一种钻井用可变径稳定器的制作方法

本实用新型涉及一种石油钻井器具，特别涉及一种钻井用可变径稳定器，属于石油钻井设备技术领域。

背景技术：

井眼轨道控制技术是井下控制工程学的重要内容，在定向井、水平井和大位移井钻井施工中，为了控制和调整井眼井斜，通常通过不同尺寸长度的钻杆、钻铤等配以不同位置上的稳定器组成造斜、稳斜或降斜钻具组合。使用传统的固定式稳定器，因其结构固定，更换稳定器都必须通过起下钻来实现，增加了钻井作业的辅助时间，而且固定式稳定器在起下钻过程中容易引起刮擦井壁和“拔活塞”现象，增加了泥浆对井壁的浸泡时间，从而延长钻井施工周期，降低钻井时效，甚至造成井壁失稳、井塌等井下复杂事故。

更加广泛使用的方案是在钻进过程中，通过改变井下稳定器的直径来改变井下钻具组合的力学特性，更好的控制井斜，满足增斜、降斜或造斜、稳斜工艺要求，减少井下钻具的起下钻次数、提高钻井效率、降低钻井成本，可变径稳定器是至关重要的执行机构。

现有的液压可变径稳定器包括外筒、芯轴总成、弹簧、锥体、活塞、换位机构、补偿活塞、密封挡圈、示位机构、下接头及密封圈。其中换位机构结构复杂，换位销中套有弹簧，换位销及弹簧套装在换位销座中，弹簧支撑在换位销座中，推着换位销与换位槽底径接触。此外换位时换位销受力复杂，既要承受换位环旋转时爬坡产生的前后伸缩作用力（弹簧力）又要承受换位槽旋转时产生的侧向力，因而在生产应用中会发生弹簧座憋坏卡死在换位销中，导致无法换位。通常活塞伸出后的外径不可调。

公开号为CN103742084B的中国实用新型专利，公开了用一种可变径稳定器，壳体中设置有中心管，中心管外径套装有锥套，锥套下方装有设置于中心管上用于在中心管向上移动时推动锥套上移的挡环，稳定块设置于壳体上，稳定块两端设有回位弹簧，稳定块与锥套相接触；中心管外径沿径向均布有凸块，中心管径向均布有活塞孔，活塞孔中安装有活塞，中心管底端设置有用于调整中心管轴向位移量并承担下部钻柱重量的螺帽；壳体顶部内径沿周向分布有对凸块运动进行导向的相连通的螺旋槽和直槽，壳体由顶部沿轴向依次分布有止推块孔、顶销孔和稳定块孔，其上分别安装有阻止凸块下行的止推块，用于活塞回位的顶销和用于进行变径的稳定块，顶销和止推块均带有弹簧；壳体内孔设有用于密封水眼内泥浆的密封件；壳体内径上设有与活塞位置相对应的环槽。该可变径稳定器通过锥套的轴向移动，实现稳定块的径向移动，达到变径的目的；当锥套轴向运动时，稳定块在锥套和回位弹簧作用下被动做径向涨开或回缩运动。该稳定器中换位机构的结构及受力状况复杂，回位弹簧容易卡住导致变径失败。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种钻井用可变径稳定器，可根据需要调整活塞伸出后的工具外径，实现一种工具有多个外径的目的，降低钻井成本，且结构简单，变径灵活可靠。

为解决以上技术问题，本实用新型的一种钻井用可变径稳定器，包括外筒，所述外筒的上端设有锥形母螺纹，所述外筒高度方向的中部为变径段，所述外筒的内腔设有与外筒共轴线的上芯轴，所述外筒的变径段外壁均匀缠绕有三条螺旋翼，每条螺旋翼上均匀分布有五个螺旋翼径向孔，各螺旋翼径向孔中分别设有径向活塞，每个径向活塞的内端头分别设有径向活塞斜面，位于同一个圆周上三个径向活塞的径向活塞斜面分别抵靠在同一个锥套外周的楔形斜面上，各所述锥套依次套装在所述上芯轴的外周，各所述锥套上的三个楔形斜面呈中心对称设置且下端分别向轴线方向倾斜；所述锥套的楔形斜面上分别设有T形槽，所述径向活塞的径向活塞斜面上分别设有可沿所述T形槽滑动的T形榫，所述T形榫分别嵌于相应的T形槽中；所述上芯轴的上端设有上芯轴活塞，所述上芯轴活塞的外周密封支撑在所述外筒的内壁，所述上芯轴活塞的底面设有平面轴承，所述平面轴承的下方设有上弹簧座，所述上弹簧座的下方设有复位弹簧，所述复位弹簧的下端支撑在下弹簧座上，所述下弹簧座通过锁销固定在在所述外筒上。

