一种定向用扩眼螺杆钻具技术领域
本发明涉及一种定向用扩眼螺杆钻具，具体是一种可以在定向过程中
实现井眼扩大的螺杆钻具。
背景技术
随着石油勘探开发技术、钻井技术的不断发展，定向井、丛式井、水
平井等钻井技术得到越来越广泛的应用。
在目前的石油钻采过程中，因为螺杆钻具具有较强的造斜能力和比较
宽的造斜率范围，使得螺杆钻具在定向作业过程中得到了广泛的应用。在
定向过程中，螺杆钻具的弯壳体弯角方向是不可以发生改变的，螺杆钻具
的马达此时就是提供钻头动力的唯一途径，当转盘开动时，螺杆钻具这一
定向效果就消失了。
现有的扩眼工具有机械式的，有液压式的，但是这类扩眼工具的动力
来源都来自于转机的转盘转动传递出的扭矩，由于弯角方向会随转盘转动
不断地发生变化，所以市场上的扩眼工具无法实现定向功能。
螺杆钻具在钻进过程中带动钻头旋转，钻出井眼直径是由钻头直径大
小决定的，假设可把螺杆钻具和扩眼工具组合使用(是否能够组合使用还
没有得到验证)，即带扩眼工具同时旋转钻进达到扩眼目的，但是此时螺杆
钻具壳体上的扶正器随着井眼的扩大就起不到扶正井壁的作用，这样严重
影响了造斜率，无法达到定向造斜。
此外，螺杆钻具在使用过程中，不可避免的会遇到易缩地层，例如石
膏地层，受易缩地层的挤压，螺杆钻具的定向钻进及钻具起下钻受到很大
的限制。
中国专利文献CN104948122A公开了一种用于螺杆钻具的滚珠式扶正
器，其包括本体和滚珠，其中本体为凸棱式结构，为固定式结构，其固定
式结构的本体决定了其使用会受到很大的限制，例如不会随着扩眼而变大，
从而无法起到扶正效果。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于泥浆输送压而具有扶正良好适
应性的定向用扩眼螺杆钻具。
本发明采用以下技术方案：
一种定向用扩眼螺杆钻具，包括：
转子，该转子为具有多头螺旋的螺杆；
外壳，套装在转子上形成定子，与转子间基于所述多头螺旋形成多个
用于输送泥浆的密封腔；
扶正器，设置在外壳上，具有多个径向设置的第一导孔，以及设置在
第一导孔的第一活塞，其中第一活塞连接有扶正块；
扩眼刀，设置在转子头端，具有多个径向设置的第二导孔，以及设置
在第二导孔的第二活塞，其中第二活塞连接有切削刀翼；
其中，扶正器和扩眼刀所在的转子段的内孔为泥浆孔，密封腔通过泥
浆孔与第一导孔和第二导孔连通。
上述定向用扩眼螺杆钻具，可选地，用于连通泥浆孔与第二导孔的液
压通道包括与第二导孔同轴线的第一部分和与第一部分平行并设置在扩眼
刀后侧而与泥浆孔连通的第三部分，以及在转子轴向连通第一部分与第三
部分的第二部分。
优选地，第二部分的长度与泥浆孔直径的长径比为10:1～16:1。
优选地，所述扶正块两端以及切削刀翼的两端均设有倒角。
在一些实施例中，在第一导孔内设有用于扶正块复位的复位装置，在
第二导孔内设有用于切削刀翼复位的复位装置。
在另一些实施例中，所述第一导孔和第二导孔均为圆孔，相应地，第
一活塞和第二活塞均为圆形活塞；
扶正块为沿转子轴向设置的条形块，相应地，在外壳上设有对扶正块
导向的第一条形导孔，用于扶正块复位的复位装置设置在第一条形导孔内；
切削刀翼为沿转子轴向设置的条形切削刀翼，相应地，在转子上设有
对切削刀翼导向的第二条形导孔，用于切削刀翼复位的复位装置设置在第
二条形导孔内。
进一步地，所述第一复位装置为相应于扶正块条形方向的两端设置的
各一个弹簧，相应的两个弹簧关于第一导孔的轴线轴对称设置。
可选地，所述扶正块有3～6个。
可选地，所述扶正块包括具有镶嵌槽的块体，在镶嵌槽内镶嵌有镶块
而形成扶正块的支撑结构。
可选地，所述转子与定子间通过轴承装配，且轴承在转子轴向的位置
位于第一导孔的后侧。
依据本发明，巧妙的利用泥浆的输送压，实现扶正器和扩眼刀的扩张
