一种全切换可换向水眼磨鞋的制作方法

1.本发明涉及油气田井下作业装备技术领域，更具体地说，涉及一种全切换可换向水眼磨鞋。


背景技术：

2.连续油管作业技术由于其本身具有的柔性刚度及自动化程度高、可带压作业等特性，近年来获得飞速发展，随着大斜度井、水平井在钻完井工程中应用的逐渐发展。
3.在页岩气施工中，常采用分段压裂的方式对储层进行开发。因此几乎每口压裂后的井需要把压裂时使用的桥塞钻掉，以打开天然气的通道，便于后期开采。但是由于受到连续油管作业工艺的各方面的制约，在钻磨桥塞时井下工具串的工作排量不能开的太大，常常导致在施工作业中出现以下几个缺点：一、井筒内钻完的桥塞碎屑不能及时返排到井口，造成了磨鞋钻磨时重复钻磨，钻磨桥塞效率低；二、桥塞碎屑累积越多，越容易造成卡钻事故。
4.公开日为2020年8月4日，公开了一件公开号为cn111485843a，名称为“自动可换向双向水眼磨鞋”的发明专利申请公布文本，该发明专利申请提供了一种自动可换向双向水眼磨鞋，所述水眼磨鞋包括上接头、磨鞋本体、以及设置在磨鞋本体内部的换向阀芯组件。上接头具有与上游部件连接的上端部、与磨鞋本体连接的下端部、以及供流体通过的贯穿通孔；磨鞋本体为柱状，且磨鞋本体具有与上接头下端部连接的上端部、设置钻磨面的下端部、沿轴向设置的第一深孔、使磨鞋产生向前拖拽力的反向水眼、以及给钻磨面降温和运移钻屑的正向水眼，以及设置在磨鞋本体外壁上的第一流道槽；换向阀芯组件设置在第一深孔中，换向阀芯组件能够根据流体流量调节通路使流体从正向水眼或从反向水眼中喷出，实现自动换向。该发明具有能够实现磨鞋流体喷射方向的转换，对转换的流量值进行设置等优点。
5.上述现有技术中解决的技术问题是正向水眼和反向水眼之间的转换的问题，且该现有技术中反向水眼的设置的位置，运移钻屑的能力不足，仍会造成井筒内钻完的桥塞碎屑不能及时返排到井口，钻磨桥塞效率低，桥塞碎屑累积越多，越容易造成卡钻事故。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种全切换可换向水眼磨鞋，本发明旨在于解决现有技术中水眼磨鞋钻完的桥塞碎屑不能及时返排到井口，造成磨鞋钻磨时重复钻磨，钻磨效率低，以及桥塞碎屑累积较多时，易造成卡钻事故的问题。本发明在上接头圆周开设有旁通水眼，并在上接头与磨鞋本体之间增加承扭接头和下接头，上接头内设置球座和换位活塞，通过球座和换位活塞的配合，使得本发明的全切换可换向水眼磨鞋与常规磨鞋相比，具有旁通水眼和直通水眼，在工作工程过可根据不同的工作情况，磨鞋在井下自动切换流道方向。在钻磨桥塞时，流体只会通过直通水眼向外喷射出流体；在磨鞋前方没有桥塞或者没有遇阻时，流体只能从旁通水眼喷射出。本发明磨鞋，当流
体从旁通水眼喷射时，可与周围的流场形成相对负压，产生“虹吸效应”，在“虹吸效应”的作用下，能将磨鞋前端的碎屑吸附至磨鞋的后方，顺着高速流体一起往井口流动。
7.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的。
8.本发明提供了一种全切换可换向水眼磨鞋，包括上接头、承扭接头、下接头和磨鞋本体，上接头、承扭接头、下接头和磨鞋本体内设置有连通的流体通路；在上接头的一端与承扭接头连接，且在上接头靠近承扭接头一端的流体通路ⅰ内，滑动密封装配有上活塞，上接头上与上活塞运动行程对应的侧壁上开设有与磨鞋钻井方向的反方向形成设定夹角的旁通水眼，上活塞在流体通路ⅰ内滑动实现旁通水眼与流体通路ⅰ的通断；上接头靠近承扭接头一端的流体通路ⅰ内设置有与上活塞端部配合实现密封的密封座，上活塞端部与密封座配合密封时，切断上接头内流体通路ⅰ与承扭接头内流体通路ⅱ的连通；上活塞上设置有旁通槽，上活塞端部离开密封座时，流体经上接头的流体通路ⅰ和上活塞上的旁通槽流入到承扭接头的流体通路ⅱ内；在承扭接头内滑动密封装配有换位活塞，换位活塞一端与下接头一端连接，另一端与上活塞端部配合；所述流体通路ⅱ设置在换位活塞内，流体通路ⅱ与下接头内的流体通路ⅲ连通；换位活塞上与上活塞配合的端部设置有活塞流道，流体经上活塞端部的旁通槽和换位活塞端部的活塞流道进入到流体通路ⅱ内；承扭接头与下接头通过键槽连接结构连接在一起，下接头相对承扭接头沿其轴向相对运动；下接头的另一端与磨鞋本体的一端连接，下接头内的流体通路ⅲ与磨鞋本体内的流体通路ⅳ连通，在磨鞋本体的另一端开设有将流体通路ⅳ内流体喷射在钻磨面上的直通水眼。
