順利流動，也有利於避免流體對減摩降阻工具上轉向滾子的衝蝕。

作為選擇，同一轉向座上設置有至少2個滾子，且滾子的旋轉軸線相對轉向座的旋轉軸線均向同一側偏移。作為進一步選擇，同一轉向座上的多個滾子的旋轉軸線平行或旋轉軸線共線。

作為選擇，轉向滾子在減摩降阻工具本體的外壁上呈交錯方式布置。該方案中，轉向滾子交錯方式布置可增加滾子在減摩降阻工具圓周方向上的布置覆蓋率，有利於提高減摩降阻工具上的滾子與井眼的周向接觸度。

作為選擇，轉向滾子在減摩降阻工具本體的外壁上呈螺旋方式布置。

作為選擇，滾子與轉向座之間通過軸連接，軸與滾子之間為轉動連接。作為選擇，軸與滾子之間為固定連接或軸與滾子為一體式結構，軸與轉向座之間為轉動連接。作為選擇，軸與滾子之間為轉動連接，軸與轉向座之間為轉動連接。

作為選擇，減摩降阻工具的工具本體由多塊柱狀塊組拼而成。該方案中，工具本體由多塊柱狀塊組拼而成，即將圓柱狀的工具本體分解為2塊及2塊以上的柱狀塊，可在不拆解連續鑽柱的情況下，將減摩降阻工具安裝（拼合）在較長鑽柱或連續的鑽柱上。這可降低工具的安裝難度，節省操作時間，提高效率。工具本體由多塊柱狀塊組拼而成，可將該工具直接用於連續管的施工作業中。

作為選擇，轉向座與減摩降阻工具本體之間設置有限制轉向滾子在轉向座旋轉軸線方向上的運動的鎖緊結構。該方案中，轉向滾子通過轉向座設置在工具本體上，與工具本體形成轉動連接，為防止轉向滾子沿轉向座旋轉軸線的方向竄動或沿軸線脫落，可在轉向滾子的轉向座與工具本體之間設置鎖緊結構，以防轉向滾子沿轉向座旋轉軸線的方向竄動或脫落，增強轉向滾子的可靠性和安全性。這裡的鎖緊是指將轉向滾子沿轉向座旋轉軸線的方向限位，防止轉向滾子沿轉向座旋轉軸線的方向竄動或脫落，並不限制轉向滾子相對工具本體的轉動。

作為進一步選擇，轉向座與減摩降阻工具本體之間採用滾珠鎖緊。該方案中，滾珠鎖緊可在儘量減少影響轉向滾子旋轉運動的同時，能實現將轉向滾子沿轉向座旋轉軸線方向限位和軸向鎖緊，且便於加工。

作為選擇，轉向座與減摩降阻工具本體之間設置有密封結構。該方案中，減摩降阻工具工作時處在鑽井液、巖屑等環境中，轉向滾子可相對減摩降阻工具本體旋轉，為防止其他物質進入轉向滾子的轉向座與工具本體的旋轉副之間可在轉向座與工具本體之間設置密封結構，以減小旋轉副的磨損，延長旋轉副的使用壽命。

作為選擇，滾子的旋轉軸線與轉向座的旋轉軸線為異面直線，且滾子的旋轉軸線與轉向座的旋轉軸線之間的夾角在70-90°之間或相互垂直。

前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發明可採用並要求保護的方案；且本發明，（各非衝突選擇）選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本發明方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發明所要保護的技術方案，在此不做窮。

附圖說明

圖1為本發明實施例1滾子的外輪廓面的母線為圓弧時的結構示意圖。

圖2為本發明轉向滾子的結構示意圖。

圖3為圖2的俯視圖。

圖4為本發明實施例1滾子的外輪廓面的母線為橢圓弧時的結構示意圖。

圖5為本發明轉向滾子的轉向座設置有階梯的軸頸狀的結構示意圖。

圖6為本發明實施例2的結構示意圖。

圖7為本發明實施例3的結構示意圖。

圖8為本發明實施例4兩個滾子的旋轉軸線平行的結構示意圖。

圖9為本發明實施例4兩個滾子的旋轉軸線共線的結構示意圖。

圖10為本發明實施例5工具本體由多塊柱狀塊組拼而成，柱狀塊之間採用鉸接的方式連接組拼的結構示意圖。

圖11為本發明實施例5工具本體由多塊柱狀塊組拼而成，通過箍緊固定的結構示意圖。

圖12為本發明實施例6、實施例7的轉向座與工具本體之間設置有鎖緊結構及密封結構的結構示意圖。

圖13為圖1所示工具沿工具的軸向看時的示意圖。

圖中：1、工具本體，2、轉向滾子，21、滾子，22、轉向座，23、滾子旋轉軸線，24、轉向座旋轉軸線，3、鉸接，4、箍圈，5、密封結構，6、鎖緊結構。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本發明。