相对于现有技术，本实用新型取得了以下有益效果：三条螺旋翼上各自均匀分布有五个径向活塞，每一个横截面上呈正三角形分布有三个径向活塞；由于径向活塞斜面上的T形榫与锥套的楔形斜面上的T形槽相配合，使得径向活塞斜面始终与锥套的楔形斜面相贴合。泥浆泵开启时，泥浆的压力作用在上芯轴活塞上，上芯轴克服复位弹簧的张力下行，带动各锥套下行，各锥套的楔形斜面的上部与各径向活塞的径向活塞斜面相贴合，使得各径向活塞向外伸出，此时径向活塞为伸出状态。当泥浆泵停泵时，工具的内外压差平衡，复位弹簧的张力推动上芯轴上行复位，此时各锥套的楔形斜面的下部与各径向活塞的径向活塞斜面相贴合，使得各径向活塞的外端面低于比螺旋翼的表面，此时径向活塞为自由状态。当泥浆泵再次开启时，上芯轴再次克服复位弹簧的张力下行，带动各锥套下行，各锥套的楔形斜面的中部与各径向活塞的径向活塞斜面相贴合，使得各径向活塞的外端面与螺旋翼的表面平齐，此时径向活塞为平齐状态。

作为本实用新型的改进，所述上芯轴的下端旋接有下芯轴，所述下芯轴的上部设有下芯轴活塞，所述下芯轴活塞抵靠在最底部锥套的下端面下方，所述下芯轴活塞的底面下方设有平面垫圈，所述平面垫圈的下端面支撑在带球面座圈的推力球轴承一上，所述推力球轴承一的下方设有可单向转动的换位环，所述换位环的下端面支撑在带球面座圈的推力球轴承二上，所述推力球轴承二支撑在换位环轴承座上，所述换位环轴承座通过螺钉固定在所述下芯轴的圆周上；所述换位环的外周壁对称设有三组向内凹陷的换位滑槽，三组换位滑槽在所述换位环的外周形成首尾相连的循环结构；所述外筒的螺旋翼下部分别旋接有沿径向延伸的换位销，所述换位销的内端头分别插入于相应的换位滑槽中。下芯轴跟随上芯轴及各锥套同步升降，由于换位销固定在外筒上不动，换位销的内端头卡在换位滑槽中，当换位环随各锥套升降时，在换位滑槽的导向下进行单向旋转，推力球轴承一及推力球轴承二可以保证换位环转动灵活，换位销在换位滑槽的配合位置即决定了锥套在高度方向的位置，从而决定了径向活塞的状态。

作为本实用新型的进一步改进，所述换位滑槽包括通过斜槽依次相连的底槽、长槽、底槽和短槽，各底槽均位于斜槽下方的同一高度上，各长槽和短槽均位于斜槽的上方，各长槽的顶部竖向向上延伸至所述换位环高度方向的上部，各短槽的顶部位于所述换位环高度方向的中部；所述斜槽呈折线形依次沟通底槽、长槽、底槽、短槽、底槽、长槽并在换位环的圆周上形成循环。泥浆泵开启时，泥浆的压力推动上芯轴及各锥套下行，换位销滑行至长槽的顶部，此时各锥套的楔形斜面的上部与各径向活塞的径向活塞斜面相贴合，使得各径向活塞向外伸出，此时径向活塞为伸出状态。当泥浆泵停泵时，工具的内外压差平衡，复位弹簧的张力推动上芯轴上行复位，此时换位销滑行至底槽的底部，各锥套的楔形斜面的下部与各径向活塞的径向活塞斜面相贴合，使得各径向活塞的外端面低于比螺旋翼的表面，此时径向活塞为自由状态。当泥浆泵再次开启时，上芯轴再次克服复位弹簧的张力下行，带动各锥套下行，此时换位销滑行至短槽的顶部，各锥套的楔形斜面的中部与各径向活塞的径向活塞斜面相贴合，使得各径向活塞的外端面与螺旋翼的表面平齐，此时径向活塞为平齐状态。通过换位销与换位滑槽的配合，可以精确地控制各锥套的升降高度，从而精确控制径向活塞的伸出状态。