9.所述上接头内设置有限制上活塞沿磨鞋钻井方向反向运动行程的限位销。
10.所述密封座为半球形密封座，所述上活塞端部为与所述半球形密封座形状适配的半球形密封端面；所述旁通槽开设在上活塞的半球形密封端面上。
11.所述上活塞内部设置有流通孔，上活塞侧壁与上接头内壁滑动密封连接；流体经上接头的流体通路ⅰ进入到上活塞的流通孔内，在上活塞端部9离开密封座时，流体经旁通槽进入到流体通路ⅱ内。
12.上活塞侧壁上开设有旁通孔，在上活塞与密封座配合密封时，流体经上活塞侧壁上开设的旁通孔进入上接头侧壁上的旁通水眼，由旁通水眼喷射出。
13.上活塞侧壁上设置有三道密封圈，其中两道密封圈位于旁通孔与旁通槽之间；另一道密封圈位于旁通孔的另一侧。
14.所述换位活塞的一端插入到上接头的流体通路ⅰ内，且与上接头的流体通路ⅰ内侧壁滑动密封，形成密封部ⅰ；密封部ⅰ的端部设置若干活塞支撑柱，且若干活塞支撑柱围拢形成的柱体直径小于上接头中密封座内径，活塞支撑柱作用在上活塞端部9；相邻活塞支撑柱之间形成所述活塞流道。
15.所述换位活塞的另一端滑动密封在承扭接头内，形成密封部ⅱ，在密封部ⅱ靠近下接头的端部设置有连接段，该连接段插入到下接头内与下接头连接在一起。
16.在密封部ⅰ上靠近密封部ⅱ的一端的侧壁上开设有用于连通流体通路ⅱ与承扭接头内腔的呼吸孔ⅰ。
17.在承扭接头上对应下接头运动行程段的侧壁上开设有呼吸孔ⅱ。
18.承扭接头与下接头连接的端部内壁上设置有与承扭接头轴向平行的连接键，下接头外壁上设置有对应的连接槽，承扭接头内壁上的连接键嵌入到下接头外壁的连接槽中。
19.承扭接头与下接头连接的端部内壁上开设有与承扭接头轴向平行的连接槽，下接头外壁上设置有对应的连接键，下接头外壁上的连接键嵌入到承扭接头内壁上的连接槽中。
20.在承扭接头内壁上还设置有限制换位活塞沿磨鞋钻进方向移动行程的限位台阶。
21.在磨鞋本体上设有直通水眼的端部装配有硬质合金齿。
22.在磨鞋本体上靠近直通水眼的端部侧壁上设置有若干流道槽。
23.与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：1、全切换可换向水眼磨鞋与常规磨鞋相比，具有旁通水眼和直通水眼，在工作过程中可根据不同的工作情况，磨鞋在井下自动切换流道方向。在钻磨桥塞时，流体只会通过直通水眼向外喷射出流体；在磨鞋前方没有桥塞或者没有遇阻时，流体只能从旁通水眼喷射出。
24.2、这样的自动切换流道方向的功能，能有以下几个优点：（1）在磨鞋前方没有桥塞或者没有遇阻时，流体只能从旁通水眼高速喷射出，与周围的流场形成相对负压，“虹吸效应”的作用能将磨鞋前端的碎屑吸附至磨鞋的后方，顺着高速流体一起往井口流动。
25.（2）井筒保持清洁以后，能极大地提高磨鞋钻磨桥塞的效率。
26.（3）井筒保持清洁以后，能减少卡钻的几率发生。
27.（4）在钻磨桥塞时，流体只会通过直通水眼向外喷射出流体，有利于磨鞋硬质合金齿的冷却，且刚钻磨完的桥塞碎屑会及时上返，不会继续堆积在桥塞上。
附图说明