實施例1：

參考圖1至4所示，一種減摩降阻工具，包括工具本體1和滾子，減摩降阻工具本體1的外壁上設置有滾子，工具本體1的外壁上設置有至少一組轉向滾子2，轉向滾子2由滾子21和轉向座22組成，滾子21通過轉動連接安裝在轉向座22上，滾子21能相對轉向座22旋轉，滾子21的旋轉軸線23相對轉向座22的旋轉軸線24有偏移，且偏移距S大於滾子21半徑的八分之一，轉向座22通過轉動連接安裝在工具本體1的外壁上，轉向座22相對工具本體1能自由旋轉。作為選擇，如本實施例所示，工具本體1上對應設有容納匹配轉向滾子2的轉向座22的孔，轉向座22插入孔內在工具本體1上旋轉。轉向座22可以有多種形式，例如圖5為轉向滾子2的轉向座22為設置有階梯的軸頸狀，圖2、8為轉向滾子2的轉向座22為圓柱形。轉向滾子2安裝設置在工具本體1的外壁上後，如圖13所示，滾子21所確定的外徑d1大於工具本體外徑d2。作為選擇，滾子21的旋轉軸線23相對轉向座22的旋轉軸線24之間的偏移距S小於滾子21直徑的8倍。作為選擇，滾子21相對工具本體1的出露高度（即d1與d2之差的一半）不超過滾子21直徑的三分之二。作為進一步選擇，滾子21相對工具本體1的出露高度不超過滾子21直徑的二分之一。作為選擇，減摩降阻工具本體1的外壁上設置有流道槽（如圖1、圖4）。作為選擇，滾子21可以為圓柱形，滾子21的外輪廓面的母線可以為圓弧（如圖1）或橢圓弧（如圖4）等。同一轉向座22上可設置1個滾子21，也可設置多個滾子21。作為選擇，轉向座22上的滾子21為1-6個。作為進一步選擇，轉向座22上的滾子21為1個（如圖1、圖3、圖4-7、圖10）、2個（如圖8、圖9）或3個。當滾子21為1個時，轉向滾子2的滾子21的頂圓與轉向座22的旋轉軸線24共面。當滾子21為多個時，多個滾子的旋轉軸線相對轉向座22的旋轉軸線24均向同一側偏移。作為選擇，同一轉向座22上的多個滾子的旋轉軸線平行（如圖8）或旋轉軸線共線（如圖9）。

實施例2：

參考圖6所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：轉向滾子2在減摩降阻工具本體1的外壁上呈交錯方式布置。

實施例3：

參考圖7所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：轉向滾子2在減摩降阻工具本體1的外壁上呈螺旋方式布置。

實施例4：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：滾子21與轉向座22之間通過軸連接，軸與滾子21之間為轉動連接。作為選擇，軸與滾子21之間為固定連接或軸與滾子21為一體式結構，軸與轉向座22之間為轉動連接。作為選擇，軸與滾子21之間為轉動連接，軸與轉向座22之間為轉動連接。

實施例5：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：減摩降阻工具的工具本體1由多塊柱狀塊組拼而成。工具本體1由多塊柱狀塊組拼而成，即將圓柱狀的工具本體分解為2塊及2塊以上的柱狀塊，如圖10所示，柱狀塊之間可採用鉸接3的方式連接組拼，或插銷固定拼接。如圖11所示，柱狀塊組拼後可進行箍緊固定。柱狀塊之間也可採用螺紋等方式連接組拼。

實施例6：

本實施例與實施例1至5基本相同，其區別在於：轉向座22與減摩降阻工具本體1之間設置有限制轉向滾子2在轉向座22旋轉軸線24方向上的運動的鎖緊結構6，如圖12。作為選擇，轉向座22與減摩降阻工具本體1之間採用滾珠鎖緊。

實施例7：

本實施例與實施例1至6基本相同，其區別在於：轉向座22與減摩降阻工具本體1之間設置有密封結構5，如圖12。

實施例8：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：滾子21的旋轉軸線23與轉向座22的旋轉軸線24為異面直線，且滾子21的旋轉軸線23與轉向座22的旋轉軸線24之間的夾角在70-90°之間或相互垂直。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。