作为本实用新型的进一步改进，所述换位环轴承座下方设有补偿活塞，所述补偿活塞位于所述外筒的内壁与所述下芯轴的外壁之间，且补偿活塞的内周壁与外周壁均通过密封件实现密封；位于所述补偿活塞下方的所述外筒的圆周上设有通液孔，所述通液孔中安装有过滤板；所述通液孔的下方设有密封挡圈，所述密封挡圈通过螺钉与所述外筒固定连接，所述密封挡圈位于所述外筒的内壁与所述下芯轴的外壁之间，且密封挡圈的内周壁与外周壁均通过密封件实现密封。当上芯轴活塞下降时，上芯轴外周与外筒之间的泥浆推动补偿活塞下降，泥浆从通液孔排出；当上芯轴活塞上升时，泥浆从通液孔补入补偿活塞的下腔，过滤板可以阻止岩屑进入外筒内腔。

作为本实用新型的进一步改进，所述密封挡圈的下方设有装配垫，所述装配垫的下方设有孔板接头，所述孔板接头旋接在所述下芯轴的下端，所述孔板接头的下方设有孔板，所述孔板的下端面抵靠在孔板座的内孔台阶上，所述孔板座的上端旋接在所述孔板接头的下端外周；所述孔板座的中心孔下端设有上小下大的孔板座喇叭口；所述孔板座喇叭口中插有与之共轴线的节流锥，所述节流锥的支撑辐条连接在节流锥座圈上，所述节流锥座圈的外壁与所述外筒的内壁之间实现密封，所述节流锥座圈的下端面支撑在支撑圈上，所述支撑圈的下端面支撑在下接头的顶部，所述下接头旋接在所述外筒的下端。孔板的中心孔、孔板座的中心孔、孔板座喇叭口及节流锥构成节流和压力信号发生装置俗称示位机构，径向活塞完全伸出时，泥浆流经示位机构会产生1.04～1.73Mpa的压差，在地面观察立管压力表是否出现这个压差可以判定井下的变径状态。只有当径向活塞伸出时，才会产生泵压增加信号，当活塞不伸出时，示位机构处的压差可以忽略不计。

作为本实用新型的进一步改进，所述支撑圈的下端面与所述下接头的顶面之间设有调整垫片。增减调整垫片的厚度调节节流锥在孔板座喇叭口中的插入深度来控制节流压力。

作为本实用新型的进一步改进，所述上芯轴的顶部旋接有保护接头，所述保护接头的外壁与所述外筒的内壁之间留有间隙，所述保护接头的顶部设有喇叭口与所述上芯轴的中心孔相通。保护接头顶部的喇叭口可以将泥浆顺利导入上芯轴的内腔。