和缩回，扩眼状态时，泥浆泵将泥浆送出，泥浆在泥浆孔内形成具有一定
压强的泥浆流，为其设置旁路，连通扶正器和扩眼刀的导孔，驱动相应的
活塞，从而使相应扶正块和切削刀翼张开，尤其是扶正块，能够适应扩眼
后的钻孔的大小，自适应的调整其扶正直径，因而具有良好的适应性。停
钻后，泥浆泵停止，扶正块和切削刀翼缩回，整体直径变小，有利于螺杆
钻头退出。
附图说明
图1为依据本发明的一种定向用扩眼螺杆立体结构示意图。
图2为一种定向用扩眼螺杆的剖视结构示意图。
图3为图2的A部放大图。
图4为图3的C部放大图。
图5为图2的B部放大图。
图中：1.转子，2.外壳(即定子)，3.扶正器，4.扩眼刀，5.泥浆孔，
6.衬套，7.密封套，8.轴承。
31.扶正块，32.液压通道，33.倒角，34.镶块，35.活塞，36.导孔，
37.弹簧，38.装配体，39.扶正块体。
41.切削刀翼，42.液压通道，43.倒角，44.切削刃，45.活塞，46.导
孔，47.弹簧。
具体实施方式
在螺杆钻具技术领域，螺杆在钻进方向的前方为头端或者前端，相应
地，另一端为尾端或者后端，因而，在方位上，头尾和前后是为螺杆钻具
所明确限定的，同时，螺杆钻具上的配件在此条件下也是为该头尾或者前
后所限定。
此外，螺杆钻具也是基于转动实现的钻销，因而，相适应的径向、轴
向、周向均是以钻进方向或者转子1、壳体2所限定的。
图1所示的结构是一种定向用扩眼螺杆的基本结构，图中转子1用于
连接螺杆钻具马达，提供钻销动力，壳体2可以与螺杆钻具马达一体，都
是在周向上不可动的部件。
图1中未显示转子1与外壳2的螺杆段装配结构，转子1通常具有多
头螺旋，形成螺杆，外壳2的内表面为圆柱面，从而多头螺旋与外壳2的
内表面配合形成多个螺旋形的密封腔，用于输送泥浆。在钻头部分，从密
封腔输送的泥浆经由转子1的内孔，即泥浆孔5输出。
设置在壳体2上的扶正器3因而也是在壳体2的周向不可动的。
扶正器3所扶正的是扩眼刀4，用于保证扩眼刀4姿态，或者说用于
扩眼刀4的定向。
钻销需要切削液，切削液主要成分是水，各种化工切削液与水的混合
物统称为泥浆，使用泥浆泵将泥浆泵出，图2中泥浆孔5内的从左向右的
箭头表示泥浆泵出的方向。
即便是不考虑泵送压，深入地层的泥浆柱也具有很大的泥浆压，从而，
扶正器3和扩眼刀4基于泥浆压所实现的扩张状态的保持是比较稳定的。
转子1是提供切削动力的部件，用于扩眼刀4与钻具马达的动力连接，
其中该转子1(螺杆部分之外)部分的内孔为用于输送泥浆的泥浆孔5，如
图2所示，用于通过泥浆向钻头侧的输送。
同时配置外壳2，外壳2相对而言是不转动的，或者说在周向是静态
的，一般与转子1形成转动连接，例如通过轴承8所形成的连接。相对而
言，外壳2构成定子，即相对于转子1是固定设置的。
如图1和2所示，定子是扶正器3的载体，用于扩眼刀4的定向，因
而，其需要在井眼上可靠定位，如背景技术部分所述，如果采用径向固定
结构的扶正器3，随着扩眼刀4的切削，井眼会扩大，扶正器3的定向作
用下降。
在本发明中，扶正器3仍然设置在外壳2上，但其扶正块31采用浮动
设置，即能够随着井眼的扩大其整体轴径(等效轴径)也变大。
具体地，扶正器3具有多个径向设置导孔36，例如图1和2中所示的
4个导孔36，这些导孔36需要与泥浆孔5连通。
由于外壳2与转子1的基本结构是同轴线装配的结构，因此，径向设
置的导孔36，通过径向孔可实现与泥浆孔5的连通。
由于外壳2相对于转子1在周向是静态的，因此，可以在导孔36分布
的圆周上，在外壳2的内壁开设一个环槽，该环槽用于所有导孔36的连通。
相应地，在转子1上相应于环槽的部位开设若干侧孔，形成环槽与泥
浆孔5的连通，从而形成回转副的静态构件与动态构件上液压通道32的连
通。
导孔36所在的结构构成为缸体，为每一个导孔36设置一个活塞35，
