CN103696696A - 防卡滑pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防卡滑PDC钻头，应用于钻井领域。主要由钻铤接头、异型钻头、封盖、冲击锤、换向器组成，与常规钻头一样安装在钻柱下面。本发明将流体驱动扭转冲击发生器与PDC钻头一体化设计，二者之间无中间环节，是一种有扭转冲击破岩能量的PDC钻头。利用钻井液驱动冲击锤对钻头产生一定频率的扭转冲击，在PDC钻头剪切破岩的基础上增加了扭转冲击破岩的方式，克服PDC钻头卡滑现象的同时，减少钻柱扭转震荡，获得更高的机械钻速；能够大幅降低钻井成本，适合PDC钻进但机械钻速低的难钻地层，且本发明的防卡滑PDC钻头长度短，结构紧凑，传递效率高。

Description

防卡滑PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种钻井领域的钻头，尤其是一种防卡滑PDC钻头。

背景技术

PDC钻头破碎岩石的方式主要是剪切作用，当钻遇难钻地层时，PDC钻头齿吃入地层多而且扭矩不足时，钻头会随时停转，直至积聚足够的扭矩来剪切岩层。由于扭矩能量贮存在扭曲的钻柱中，一旦释放，钻柱会象松开的发条一样产生严重的扭转震荡，这种现象就称之为“卡滑”或者憋钻。PDC钻头普遍存在的卡滑问题正是难钻地层机械钻速低、钻井效率低的主要原因之一。

目前钻井作业中使用的旋冲工具能够产生轴向冲击力，可与牙轮钻头配合使用（与牙轮钻头破岩原理相符）；不适合PDC钻头的剪切破岩原理，容易使钻头齿损坏。美国专利扭转冲击发生器（专利号：US 7096980 B2）、西南石油大学的专利扭转冲击钻井工具（专利申请号：200910058083.9）和胜利石油管理局钻井工艺研究院申请的专利扭转冲击钻井工具（专利申请号：201010511421.2），都可以产生扭转冲击力，有利于消除或改善PDC钻头的卡滑现象 。但三个专利采用的技术不同，美国的扭转冲击发生器采用钻井液驱动涡轮，涡轮旋转驱动冲击锤，产生连续扭转冲击，西南石油大学的扭转冲击钻井工具采用钻井液驱动螺杆，螺杆旋转驱动冲击锤，产生连续扭转冲击，胜利石油管理局钻井工艺研究院的扭转冲击钻井工具采用钻井液直接驱动冲击锤产生扭转冲击。虽然钻井液直接驱动冲击锤相对于涡轮和螺杆驱动效率有所提高，但这三个专利都存在一个共同特点，扭转冲击发生工具与PDC钻头螺纹连接，即冲击锤与钻头之间存在中间环节，冲击扭矩在传递过程中损失大，尺寸长，效率低。

发明内容

本发明的目的为了克服现有技术的不足，最大限度地解决PDC钻头的卡滑问题，提出一种防卡滑PDC钻头。

本发明要解决的技术问题在于解决PDC钻头的卡滑问题。为了解决以上技术问题，本发明公布了在旋转钻井体系工况下的一种防卡滑PDC钻头。本发明内部封装可周向往复运动的冲击锤。钻井时，本发明利用部分钻井液流体能量驱动内部冲击锤产生一定频率的扭转冲击，钻头在接收旋转动力驱动（转盘、顶驱和井下动力钻具等）的同时，承受扭转冲击能量，增加了钻头的破岩能力，同时消除PDC卡滑现象，并且本发明中将扭转冲击发生器与钻头一体化设计，内部冲击锤直接作用在钻头上，无中间环节，结构紧凑、效率高。为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种防卡滑PDC钻头，主要由异型钻头、封盖、冲击锤、换向器组成，封盖、冲击锤、换向器在异型钻头内。异型钻头呈中空的圆柱形，下端有一体设计的PDC钻头。所述异型钻头的中空腔通过下部内凸沿分设上型腔和下型腔，上型腔内壁轴向预制有低压腔槽、高压腔槽和转换腔槽，低压腔槽下端联通下型腔；冲击锤套在异型钻头上形腔内，冲击锤管壁向外突出有外锤和向内突出有内锤，其外锤与异型钻头的转换腔槽限位转动配合，沿外锤的两个外凸沿分别径向预制有外流道，沿内锤的内凸沿分别预制有内流道，内外流道将冲击锤内外贯通；换向器套在冲击锤内，换向器外壁轴向设置有两条平行隔离条和一条宽幅隔离条，宽幅隔离条内设贯通换向器内外的通道，两条平行隔离条与内锤内凸沿形成限位转动配合，宽幅隔离条与两侧的平行隔离条之间的凹槽形成泄流区；封盖位于冲击锤和换向器的上端面，封盖呈圆板状，设有封盖中心孔和封盖通孔，封盖通孔与异型钻头内壁的高压腔槽贯通。