附图说明

图1为本实用新型钻井用可变径稳定器的立体图。

图2为图1中变径部位的放大图。

图3为本实用新型钻井用可变径稳定器的剖视图。

图4为图1中锥套的立体图。

图5为图1中径向活塞的主视图。

图6为图5的右视图。

图7为图5的立体图。

图8为图1中换位环的主视图。

图9为图8中沿A-A的剖视图。

图10为图8的立体图。

图11为图8中换位滑槽的展开图。

图中：1.外筒；1a.螺旋翼；1b.通液孔；1c.过滤板； 2.保护接头；3.上芯轴；3a.上芯轴活塞；3b.平面轴承；4.复位弹簧；4a.上弹簧座；4b.下弹簧座；4c.锁销；5.锥套；5a.楔形斜面；5b.T形槽；6.径向活塞；6a.径向活塞斜面；6b.T形榫；6c.硬质合金；7.下芯轴；7a.下芯轴活塞；7b.平面垫圈；8.推力球轴承一；9.换位环；9a.换位滑槽；9a1.底槽；9a2.长槽；9a3.短槽；10.推力球轴承二；11.换位环轴承座；12.换位销；13.补偿活塞；14.密封挡圈；15.装配垫；16.孔板接头；17.孔板；18.孔板座；19.节流锥；20.支撑圈；21.调整垫片；22.下接头。

具体实施方式

如图1至图7所示，本实用新型的钻井用可变径稳定器包括外筒1，外筒1的上端设有锥形母螺纹，外筒1高度方向的中部为变径段，外筒1的内腔设有与外筒共轴线的上芯轴3，外筒1的变径段外壁均匀缠绕有三条螺旋翼1a，每条螺旋翼1a上均匀分布有五个螺旋翼径向孔，各螺旋翼径向孔中分别设有径向活塞6，各径向活塞6的外端面均匀嵌装有多个硬质合金6c，每个径向活塞6的内端头分别设有径向活塞斜面6a，位于同一个圆周上三个径向活塞6的径向活塞斜面6a分别抵靠在同一个锥套5外周的楔形斜面5a上，各锥套5依次套装在上芯轴3的外周，各锥套5上的三个楔形斜面5a呈中心对称设置且下端分别向轴线方向倾斜；锥套5的楔形斜面5a上分别设有T形槽5b，径向活塞6的径向活塞斜面6a上分别设有可沿T形槽5b滑动的T形榫6b，T形榫6b分别嵌于相应的T形槽5b中。

上芯轴3的上端设有上芯轴活塞3a，上芯轴活塞3a的外周密封支撑在外筒1的内壁，上芯轴活塞3a的底面设有平面轴承3b，平面轴承3b的下方设有上弹簧座4a，上弹簧座4a的下方设有复位弹簧4，复位弹簧4的下端支撑在下弹簧座4b上，下弹簧座4b通过锁销4c固定在在外筒1上。上芯轴3的顶部旋接有保护接头2，保护接头2的外壁与外筒1的内壁之间留有间隙，保护接头2的顶部设有喇叭口与上芯轴3的中心孔相通，保护接头2顶部的喇叭口可以将泥浆顺利导入上芯轴3的内腔。

上芯轴3的下端旋接有下芯轴7，下芯轴7的上部设有下芯轴活塞7a，下芯轴活塞7a抵靠在最底部锥套5的下端面下方，下芯轴活塞7a的底面下方设有平面垫圈7b，平面垫圈7b的下端面支撑在带球面座圈的推力球轴承一8上，推力球轴承一8的下方设有可单向转动的换位环9，换位环9的下端面支撑在带球面座圈的推力球轴承二10上，推力球轴承二10支撑在换位环轴承座11上，换位环轴承座11通过螺钉固定在下芯轴7的圆周上；换位环9的外周壁对称设有三组向内凹陷的换位滑槽9a，三组换位滑槽9a在换位环9的外周形成首尾相连的循环结构；外筒1的螺旋翼1a下部分别旋接有沿径向延伸的换位销12，换位销12的内端头分别插入于相应的换位滑槽9a中。

如图8至图11所示，换位滑槽9a包括通过斜槽依次相连的底槽9a1、长槽9a2、底槽9a1和短槽9a3，各底槽9a1均位于斜槽下方的同一高度上，各长槽9a2和短槽9a3均位于斜槽的上方，各长槽9a2的顶部竖向向上延伸至换位环9高度方向的上部，各短槽9a3的顶部位于换位环9高度方向的中部；斜槽呈折线形依次沟通底槽9a1、长槽9a2、底槽9a1、短槽9a3、底槽9a1、长槽9a2并在换位环9的圆周上形成循环。