从而，当泥浆泵开始工作，泥浆从图中泥浆孔5的右侧向左侧泵出，具有
一定压强的泥浆流入液压通道32，推动活塞35向导孔36的离心侧移动。
由于扶正块31安装在活塞35上，那么扶正块31就具有了向外伸出的
能力，即向离心侧移动的能力，整体而言，成扶正器3此时处于张开状态。
如前所述，由于泥浆压比较高，张开的扶正器3具有相对稳定的状态。
当然，扶正块31的最大行程需要被限制，在其工作行程内属于浮动，
从而适应不同直径的井眼，因而具有非常好的适应性。
对于扩眼刀4，采用与扶正器3相类似的设置，其切削刀翼41采用浮
动设置，但不同于扶正器3的设置，切削刀翼41属于切削件，在泥浆压的
推动下，能够到达其工作行程的止点，即离心侧止点，无所谓浮动的问题。
具体地，扩眼刀4设置在转子1的头端，如图2所示的右端，参见附
图5，扩眼刀4具有多个径向设置并与所述泥浆孔5连通的导孔46，导孔
46与导孔36的设置方式有所差异，但从泥浆压的应用上是相同的，即通
过泥浆压将切削刀翼41推出，让扩眼刀4处于张开状态。
所依据的原理也是相同的，都是采用活塞结构，例如图5中所示的活
塞45，活塞45与导孔46形成活塞结构。
在开钻状态，泥浆泵工作，随着切削的开始，切削刀翼41在泥浆压推
动活塞45的条件下，扩张到位(到达离心止点)，进行扩眼作业。
此时，井眼被扩大与切削刀翼41相适应的程度，如果扶正器3是固定
设置的，其支撑会受到比较大的限制，而在图3所示的结构中，泥浆压会
推动活塞35将扶正块31外推(离心侧)，使扶正器3可靠的支撑在井壁上。
在扶正块31的极限行程内，其扩张随着井眼的大小而变化，因而具有
良好的适应性，或者说具有在不同井眼中的定向功能。
由于如图1-5所示的结构巧妙的使用了泥浆压，而不必设置专门的液
压扩张设备，设计制造相对比较容易。
退刀时，停钻，泥浆泵也不再工作，扶正器3上的扶正块31受外部压
力的作用复位或者被强制复位，扩眼刀4上的切削刀翼41也受外部压力的
作用复位或者被强制复位，不仅容易从井眼中退出，而且切削刀翼41退回，
不容易损伤井眼。
由于泥浆压比较高，因此，扩眼刀4可以保持稳定的扩张姿态。同时，
从加工难易程度上看，切削刀翼41的扩张结构采用与扶正块31的扩张结
构完全相同的结构也是可取的。即液压通道32与液压通道42都直接采用
径向孔。
在一些优选的实施例中，尽管加工难度增加，但可以获得更加稳定的
扩眼刀4的扩张姿态。在图2所示的结构中，液压通道42不是采用简单的
径向孔，而是将其进口向后侧偏置，出口则与导孔46同轴线。参见说明书
附图2，图中可见扩眼刀4的头端孔径比较大，该处为变径的接头部分，
泥浆压相对较小，且由于变径部分泥浆压不稳，或者说波动性比较大，会
影响切削刀翼41的工作稳定性。因此，采用将液压通道42向后偏置，有
利于保证切削刀翼41的工作稳定性。
具体地，用于连通泥浆孔5与导孔46的液压通道42包括与第二导孔
同轴线的第一部分和与第一部分平行并设置在扩眼刀4后侧而与泥浆孔5
连通的第三部分，以及在转子1轴向连通第一部分与第三部分的第二部分，
液压通道42的具体形态所采用的三个部分均是直孔，利于加工，且能有效
的将液压通道42的进口后置，使泥浆压的稳定性比较好，从而使切削刀翼
41外扩状态的稳定性比较好。
经过现场测试，第二部分的长度与泥浆孔5直径的长径比为12:1左右
时，所扩出的井眼表面质量较好，可用地，第二部分的长度与泥浆孔5直
径的长径比为10:1～16:1，仍是可用选择，显然，长径比相对较小时，加工
难度较小，长径比较大时，扩眼刀4的稳定性会更好，但液压通道42的进
口选择灵活性在此条件下会比较差。
此外，由于扩眼刀4直接安装在转子1上，因而不需要考虑扶正器3
上液压通道42回转条件下连通的问题，因而其加工难度相对较小。
