CN108487863A - 具有扭转冲击功能的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有扭转冲击功能的钻头，其主要由钻头本体、钻头本体接头、牙轮、振动发生器组成。钻头本体通过其偏置的牙掌轴颈与牙轮相连接，振动发生器安装在钻头本体内，钻头本体接头与钻头本体通过螺纹连接；在运行时，牙轮既随钻头体公转，又绕着钻头本体的牙掌轴颈自转，钻头以旋切方式破碎岩石的同时，牙轮的自转运动为振动发生器提供驱动力，振动发生器产生周期性的微幅扭转冲击，有助于降低钻头的粘滑现象。

Description

具有扭转冲击功能的钻头

技术领域

本发明涉及一种用于石油、天然气钻井以及其他地质钻探的具有扭转冲击功能的钻头。

背景技术

随着经济不断发展，油气需求量越来越大，而我国浅层油气资源则口益枯竭，油气开发技术不断进步，油气井的深度增大，深井、超深井的数目增多。使钻井工程面临的地层工作环境更加复杂，钻井深度不断增加，岩石在底层围压作用下硬度和强度都会有明显增加，导致钻头破岩效率不高。钻头在钻进深井地层时，普遍存在钻进速度很慢、钻井花费的成本高，而钻井速度的提高关键在于如何提高钻头的破岩效率。根据现场实验实践研究数据表明，在旋转钻进的同时对钻头施加周期性冲击载荷，有利于提高钻头的破岩效率，提高钻进的速度。

在石油钻井中，钻头是破碎岩石的主要工具，钻头在钻硬或研磨性地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层，从而使钻头瞬间停止转动。扭转能量储存在钻柱中，一旦产生了剪切破碎地层所需的扭矩，钻柱能量便会释放，作用在钻头的冲击载荷将比平常高得多，最终导致钻头失效。在钻井过程中，通常配合使用钻井工具，提供额外的扭转振动，辅助钻头破岩。国内外各大研究机构研制了各种各样的扭转冲击钻井工具，为钻头提供扭转冲击，从而降低钻头的粘滑现象。在目前生产使用的钻头中，钻头自身不能产生扭转振动，为了降低钻头的粘滑现象，仅靠扭转冲击钻井工具提供额外的扭转冲击，如果扭转冲击钻井工具发生故障，将无法为钻头提供额外的扭矩，这将会影响钻井效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供的一种有助于提速增效，提高破岩效率的具有扭转冲击功能的钻头。

本发明的技术方案是：具有扭转冲击功能的钻头主要由钻头本体、钻头本体接头、牙轮、振动发生器组成；其特征是：所述的钻头本体设置有导油孔a、注油孔、泥浆通道a、泥浆通道b、螺纹孔，钻头本体顶部镶装有牙齿，钻头本体中部镶装有保径齿和PDC齿，喷嘴a、喷嘴b分别安装在泥浆通道a、泥浆通道b出口；所述的牙轮设置有塞销孔，牙轮镶装有牙齿；所述的振动发生器包括推力球轴承a、冲击锤、推力球轴承b、振动发生器上壳体、轴承安装套、滑动冲击套、销钉、推力球轴承c、调心球轴承、振动发生器下壳体、运载套、锥齿轮b、钢球b、塞子、顶套、钢球c，冲击锤设置有导油孔d、导油孔e，振动发生器上壳体的大端设置有沉头孔和环形槽，运载套设置有导油孔b、导油孔c，顶套设置有开孔，安装振动发生器时，将调心球轴承、运载套依次从振动发生器下壳体上端装入，将推力球轴承c、滑动冲击套依次从运载套上端装入，滑动冲击套和运载套靠销钉固定，将轴承安装套从振动发生器下壳体上端装入，将推力球轴承a装入轴承安装套，将推力球轴承b、冲击锤依次装入振动发生器上壳体后，振动发生器上壳体与振动发生器下壳体通过螺纹连接，将钢球c、锥齿轮b依次装入顶套，将钢球b装入顶套的开孔，用塞子堵住顶套的开孔，最后将锥齿轮b与运载套通过螺纹连接；组装具有扭转冲击功能的钻头时，先将O型密封圈装入振动发生器上壳体的环形槽内，将振动发生器装入钻头本体，振动发生器上壳体与钻头本体采用型面连接，以实现振动发生器的周向定位，用螺钉将振动发生器上壳体与钻头本体固定，以实现振动发生器的周向和轴向定位，钻头本体接头与钻头本体通过螺纹连接，再将锥齿轮a、卡套依次装入牙轮的下端轴颈，锥齿轮a与牙轮的下端轴颈采用型面连接，实现锥齿轮a的周向定位，卡套与牙轮的下端轴颈固定，实现锥齿轮a的轴向定位，然后将矩形密封圈安装在牙轮底端内圈，将牙轮套入钻头本体的牙掌轴颈，将钢球a放入塞销孔内，将塞销安装在塞销孔内；组装完成后，通过注油孔添加润滑油，并用丝堵封闭注油孔。