28.图1为本发明全切换可换向水眼磨鞋旁通时结构示意图；图2为本发明全切换可换向水眼磨鞋直通时结构示意图；图3为本发明全切换可换向水眼磨鞋上接头的结构示意图；图4为本发明全切换可换向水眼磨鞋承扭接头的结构示意图；图5为本发明图2中a-a向剖视图；图6为本发明承扭接头剖视图；附图标记：1、上接头，2、承扭接头，3、下接头，4、磨鞋本体，5、流体通路ⅰ，6、上活塞，7、旁通水眼，8、密封座，9、上活塞端部，10、流体通路ⅱ，11、旁通槽，12、换位活塞，13、流体通路ⅲ，14、活塞流道，15、流体通路ⅳ，16、直通水眼，17、限位销，18、流通孔，19、旁通孔，20、第一道密封圈，21第二道密封圈，22、第三道密封圈，23、密封部ⅰ，24、活塞支撑柱，25、密封部ⅱ，26、连接段，27、呼吸孔ⅰ，28、呼吸孔ⅱ，29、连接键，30、连接槽，31、硬质合金齿，32、流道槽，33、限位台阶。
具体实施方式
29.下面结合说明书附图及具体实施例，对本发明的技术方案做出进一步详细地阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中
的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1和附图2所示，本实施例公开了一种全切换可换向水眼磨鞋，包括上接头1、承扭接头2、下接头3和磨鞋本体4，上接头1、承扭接头2、下接头3和磨鞋本体4内设置有连通的流体通路；在上接头1的一端与承扭接头2连接，且在上接头1靠近承扭接头2一端的流体通路ⅰ5内，滑动密封装配有上活塞6，上接头1上与上活塞6运动行程对应的侧壁上开设有与磨鞋钻井方向的反方向形成设定夹角的旁通水眼7，上活塞6在流体通路ⅰ5内滑动实现旁通水眼7与流体通路ⅰ5的通断；上接头1靠近承扭接头2一端的流体通路ⅰ5内设置有与上活塞端部9配合实现密封的密封座8，上活塞端部9与密封座8配合密封时，切断上接头1内流体通路ⅰ5与承扭接头2内流体通路ⅱ10的连通；上活塞6上设置有旁通槽11，上活塞端部9离开密封座8时，流体经上接头1的流体通路ⅰ5和上活塞6上的旁通槽11流入到承扭接头2的流体通路ⅱ10内；在承扭接头2内滑动密封装配有换位活塞12，换位活塞12一端与下接头3一端连接，另一端向上接头1的流体通路ⅰ5内延伸，与上活塞端部9配合；所述流体通路ⅱ10设置在换位活塞12内，流体通路ⅱ10与下接头3内的流体通路ⅲ13连通；换位活塞12上与上活塞6配合的端部设置有活塞流道14，流体经上活塞端部9的旁通槽11和换位活塞12端部的活塞流道14进入到流体通路ⅱ10内；承扭接头2与下接头3通过键槽连接结构连接在一起，下接头3相对承扭接头2沿其轴向相对运动；下接头3的另一端与磨鞋本体4的一端连接，下接头3内的流体通路ⅲ13与磨鞋本体4内的流体通路ⅳ15连通，在磨鞋本体4的另一端开设有将流体通路ⅳ15内流体喷射在钻磨面上的直通水眼16。
31.在本实施例中，参照说明书附图1所示，当磨鞋本体4前方未接触前方桥塞或者磨鞋本体4前方没有需要钻磨的障碍物时，此时流体压力作用到上活塞6上，在流体压力的作用下，上活塞端部9座封在上接头1的密封座8上，形成密封，同时旁通水眼7处于打开状态，流体只能通过旁通水眼7喷射出，磨鞋本体4前端的直通水眼16没有流体喷射。流体从旁通水眼7喷射出之后，形成的射流与周围的流场形成相对负压，产生“虹吸效应”；在“虹吸效应”的作用下，将磨鞋本体4前端的碎屑吸附至磨鞋的后方，顺着高速流体一起往井口流动。
32.参照说明书附图2所示，此时磨鞋已接触前方的桥塞或者前方存在需要钻磨的障碍物，磨鞋本体4受到桥塞或前方障碍物的反作用力，反作用力将磨鞋本体4向钻进方向的反方向推动，磨鞋本体4带动下接头3向钻井方向的反方向移动，这样下接头3与承扭接头2之间的间隙关闭，下接头3推动换向活塞向上活塞6方向移动，换向活塞推动上活塞端部9离开密封座8，此时旁通水眼7被上活塞6封堵，旁通水眼7关闭，流体通过上活塞6上的旁通槽11流入到换向活塞，经换向活塞端部的活塞流道14流入到流体通路ⅱ10内，然后经下接头3的流体通路ⅲ13进入磨鞋本体4内的流体通路ⅳ15，最后经直通水眼16喷射出。