如前文所述，在一些实施例中，扶正块31、切削刀翼41可以依靠外
部压力进行复位，即向相应导孔36、导孔46的向心侧移动，为了更有利
于退刀，所述扶正块31两端以及切削刀翼41的两端均设有倒角，该种结
构有利于扶正块31和切削刀翼41的回位，并且也有利于扩眼螺杆从井眼
中的退出。
进一步地，为了保证回位的精确性和快速性，采用强制复位结构。
在一些实施例，可以参照液压缸的常规设置，将活塞35和活塞45的
复位结构设置在相应的导孔内，即在导孔36内设有用于扶正块31复位的
复位装置，在导孔46设有用于切削刀翼41复位的复位装置。该种结构参
照单作用液压缸的复位方式，在此不再赘述。
在另一些实施例中，采用有别于单作用液压缸的外部结构复位方式，
具体地参见说明书附图3～5，相适应的复位结构为：
所述导孔36和导孔46均为圆孔，相应地，活塞35和活塞45均为圆
形活塞，为了提高运行的稳定性，活塞35和活塞45均采用柱塞结构。
如图1所示，扶正块31为沿转子1轴向设置的条形块，相应地，在外
壳2上设有对扶正块31导向的第一条形导孔，从而扶正块31由于与活塞
35装配在一起，第一条形导孔和导孔36的配合形成双导向结构，使得扶
正块31的装配可靠性更好。
同时，用于扶正块31复位的复位装置设置在第一条形导孔内，据此可
以降低复位装置设置的难度，即不必将其设置在较深的导孔36内。
相应地，切削刀翼41为沿转子1轴向设置的条形切削刀翼，相应地，
在转子1上设有对切削刀翼41导向的第二条形导孔，基于同样的考虑，双
导引结构有利于使切削刀翼41的装配可靠性更好。
而且用于切削刀翼41复位的复位装置设置在第二条形导孔内，据此可
以降低复位装置设置的难度。
在优选的实施例中，例如扶正块31复位装置的设置，参见附图3和附
图4，图中扶正块31为T型结构，通过装配体38在扶正器3本体上形成
T型槽，扶正块被设置在T型槽内，扶正块31在外壳2轴向的两端会被约
束，形成向外伸出的最大量，即T型槽的槽口形成相适应的约束，槽口处
相应于T型结构的扶正块31的两边各设有一个弹簧37，且相应的两个弹
簧37关于导孔36的轴线轴对称设置，所形成的轴对称结构具有良好的复
位功能。
装配体38为条片状体，通过螺钉紧固在扶正器3上。
进一步地，切削刀翼41的一种强制复位结构可见于图5，图中也采用
类同于扶正块31另一实施例中的所述复位结构，即采用轴对称分布的两个
弹簧47用于切削刀翼41的复位。
由于切削刀翼需要更好的稳定性，为其所配的活塞45的截面可以相对
较大，相应地，为其配置的弹簧47可以每侧两个。
关于所述扶正块31优选为4个，如图1所示，成正四边形分布，在一
些实施例中，具有三个扶正块31也能够起到较好的支撑作用，但不能少于
三个。
在一些实施例中，扶正块31最多使用6个，太多时不仅支撑效果没有
明显的提高，而且加工难度和成本也比较大，也会对壳体产生较大的强度
消弱。
同理，切削刀翼41一般选择为3～5个，在一些实施例中还可以选择
为两个，最多不能超过5个。
为了提高可维护性，所述扶正块31包括具有镶嵌槽的块体，在镶嵌槽
内镶嵌有镶块34而形成扶正块的支撑结构，可以理解的是，扶正块31容
易失效的部分是其离心端结构，需要支撑，并与支撑面产生摩擦，如果整
体更换会增加比较大的成本，如果仅仅是更换其中的易损部分，具体是支
撑部分，则会大大的降低使用成本。采用镶嵌结构，可以有利于快速更换，
提高可维护性。
相应地，切削刀翼41的切削刃44也采用可替换结构，从而不必整体
更换切削刀翼41，节约整体的使用成本。
在图2所示的结构中，所述转子1与定子2间通过轴承8装配，如图
2所示，图中轴承8为宽体轴承，以提高回转支撑的稳定性。
进一步地，轴承8在转子1轴向的位置位于导孔36的后侧，以利于导
孔36的设置，或者说导孔36不能形成对轴承8的干涉。