一种减摩降阻工具的制作方法

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体的讲涉及一种减摩降阻工具。

背景技术：

在大位移井、水平井等定向井中，随着井眼延伸，井眼水平方向上位移量的增加，钻柱受到井眼（井壁）的摩擦力也逐渐增加。大位移井、水平井等定向井中的摩阻大，扭矩高，当井眼达到一定长度后，由于摩擦力增大，井眼水平方向上的延伸将受到限制。

现有减小钻柱在井眼中的摩阻的方法主要有两种类型的工具，一种是振动减摩工具，另一种是变滑动为滚动的减摩工具。振动减摩工具是在钻柱的某些地方施加小幅度激励振动，这样的工具有水力振荡器、井下马达振动工具等，这类工具都是利用水力（钻井液）能量来带动工具产生冲击或振动，其主要缺点是：工具内部结构较复杂，工具工作时需消耗一定的水力能量，工具对钻井液的压力和性能有一定的要求，井眼太深时工具可能不能工作等。后一种变滑动为滚动的减摩工具多是在工具外壁安装滚动体，现有工具都安装固定方向的滚动体，这些滚动体只能朝单一的一个方向滚动（如CN201310020599.0等），当钻柱既要轴向运动又要周向旋转时，单一方向滚动的滚动体将只能减小其中一个方向的摩阻，而不能减小另一运动方向上的摩阻，有时甚至起到不利的影响。如仅能沿钻柱轴向滚动减摩的滚动体，当钻柱需要周向旋转运动时，滚动体不能起到旋转时减摩的作用，反而还会增加钻柱旋转时的安全隐患，降低可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种滚动体可转向的减摩降阻工具，以提高钻柱的减摩降阻效果。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种减摩降阻工具，包括工具本体和滚子，减摩降阻工具本体的外壁上设置有滚子，工具本体的外壁上设置有至少一组转向滚子，转向滚子由滚子和转向座组成，滚子通过转动连接安装在转向座上，滚子能相对转向座旋转，滚子的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于滚子半径的八分之一，转向座通过转动连接安装在工具本体的外壁上，转向座相对工具本体能自由旋转，转向滚子安装设置在工具本体的外壁上后，滚子所确定的外径大于工具本体外径。

本专利减摩降阻工具上的滚子为转向滚子，其较现有技术的有益效果是：

1、本专利的减摩降阻工具上设置有转向滚子，转向滚子的转向座通过转动连接安装在工具本体上，转向座相对工具本体能自由旋转，滚子能相对转向座旋转，滚子的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移。本专利减摩降阻工具连接或安装在钻柱上，当本专利减摩降阻工具接触井壁（或套管）时，其上的转向滚子的滚子与井壁（或套管）接触，钻柱沿钻柱轴向运动，或旋转，或既有轴向运动又有旋转时，在井壁（或套管）反作用力的作用下，本专利的转向滚子均会绕其转向座的轴线旋转，将其上的滚子转至滚子的轴线垂直于相对井壁运动的方向，使滚子在井壁上沿着钻柱相对井壁运动的方向滚动。无论钻柱相对井眼如何运动，本专利上的转向滚子在外力的作用下，受垂直于转向座轴线的平面的力（分力）的作用，转向滚子将会被推动旋转，使转向滚子上的滚子的旋转轴线始终垂直于钻柱相对井眼运动的方向，即滚子始终顺着钻柱相对井眼运动的方向滚动。本专利滚子的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向滚子具有方位自调节自适应功能，这样，将钻柱相对井眼（井壁）的滑动摩擦彻底转成了滚动摩擦，变滑动为滚动，其能大大减小钻柱相对井眼的摩擦和摩擦阻力，达到减摩降阻的作用。

2、本专利的减摩降阻工具上采用转向滚子结构，使滚子具有方位自调节自适应功能，无论钻柱如何运动，其相对井眼（井壁）的运动均为滚动，能解决现有技术中采用固定方向的滚动体结构只能缓解单一运动方向上的摩阻问题。同时，本专利的安全可靠性明显高于现有技术，因为现有单一固定方向的滚动体在其他方向有运动（沿滚动体旋转轴线的运动）时，易造成滚动体的磨损甚至掉落而产生井底落物的影响和事故。因此，本专利减摩降阻效果更好、更彻底，安全可靠性更高。

3、本专利的减摩降阻工具上采用转向滚子结构，使滚子具有方位自调节自适应功能，无论钻柱如何运动，其相对井眼（井壁）的运动均为滚动。这不仅能在最大程度上减小钻柱与井眼（井壁）的摩擦磨损和摩擦阻力，还能降低钻柱对井眼（井壁）或套管等的伤害：将钻柱与井眼（井壁）或套管之间相对滑动所产生的硬磨、硬刮作用变为平滑的纯滚动，能减摩降阻，大大减少钻柱及井眼（井壁）或套管之间的相互磨损和破坏。因此，本专利能提高井眼质量，减少磨损破坏，降低能耗，延长钻柱使用寿命，提高经济效益。