上述方案还包括：所述冲击锤、换向器与异型钻头下部内凸沿的结合部还设有底板，底板上开设有中心孔和底板通孔；所述中心孔连通上型腔和下型腔，底板通孔连通下型腔和泄流区。  

所述换向器内腔或底板的中心孔还设有喷嘴。

所述PDC钻头由本体、圆周分布的刀翼、钻头喷嘴和钻头齿组成。

所述刀翼数量大于等于3个，所述钻头喷嘴数量大于等于3个。

异型钻头的转换腔槽为半圆形，与之配合的外锤凸沿长度为四分之一园，内锤与外锤轴心对称，内锤的内凸沿长度为八分之一园，设置在异型钻头的低压腔槽与转换腔槽对称分布，高压腔槽对称分布在低压腔槽的两侧。

本发明的防卡滑PDC钻头与常规钻头一样安装在钻柱下面。异型钻头上端有接口螺纹，与内有泥浆流道的钻铤接头联接。异型钻头与下端的PDC钻头为一体加工成型，也可以通过焊接成型。流经防卡滑PDC钻头的钻井液通过换向器、高压腔和低压腔后推动冲击锤在四种极限位置之间旋转并在达到极限位置后冲击换向，而且所有钻井液最后通过钻头喷嘴。冲击能量通过异型钻头的本体最终由钻头齿传递给岩石，在钻头旋转刮削地层的同时，通过反复高频率的敲击岩石，消除或者减少PDC钻头在钻进时容易出现卡滑现象。除改变换向器和冲击锤的结构尺寸外，冲击频率通过改变钻井液的压力和排量来调整，产生的冲击力受外锤的形状和质量影响。

本发明的有益效果是：本发明的防卡滑PDC钻头利用钻井液驱动产生一定频率冲击扭矩，在剪切破岩的基础上增加了扭转冲击破岩的方式，提高了破岩能量传递效率，在增强钻头破岩能力的同时，消除PDC钻头的卡滑现象，能够提高机械钻速，降低钻井成本。而且相比胜利石油管理局钻井工艺研究院的扭转冲击钻井工具（专利申请号：201010511421.2），本发明的防卡滑PDC钻头机构更加精简，将扭转冲击发生器与钻头一体化设计，减少中间环节，长度短，结构紧凑，效率高。

附图说明

图1为防卡滑PDC钻头剖面示意图；

图2a为图1中的A-A冲击锤工作第一个极限位置截面图；

图2b为图1中的A-A冲击锤工作第二个极限位置截面图；

图2c为图1中的A-A冲击锤工作第三个极限位置截面图；

图2d为图1中的A-A冲击锤工作第四个极限位置截面图；

图3为本发明的PDC钻头仰视图；

图4为本发明的换向器的立体等轴测视图。

图中标记：1-钻铤接头；2-异型钻头；3-封盖；4-冲击锤；5-换向器；6-底板；7-喷嘴；101-泥浆流道；201-上型腔；201a-低压腔（槽）；201b-高压腔（槽）；201c-转换腔（槽）；202-下型腔；203-上部螺纹；204-PDC钻头；204a-本体；204b-刀翼；204c-钻头喷嘴；204d-钻头齿；301-封盖中心孔；302-封盖通孔；401-外锤；402-内锤；403、404 -外锤的外流道；405、406-内锤的内流道；501-通道；502-小转换腔；503-泄流区；504-平行隔离条；505-宽幅隔离条；601-底板通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