三条螺旋翼1a上各自均匀分布有五个径向活塞6，每一个横截面上呈正三角形分布有三个径向活塞6；由于径向活塞斜面6a上的T形榫6b与锥套5的楔形斜面5a上的T形槽5b相配合，使得径向活塞斜面6a始终与锥套5的楔形斜面5a相贴合。下芯轴7跟随上芯轴3及各锥套5同步升降，由于换位销12固定在外筒1上不动，换位销12的内端头卡在换位滑槽9a中，当换位环9随各锥套5升降时，在换位滑槽9a的导向下进行单向旋转，推力球轴承一8及推力球轴承二10可以保证换位环9转动灵活，换位销12在换位滑槽9a的配合位置即决定了锥套5在高度方向的位置，从而精确控制径向活塞6的伸出状态。

泥浆泵开启时，泥浆的压力作用在上芯轴活塞3a上，上芯轴3克服复位弹簧4的张力下行，带动各锥套5下行，换位销12滑行至长槽9a2的顶部，此时各锥套5的楔形斜面5a的上部与各径向活塞6的径向活塞斜面6a相贴合，使得各径向活塞6向外伸出，此时径向活塞6为伸出状态。

当泥浆泵停泵时，工具的内外压差平衡，复位弹簧4的张力推动上芯轴3上行复位，此时换位销12滑行至底槽9a1的底部，各锥套5的楔形斜面5a的下部与各径向活塞6的径向活塞斜面6a相贴合，使得各径向活塞6的外端面低于比螺旋翼1a的表面，此时径向活塞6为自由状态。

当泥浆泵再次开启时，上芯轴3再次克服复位弹簧4的张力下行，带动各锥套5下行，此时换位销12滑行至短槽9a3的顶部，各锥套5的楔形斜面5a的中部与各径向活塞6的径向活塞斜面6a相贴合，使得各径向活塞6的外端面与螺旋翼1a的表面平齐，此时径向活塞6为平齐状态。

换位环轴承座11下方设有补偿活塞13，补偿活塞13位于外筒1的内壁与下芯轴7的外壁之间，且补偿活塞13的内周壁与外周壁均通过密封件实现密封；位于补偿活塞13下方的外筒1的圆周上设有通液孔1b，通液孔1b中安装有过滤板1c；通液孔1b的下方设有密封挡圈14，密封挡圈14通过螺钉与外筒1固定连接，密封挡圈14位于外筒1的内壁与下芯轴7的外壁之间，且密封挡圈14的内周壁与外周壁均通过密封件实现密封。当上芯轴活塞3a下降时，上芯轴3外周与外筒1之间的泥浆推动补偿活塞13下降，泥浆从通液孔1b排出；当上芯轴活塞3a上升时，泥浆从通液孔1b补入补偿活塞13的下腔，过滤板1c可以阻止岩屑进入外筒1内腔。

密封挡圈14的下方设有装配垫15，装配垫15的下方设有孔板接头16，孔板接头16旋接在下芯轴7的下端，孔板接头16的下方设有孔板17，孔板17的下端面抵靠在孔板座18的内孔台阶上，孔板座18的上端旋接在孔板接头16的下端外周；孔板座18的中心孔下端设有上小下大的孔板座喇叭口；孔板座喇叭口中插有与之共轴线的节流锥19，节流锥19的支撑辐条连接在节流锥座圈上，节流锥座圈的外壁与外筒1的内壁之间实现密封，节流锥座圈的下端面支撑在支撑圈20上，支撑圈20的下端面通过调整垫片21支撑在下接头22的顶部，下接头22旋接在外筒1的下端。

孔板17的中心孔、孔板座18的中心孔、孔板座喇叭口及节流锥19构成节流和压力信号发生装置俗称示位机构，径向活塞6完全伸出时，泥浆流经示位机构会产生1.04～1.73Mpa的压差，在地面观察立管压力表是否出现这个压差可以判定井下的变径状态。只有当径向活塞6伸出时，才会产生泵压增加信号，当活塞不伸出时，示位机构处的压差可以忽略不计。增减调整垫片21的厚度调节节流锥19在孔板座喇叭口中的插入深度来控制节流压力。

以上所述仅为本实用新型之较佳可行实施例而已，非因此局限本实用新型的专利保护范围。除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。