作为选择，滚子的旋转轴线相对转向座的旋转轴线之间的偏移距小于滚子直径的8倍。为使转向滚子工作时能顺利旋转至正确的滚动方向，并保持良好的滚动方位，滚子的旋转轴线相对转向座的旋转轴线之间的偏移距不能太小，偏移距越大越易于转向滚子的顺利旋转，驱使转向滚子旋转到正常方位的驱动力也将越足，也越易于保证转向滚子在钻柱轴向运动、旋转或既轴向运动又旋转的运动过程中能保持良好的滚动方位。但偏移距也不能太大，太大的偏移距将使转向滚子占据较大的旋转空间，造成其布置空间的浪费。

作为选择，滚子相对工具本体的出露高度不超过滚子直径的三分之二。井眼结构复杂，井壁凹凸不平，滚子相对工具本体的出露高度不宜太高。滚子相对井眼滚动过程中，滚子出露越高将使其在滚过井壁凹凸不平的井段时，滚子陷入凹坑的深度越深，当凸起高度明显高于滚子半径时，滚子将受到冲击和阻挡，易损伤滚子。且在井眼直径一定时，滚子出露高度越高，工具本体外径将越小，这将影响工具的强度和安全可靠性。作为进一步选择，滚子相对工具本体的出露高度不超过滚子直径的二分之一。

作为选择，转向滚子的滚子顶圆与转向座的旋转轴线共面。该方案中，滚子顶圆与转向座的旋转轴线共面，在转向滚子旋转到合适的滚动方向后，使滚子能顺畅滚动，减少或避免滚子发生横向滑移（摩擦）。

本专利中，滚子顶圆是指滚子最大外径所确定的圆。当滚子最大外径有多处或为一段圆柱时，最大外径段的中间处为滚子顶圆处。滚子最大外径即为滚子外径（直径）。

作为选择，减摩降阻工具本体的外壁上设置有流道槽。减摩降阻工具的外径一般较钻柱其他地方的外径要大，钻柱与井壁之间的环空为钻井液及岩屑等的上返通道，较大的外径将影响钻井液等的上返。该方案中，减摩降阻工具本体的外壁上设置流道凹槽能增加上返钻井液流体的过流面积，减少水力损失和节流效应，有利于上返流体的顺利流动，也有利于避免流体对减摩降阻工具上转向滚子的冲蚀。

作为选择，同一转向座上设置有至少2个滚子，且滚子的旋转轴线相对转向座的旋转轴线均向同一侧偏移。作为进一步选择，同一转向座上的多个滚子的旋转轴线平行或旋转轴线共线。

作为选择，转向滚子在减摩降阻工具本体的外壁上呈交错方式布置。该方案中，转向滚子交错方式布置可增加滚子在减摩降阻工具圆周方向上的布置覆盖率，有利于提高减摩降阻工具上的滚子与井眼的周向接触度。

作为选择，转向滚子在减摩降阻工具本体的外壁上呈螺旋方式布置。

作为选择，滚子与转向座之间通过轴连接，轴与滚子之间为转动连接。作为选择，轴与滚子之间为固定连接或轴与滚子为一体式结构，轴与转向座之间为转动连接。作为选择，轴与滚子之间为转动连接，轴与转向座之间为转动连接。

作为选择，减摩降阻工具的工具本体由多块柱状块组拼而成。该方案中，工具本体由多块柱状块组拼而成，即将圆柱状的工具本体分解为2块及2块以上的柱状块，可在不拆解连续钻柱的情况下，将减摩降阻工具安装（拼合）在较长钻柱或连续的钻柱上。这可降低工具的安装难度，节省操作时间，提高效率。工具本体由多块柱状块组拼而成，可将该工具直接用于连续管的施工作业中。

作为选择，转向座与减摩降阻工具本体之间设置有限制转向滚子在转向座旋转轴线方向上的运动的锁紧结构。该方案中，转向滚子通过转向座设置在工具本体上，与工具本体形成转动连接，为防止转向滚子沿转向座旋转轴线的方向窜动或沿轴线脱落，可在转向滚子的转向座与工具本体之间设置锁紧结构，以防转向滚子沿转向座旋转轴线的方向窜动或脱落，增强转向滚子的可靠性和安全性。这里的锁紧是指将转向滚子沿转向座旋转轴线的方向限位，防止转向滚子沿转向座旋转轴线的方向窜动或脱落，并不限制转向滚子相对工具本体的转动。

作为进一步选择，转向座与减摩降阻工具本体之间采用滚珠锁紧。该方案中，滚珠锁紧可在尽量减少影响转向滚子旋转运动的同时，能实现将转向滚子沿转向座旋转轴线方向限位和轴向锁紧，且便于加工。

作为选择，转向座与减摩降阻工具本体之间设置有密封结构。该方案中，减摩降阻工具工作时处在钻井液、岩屑等环境中，转向滚子可相对减摩降阻工具本体旋转，为防止其他物质进入转向滚子的转向座与工具本体的旋转副之间可在转向座与工具本体之间设置密封结构，以减小旋转副的磨损，延长旋转副的使用寿命。

作为选择，滚子的旋转轴线与转向座的旋转轴线为异面直线，且滚子的旋转轴线与转向座的旋转轴线之间的夹角在70-90°之间或相互垂直。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷。