参照附图1，防卡滑PDC钻头主要由异型钻头2、封盖3、冲击锤4、换向器5、底板6、喷嘴7组成，异型钻头2呈圆柱形，异型钻头2与下端的PDC钻头204为一体加工成型。异型钻头2通过上部螺纹203与内有泥浆流道101的钻铤接头1联接。

参照附图1、2a、2b、2c和2d，异型钻头2内有上型腔201和下型腔202，上型腔201由封盖3、冲击锤4、换向器5等分隔成低压腔201a、高压腔201b和转换腔201c，低压腔201a下端联通下型腔202，高压腔201b联通泥浆流道101，低压腔201a和高压腔201b为异型钻头2内壁上的开槽。封盖3在冲击锤4和换向器5在上方，封盖3呈圆板状，设有封盖中心孔301和封盖通孔302，封盖通孔302连通泥浆流道101和高压腔201b。冲击锤4和换向器5呈中空筒形，且冲击锤4套装在换向器5外面，冲击锤4和换向器5可转动。冲击锤4设有外锤401和内锤402，外锤401两侧径向上设有外流道403、404，内锤402两侧径向上设有内流道405、406。参照附图4，换向器5径向上开有通道501，换向器5外壁上设有隔离条504、505，两条隔离条504轴向分布，隔离条505位于通道501外缘，隔离条504、505与封盖3、异型钻头2内部的台阶形成小转换腔502和泄流区503。外锤401径向外凸并封闭在转换腔201c中，内锤402径向内凸出并封闭在小转换腔502内。

冲击锤4、换向器5与异型钻头2内部的台阶之间设有底板6，底板6上开设有中心孔和底板通孔601，喷嘴7安装在底板6中心孔上。中心孔连通上型腔201和下型腔202，底板通孔601连通下型腔202和泄流区503。

参照附图3，PDC钻头204由本体204a、圆周分布的刀翼204b、钻头喷嘴204c和钻头齿204d组成。刀翼204b数量为5个，钻头喷嘴204c数量为6个。

工作时，来自钻柱泥浆流道101的钻井液的流动在防卡滑钻头内为三个部分：第一部分，参照附图1，钻井液经换向器5内孔流入异型钻头2的下行腔202，经钻头喷嘴204c喷出；第二部分，参照附图2a，钻井液由封盖3上的封盖通孔302经高压腔201b，由内流道406进小转换腔502，推动换向器5逆时针转动，并由图2a转至图2b的极限位置，同时小转换腔502中位于内锤402另一侧的钻井液由内流道405进入到低压腔201a，经下型腔202，汇集到钻头喷嘴204c；第三部分，参照附图2b，钻井液由换向器5内孔经通道501进入外流道403，并推动外锤401顺时针转动，冲击锤4在转换腔201c中转动至附图2c的极限位置，转换腔201c内的流体经由404进入泄流区503，再经底板6上的底板通孔601进入到下型腔202，汇集到钻头喷嘴204c。

在第三部分中，内锤402同时带动换向器5顺时针转动至附图2c的极限位置，此时高压腔201b与内流道405连通，钻井液又可以开始第二部分的流动，即由封盖3上的封盖通孔302经高压腔201b，由内流道405进小转换腔502，推动换向器5顺时针转动至附图2d所示的极限位置，参照附图2d，此时钻井液由换向器5内孔经通道501进入外流道404，并推动外锤401逆时针时针转动，内锤402同时带动换向器5逆时针，冲击锤4恶和换向器5一同恢复至附图2a的极限位置。如此完成冲击锤4的一个往复冲击循环，并且只要保持钻井液的流速和压力，冲击锤4将以一定频率周而复始的冲击异型钻头2，并将高频冲击通过本体204a传递给一体加工成型的PDC钻头齿204d。

