[发明专利]牙轮扩眼器复合楔保持

说明书

背景技术

牙轮扩眼器已在井下钻井作业中使用了许多年，以提高井眼质量。在钻井作业中，钻头会经受磨损使得钻出的井眼的尺寸随着时间变化。井底组件(BHA)的振动也可能导致井眼具有许多缺陷。此外，当井眼横贯具有不同机械特性的岩层之间的边界时，可能引发缺陷(例如岩礁)和直径变化。为了提高井眼质量和一致性(例如，为了获得具有一致的直径的井眼)，通常在BHA中在钻头上方采用一个或多个牙轮扩眼器。

传统的牙轮扩眼器包括绕着工具本体的圆周设置的多个旋转切割组件(例如三个)。每个切割组件包括围绕轴(或销)设置的切割牙轮或破碎牙轮，轴又连接到工具本体。这些牙轮配置成围绕该轴旋转，以使得它们在轴上旋转并且在钻井过程中围绕井眼壁“滚动”。这种“滚动”减少了BHA和井眼壁之间的摩擦力，由此减少了扭矩、粘滑以及其它振动形式。这些牙轮还包括多个设置在其外表面上的切割/破碎元件，使得它们切割(或破碎)局部地层。这种切割用于使井眼壁光滑并且产生具有一致的直径的井眼。

本领域中众所周知的是，井下工具经受极端条件，包括机械冲击和振动(尤其是径向压缩冲击)、高温和高压以及暴露于腐蚀性流体。这些极端条件可能导致多种工具故障模式并且通常需要坚固耐用的工具设计。例如，需要可靠的密封机构以防止污染物进入到牙轮组件的内部并且防止润滑剂泄露。密封失效可能使得牙轮被卡住，从而明显提高了BHA和井眼壁之间的摩擦力。这种故障通常需要产生故障的工具停工从井中取出。此外，在缩径孔中，施加在牙轮组件上的过度的径向力可能引起多种机械故障，例如，包括轴和其它内部组件构件的疲劳裂纹。作为前面提到的极端条件的结果，有时候期望在钻井作业之间(或者在日常停机从井眼取出的过程中)维护牙轮扩眼器。这种维护例如包括更换旋转切割组件。能够提高这种可维护性的工具配置是有利的。

发明内容

公开的牙轮扩眼器用于井下牙轮扩眼作业。公开的牙轮扩眼器的实施例包括设置在井下工具本体中的相应的轴向凹槽中的牙轮组件。该牙轮组件包括绕着支承销的公共轴线设置且被布置成相对于该公共轴线旋转的切割器壳。该牙轮组件通过由至少一个保持组件提供的复合楔进作用而被保持在轴向凹槽中。一个或多个公开的实施例采用位于支承销的相反的第一和第二轴向端部处的第一和第二保持组件。保持组件包括第一和第二楔机构，其中，第一楔机构将大体上为径向的力转换成轴向力，第二楔机构将轴向力转换成将牙轮组件固定在轴向凹槽中的与轴向垂直的保持力。

公开的实施例可提供一个或多个不同的技术优点。例如，在一个或多个实施例中，与轴向垂直的保持力(也被称作夹紧力)不垂直于工具本体中的轴向凹槽的某些倾斜侧壁。这有利地减小了施加给工具本体的应力(以及相应的应变)并且由此能够提高工具的寿命(例如，通过减少工具本体中的疲劳和裂纹形成)。此外，施加的径向力、产生的轴向力以及产生的与轴向垂直的保持力基本上完全地保持在保持组件内(例如，位于保持块和楔形块内)和工具本体内，使得基本上没有施加给支承销的轴向负载(力)。因此，支承销的疲劳寿命、进而牙轮扩眼器工具的疲劳寿命被提高。此外，保持组件提供强保持力，这也能提高切割器组件的保持能力。

本发明内容用于介绍一种构思的选择，其将在后面进行详细描述。本发明内容不是用于确定要求保护的主题的关键或基本特征，也不是用作帮助限定要求保护的主题的范围。

附图说明

为了更加完全地理解本公开的主题及其优点，后面的描述与附图相结合作为参照，其中：

图1描绘了这里公开的密封支承的牙轮扩眼器实施例如何可用在传统的钻机中的一个例子。

图2描绘了密封支承的牙轮扩眼器的一个例子的透视图。

图3描绘了图2描绘的密封支承的牙轮扩眼器的切割器组件部分的详细横截面视图。

图4A描绘了图3所示的切割器组件的楔形块和保持块部分的一部分的横截面视图。

图4B描绘了图4A所示的切割器组件的楔形块和保持块部分的侧视图。

图5A到8B为横截面视图，描绘了图3所示的切割器组件的一个或多个典型的安装过程，其中，图5A和5B描绘了在扩眼器本体凹槽中放置切割器组件；图6A和6B描绘了在扩眼器本体凹槽中在保持块之后放置楔形块；图7A和7B描绘了调整螺栓螺纹与扩眼器本体的接合；图8A和8B描绘了在预定扭矩已被施加给调整螺栓之后的最终安装状态。

图9描绘了图3所示的密封组件的横截面视图。

图10A到10E(共同构成图10)描绘了图9所示的密封组件的安装过程的一个例子的横截面视图。