33.实施例2作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1的基础上对本发明的技术方案作出进一步详细的阐述。具体的，作为本实施例的一种实施方式，如图3所示，所述上接头1内设置有限制上活塞6沿
磨鞋钻井方向反向运动行程的限位销17。其功能是控制上活塞6上串行程，使磨鞋遇到阻碍时，上接头1上的旁通水眼7始终处于上活塞6的密封面内，旁通水眼7始终处于关闭状态。
34.作为本实施例的一种实施方式，可以控制旁通水眼7的开孔位置，使得下接头3与承扭接头2之间的间隙关闭之后，旁通水眼7被上活塞6封堵住。
35.本实施方式与增加限位销17的实施方式相比，节约零部件的使用，但是采用限位销17的实施方式，可以进一步保障上活塞6的行程的稳定，避免特殊工况时，上活塞6上串行程过大而导致无法封堵旁通水眼7。
36.作为一种示例，为了解决上活塞6上串行程的问题，还可以将上活塞6与换位活塞12固定连接在一起，换位活塞12上串行程决定了上活塞6的上传行程，下接头3与承扭接头2之间的间隙决定了换位活塞12上串行程。
37.实施例3作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1和实施例2的基础上对本发明的技术方案作出进一步详细的阐述。作为本实施例的一种实施方式，当磨鞋钻进了一段时间之后，可以将磨鞋整体后移一定距离，使得磨鞋本体4前端不再承受桥塞或障碍物的反作用力，此时流体压力作用到上活塞6上，将上活塞6座封到密封座8上，使得旁通水眼7打开，流体经旁通水眼7喷射出，形成虹吸效应，在虹吸效应的作用下，将磨鞋本体4前端的碎屑吸附至磨鞋的后方，顺着高速流体一起往井口流动。
38.更进一步的，可以通过改变流体介质泵送压力，以确保上活塞6可以顺利座封在密封座8上，使得流体经旁通水眼7喷射出之后，虹吸效应更好，更加有利于将磨鞋本体4前端的碎屑吸附至磨鞋的后方，顺着高速流体一起往井口流动。
39.作为一个示例，旁通水眼7沿上接头1圆周均匀分布，旁通水眼7与上接头1轴向的夹角为10
°‑
80
°
，对此，本技术不作具体的限定，可根据钻进工况、流体介质压力等条件，适应性调整旁通水眼7与上接头1轴线的夹角。
40.作为本实施例的又一种实施方式，上活塞6的具体布置方式，可以采用现有阀门领域中的活塞套、开窗及上活塞6的结构形式，对此，本技术不作限定。只要可以实现本技术限定上活塞6功能的结构均可，包括但不限于现有活塞结构。只要不脱离本技术结构原理即可。
41.作为一个示例，上活塞端部9为一个平面，旁通槽11开设在上活塞端部9上，密封座8上设置有密封旁通槽11的密封块，当上活塞端部9座封在密封座8上时，密封座8上的密封块封堵旁通槽11，当上活塞端部9离开密封座8时，流体经旁通槽11进入到上活塞6与密封座8之间的间隙，然后再经密封座8上各密封块之间的间隙中进入到到承扭接头2的流体通路ⅱ10内。
42.作为一个示例，旁通槽11开设在上活塞6的侧壁上，上接头1内设置活塞套，活塞套与密封座8连接，上活塞6部分滑动密封在活塞套内，活塞套上设置开窗，上活塞6座封在密封座8上时，旁通槽11被活塞台封堵，上活塞6离开密封座8之后，旁通槽11与活塞套上的开窗连通，流体经旁通槽11和开窗进入到活塞套与上接头1内壁之间的间隙，再由密封座8与上接头1之间的间隙流入到承扭接头2的流体通路ⅱ10内。
43.实施例4作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1至实施例3的基础上对本
发明的技术方案作出进一步详细的阐述。作为本实施例的一种实施方式，本实施方式中提供了一种上活塞6的结构形式，该结构形式与其他现有可实现的活塞结构相比，使用零部件较少，便于加工，设备成本低，运行更加稳定。