附图说明

图1为本发明实施例1滚子的外轮廓面的母线为圆弧时的结构示意图。

图2为本发明转向滚子的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明实施例1滚子的外轮廓面的母线为椭圆弧时的结构示意图。

图5为本发明转向滚子的转向座设置有阶梯的轴颈状的结构示意图。

图6为本发明实施例2的结构示意图。

图7为本发明实施例3的结构示意图。

图8为本发明实施例4两个滚子的旋转轴线平行的结构示意图。

图9为本发明实施例4两个滚子的旋转轴线共线的结构示意图。

图10为本发明实施例5工具本体由多块柱状块组拼而成，柱状块之间采用铰接的方式连接组拼的结构示意图。

图11为本发明实施例5工具本体由多块柱状块组拼而成，通过箍紧固定的结构示意图。

图12为本发明实施例6、实施例7的转向座与工具本体之间设置有锁紧结构及密封结构的结构示意图。

图13为图1所示工具沿工具的轴向看时的示意图。

图中：1、工具本体，2、转向滚子，21、滚子，22、转向座，23、滚子旋转轴线，24、转向座旋转轴线，3、铰接，4、箍圈，5、密封结构，6、锁紧结构。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图1至4所示，一种减摩降阻工具，包括工具本体1和滚子，减摩降阻工具本体1的外壁上设置有滚子，工具本体1的外壁上设置有至少一组转向滚子2，转向滚子2由滚子21和转向座22组成，滚子21通过转动连接安装在转向座22上，滚子21能相对转向座22旋转，滚子21的旋转轴线23相对转向座22的旋转轴线24有偏移，且偏移距S大于滚子21半径的八分之一，转向座22通过转动连接安装在工具本体1的外壁上，转向座22相对工具本体1能自由旋转。作为选择，如本实施例所示，工具本体1上对应设有容纳匹配转向滚子2的转向座22的孔，转向座22插入孔内在工具本体1上旋转。转向座22可以有多种形式，例如图5为转向滚子2的转向座22为设置有阶梯的轴颈状，图2、8为转向滚子2的转向座22为圆柱形。转向滚子2安装设置在工具本体1的外壁上后，如图13所示，滚子21所确定的外径d1大于工具本体外径d2。作为选择，滚子21的旋转轴线23相对转向座22的旋转轴线24之间的偏移距S小于滚子21直径的8倍。作为选择，滚子21相对工具本体1的出露高度（即d1与d2之差的一半）不超过滚子21直径的三分之二。作为进一步选择，滚子21相对工具本体1的出露高度不超过滚子21直径的二分之一。作为选择，减摩降阻工具本体1的外壁上设置有流道槽（如图1、图4）。作为选择，滚子21可以为圆柱形，滚子21的外轮廓面的母线可以为圆弧（如图1）或椭圆弧（如图4）等。同一转向座22上可设置1个滚子21，也可设置多个滚子21。作为选择，转向座22上的滚子21为1-6个。作为进一步选择，转向座22上的滚子21为1个（如图1、图3、图4-7、图10）、2个（如图8、图9）或3个。当滚子21为1个时，转向滚子2的滚子21的顶圆与转向座22的旋转轴线24共面。当滚子21为多个时，多个滚子的旋转轴线相对转向座22的旋转轴线24均向同一侧偏移。作为选择，同一转向座22上的多个滚子的旋转轴线平行（如图8）或旋转轴线共线（如图9）。

实施例2：

参考图6所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：转向滚子2在减摩降阻工具本体1的外壁上呈交错方式布置。

实施例3：

参考图7所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：转向滚子2在减摩降阻工具本体1的外壁上呈螺旋方式布置。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：滚子21与转向座22之间通过轴连接，轴与滚子21之间为转动连接。作为选择，轴与滚子21之间为固定连接或轴与滚子21为一体式结构，轴与转向座22之间为转动连接。作为选择，轴与滚子21之间为转动连接，轴与转向座22之间为转动连接。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：减摩降阻工具的工具本体1由多块柱状块组拼而成。工具本体1由多块柱状块组拼而成，即将圆柱状的工具本体分解为2块及2块以上的柱状块，如图10所示，柱状块之间可采用铰接3的方式连接组拼，或插销固定拼接。如图11所示，柱状块组拼后可进行箍紧固定。柱状块之间也可采用螺纹等方式连接组拼。

实施例6：

本实施例与实施例1至5基本相同，其区别在于：转向座22与减摩降阻工具本体1之间设置有限制转向滚子2在转向座22旋转轴线24方向上的运动的锁紧结构6，如图12。作为选择，转向座22与减摩降阻工具本体1之间采用滚珠锁紧。

实施例7：

本实施例与实施例1至6基本相同，其区别在于：转向座22与减摩降阻工具本体1之间设置有密封结构5，如图12。

实施例8：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：滚子21的旋转轴线23与转向座22的旋转轴线24为异面直线，且滚子21的旋转轴线23与转向座22的旋转轴线24之间的夹角在70-90°之间或相互垂直。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。