工作时，本发明的防卡滑PDC钻头与常规钻头一样安装在钻柱下面。流经防卡滑PDC钻头的钻井液推动冲击锤在四种极限位置之间旋转并在达到极限位置后冲击换向。这样，转盘旋转动力***驱动防卡滑PDC钻头转动的同时，钻头也承受内部钻井液驱动冲击锤4而产生的一定频率的扭转冲击能量，钻头在旋转刮削岩石的同时，还在反复敲击岩石，消除或者减少PDC钻头在钻进时容易出现卡滑现象。

以上仅是实现本发明的一种方法，基于此发明原理的其它实现形式在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种防卡滑PDC钻头，主要由异型钻头（2）、封盖（3）、冲击锤（4）、换向器（5）组成，异型钻头（2）呈中空的圆柱形，下端是一体设计的PDC钻头（204），封盖（3）、冲击锤（4）、换向器（5）在异型钻头（2）内，其特征在于：所述异型钻头（2）的中空腔通过下部内凸沿分设上型腔（201）和下型腔（202），上型腔（201）内壁轴向预制有低压腔槽（201a）、高压腔槽（201b）和转换腔槽（201c），低压腔槽（201a）下端联通下型腔（202）；冲击锤（4）套在异型钻头（2）上形腔（201）内，冲击锤（4）管壁向外突出有外锤（401）和向内突出有内锤（402），其外锤（401）与异型钻头（2）的转换腔槽（201c）限位转动配合，沿外锤（401）的两个外凸沿分别径向预制有外流道（403和404），沿内锤（402）的内凸沿分别预制有内流道（405和406），内外流道将冲击锤（4）内外贯通；换向器（5）套在冲击锤（4）内，换向器（5）外壁轴向设置有两条平行隔离条（504）和一条宽幅隔离条（505），宽幅隔离条（505）内设贯通换向器内外的通道（501），两条平行隔离条（504）与内锤（402）内凸沿形成限位转动配合，宽幅隔离条（505）与两侧的平行隔离条（504）之间的凹槽形成泄流区（503）；封盖（3）位于冲击锤（4）和换向器（5）的上端面，封盖（3）呈圆板状，设有封盖中心孔（301）和封盖通孔（302），封盖通孔（302）与异型钻头（2）内壁的高压腔槽（201b）贯通。

2.根据权利要求1所述的防卡滑PDC钻头，其特征在于：所述冲击锤（4）、换向器（5）与异型钻头（2）下部内凸沿的结合部还设有底板（6），底板（6）上开设有中心孔和底板通孔（601）；所述中心孔连通上型腔（201）和下型腔（202），底板通孔（601）连通下型腔（202）和泄流区（503）。

3.根据权利要求1所述的防卡滑PDC钻头，其特征在于：所述换向器（5）内腔还设有喷嘴（7）。

4.根据权利要求2所述的防卡滑PDC钻头，其特征在于：所述底板（6）的中心孔上还设有喷嘴（7）。

5.根据权利要求1或2、3、4所述的防卡滑PDC钻头，其特征在于：所述PDC钻头（204）由本体（204a）、圆周分布的刀翼（204b）、钻头喷嘴（204c）和钻头齿（204d）组成。

6.  根据权利要求5所述的防卡滑PDC钻头，其特征在于：所述刀翼（204b）数量大于等于3个，所述钻头喷嘴（204c）数量大于等于3个。

7.根据权利要求5所述的防卡滑PDC钻头，其特征在于：异型钻头（2）的转换腔槽（201c）为半圆形，与之配合的外锤（401）凸沿长度为四分之一园，内锤（402）与外锤（401）轴心对称，内锤（402）的内凸沿长度为八分之一园，设置在异型钻头（2）的低压腔槽（201a）与转换腔槽（201c）对称分布，高压腔槽（201b）对称分布在低压腔槽（201a）的两侧。

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