44.具体的，如图3所示，所述密封座8为半球形密封座，所述上活塞端部9为与所述半球形密封座形状适配的半球形密封端面；所述旁通槽11开设在上活塞6的半球形密封端面上。在本实施方式中，将旁通槽11开设在上活塞6的半球形密封端面上，在上活塞端部9离开密封座8后，上活塞6的半球形密封端面与密封座8之间就会产生间隙，旁通槽11设置在该端面上，及可实现与承扭接头2的连通，流体可通过该旁通槽11进入到上活塞6的半球形密封端面与密封座8之间的间隙中，进而通过密封座8上的开口进入到承扭接头2的流体通路ⅱ10内。
45.更进一步的，所述上活塞6内部设置有流通孔18，上活塞6侧壁与上接头1内壁滑动密封连接；流体经上接头1的流体通路ⅰ5进入到上活塞6的流通孔18内，在上活塞端部9离开密封座8时，流体经旁通槽11进入到流体通路ⅱ10内。
46.作为本发明的又一种实施方式，上活塞6侧壁上开设有旁通孔19，在上活塞6与密封座8配合密封时，流体经上活塞6侧壁上开设的旁通孔19进入上接头1侧壁上的旁通水眼7，由旁通水眼7喷射出。上活塞6上开设旁通孔19，只有在设定工况下，旁通孔19才可与旁通水眼7连通，该设定工况就是上活塞6座封在密封座8上时，这样加工上活塞6，可避免在磨鞋本体4进行钻进时，流体从旁通水眼7喷射出。
47.更进一步的，如图3所示，上活塞6侧壁上设置有三道密封圈，其中两道密封圈位于旁通孔19与旁通槽11之间；另一道密封圈位于旁通孔19的另一侧。如图1所示，当上活塞6座封在密封座8上时，旁通水眼7处于第一道密封圈20和第二道密封圈21之间，此时旁通孔19也位于第一道密封圈20和第二道密封圈21之间。如图2所示，当上活塞6离开密封座8时，旁通水眼7位于第二道密封圈21和第三道密封圈22之间，使得旁通水眼7始终位于上活塞6两个到密封圈之间，避免在磨鞋钻磨工作时，流体从旁通水眼7喷射出。
48.实施例5作为本发明又一较佳实施例，本实施例是在上述实施例1至实施例4的基础上对本发明的技术方案作出进一步详细的阐述。作为本实施例的一种实施方式，参照说明书附图1、附图2和附图4所示，所述换位活塞12的一端插入到上接头1的流体通路ⅰ5内，且与上接头1的流体通路ⅰ5内侧壁滑动密封，形成密封部ⅰ23；密封部ⅰ23的端部设置若干活塞支撑柱24，且若干活塞支撑柱24围拢形成的柱体直径小于上接头1中密封座8内径，活塞支撑柱24作用在上活塞端部9；相邻活塞支撑柱24之间形成所述活塞流道14。换位活塞12的结构简单，运行稳定，可避免流体泄漏。所述换位活塞12的另一端滑动密封在承扭接头2内，形成密封部ⅱ25，在密封部ⅱ25靠近下接头3的端部设置有连接段26，该连接段26插入到下接头3内与下接头3连接在一起。
49.在密封部ⅰ23上靠近密封部ⅱ25的一端的侧壁上开设有用于连通流体通路ⅱ10与承扭接头2内腔的呼吸孔ⅰ27。
50.在承扭接头2上对应下接头3运动行程段的侧壁上开设有呼吸孔ⅱ28。
51.呼吸孔ⅰ27和呼吸孔ⅱ28的功能是平衡工具内部与环空之间的压差，这样换位活塞12在来回切换流道时，压力能够平衡，能够较容易地进行流道切换。
52.作为本实施例的又一种实施方式，如图5所示，为下接头3与承扭接头2之间的键槽连接结构。
53.作为一个示例，承扭接头2与下接头3连接的端部内壁上设置有与承扭接头2轴向平行的连接键29，下接头3外壁上设置有对应的连接槽30，承扭接头2内壁上的连接键29嵌入到下接头3外壁的连接槽30中。
54.作为又一个示例，承扭接头2与下接头3连接的端部内壁上开设有与承扭接头2轴向平行的连接槽30，下接头3外壁上设置有对应的连接键29，下接头3外壁上的连接键29嵌入到承扭接头2内壁上的连接槽30中。
55.如图5所示，为六个半圆柱结构的连接键29，能够传递螺杆马达的输出扭矩到磨鞋上。
56.更进一步的，如图6所示，所述承扭接头2上设置有限位台阶33，可以防止换位活塞12及下接头3向下脱出。
57.作为本实施例又一种实施方式，如图1所示，在磨鞋本体4上设有直通水眼16的端部装配有硬质合金齿31。在磨鞋本体4上靠近直通水眼16的端部侧壁上设置有若干流道槽32，便于排出钻屑。