上述方案中的塞销与塞销孔采用过盈配合，导油孔a、导油孔b、导油孔c、导油孔d、导油孔e与钻头本体的牙掌轴颈沟道构成导油通道，形成良好的润滑环境。

上述方案中的牙齿为硬质合金齿；钻头本体的牙掌轴颈经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好。

上述方案中的矩形密封圈为金属密封圈，并且密封圈表面经过强化处理，其耐磨性好。

本发明的有益效果是：（1）具有扭转冲击功能的钻头利用牙轮的自转运动，为振动发生器提供驱动力，振动发生器将产生周期性的微幅扭转冲击，有助于降低钻头的粘滑现象；（2）钻头以旋切方式破岩，切削齿破岩行为兼有冲击与切削的综合作用，有助于提高钻头心部破岩效率；（3）钻头本体的牙掌轴颈经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好，导油通道可以提供良好的润滑环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的侧视图。

图4是本发明图2的A-A截面图。

图5是本发明图3的B-B截面图。

图6是本发明图3的C-C截面图。

图7是本发明图4的Ⅰ部分放大图。

图8是本发明中牙轮的结构示意图。

图9是本发明中导油通道的示意图。

图10是本发明中钻头本体的结构示意图。

图11是本发明中泥浆通道a、泥浆通道b、注油孔的分布示意图。

图12是本发明中钻头本体的侧视图。

图13是本发明图12的E-E截面图。

图14是本发明图12的F-F截面图。

图中1.喷嘴a，2.保径齿，3.钻头本体接头，4.钻头本体，5.喷嘴b，6.PDC齿，7.牙齿，8.牙轮，9.塞销，10.钢球a，11.矩形密封圈，12.推力球轴承a，13.冲击锤，14.推力球轴承b，15.振动发生器上壳体，16.O型密封圈，17.螺钉，18.轴承安装套，19.滑动冲击套，20.销钉，21.推力球轴承c，22.调心球轴承，23.振动发生器下壳体，24.运载套，25.卡套，26.锥齿轮a，27.锥齿轮b，28.钢球b，29.塞子，30.顶套，31.钢球c，32.塞销孔，33.牙轮下体底端内圈，34.导油孔a，35.导油孔b，36.导油孔c，37.导油孔d，38.导油孔e，39.注油孔，40.泥浆通道a，41.泥浆通道b，42.螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见附图，具有扭转冲击功能的钻头其特征在于：具有扭转冲击功能的钻头主要由钻头本体4、钻头本体接头3、牙轮8、振动发生器组成；其特征是：所述的钻头本体4设置有导油孔a34、注油孔39、泥浆通道a40、泥浆通道b41、螺纹孔42，钻头本体4顶部镶装有牙齿7，钻头本体4中部镶装有保径齿2和PDC齿6，喷嘴a1、喷嘴b5分别安装在泥浆通道a40、泥浆通道b41出口；所述的牙轮8设置有塞销孔32，牙轮8镶装有牙齿7；所述的振动发生器包括推力球轴承a12、冲击锤13、推力球轴承b14、振动发生器上壳体15、轴承安装套18、滑动冲击套19、销钉20、推力球轴承c21、调心球轴承22、振动发生器下壳体23、运载套24、锥齿轮b27、钢球b28、塞子29、顶套30、钢球c31，冲击锤13设置有导油孔d37、导油孔e38，振动发生器上壳体15的大端设置有沉头孔和环形槽，运载套24设置有导油孔b35、导油孔c36，顶套30设置有开孔，安装振动发生器时，将调心球轴承22、运载套24依次从振动发生器下壳体23上端装入，将推力球轴承c21、滑动冲击套19依次从运载套24上端装入，滑动冲击套19和运载套24靠销钉20固定，将轴承安装套18从振动发生器下壳体23上端装入，将推力球轴承a12装入轴承安装套18，将推力球轴承b14、冲击锤13依次装入振动发生器上壳体15后，振动发生器上壳体15与振动发生器下壳体2通过螺纹连接，将钢球c31、锥齿轮b27依次装入顶套30，将钢球b28装入顶套30的开孔，用塞子29堵住顶套30的开孔，最后将锥齿轮b27与运载套24通过螺纹连接；组装具有扭转冲击功能的钻头时，先将O型密封圈16装入振动发生器上壳体15的环形槽内，将振动发生器装入钻头本体4，振动发生器上壳体15与钻头本体4采用型面连接，以实现振动发生器的周向定位，用螺钉17将振动发生器上壳体15与钻头本体4固定，以实现振动发生器的周向和轴向定位，钻头本体接头3与钻头本体4通过螺纹连接，再将锥齿轮a26、卡套25依次装入牙轮8的下端轴颈，锥齿轮a26与牙轮8的下端轴颈采用型面连接，实现锥齿轮a26的周向定位，卡套25与牙轮8的下端轴颈固定，实现锥齿轮a26的轴向定位，然后将矩形密封圈11安装在牙轮底端内圈33，将牙轮8套入钻头本体4的牙掌轴颈，将钢球a10放入塞销孔32内，将塞销9安装在塞销孔32内；组装完成后，通过注油孔39添加润滑油，并用丝堵封闭注油孔39。

上述方案中的塞销9与塞销孔32采用过盈配合，导油孔a34、导油孔b35、导油孔c36、导油孔d37、导油孔e38与钻头本体4的牙掌轴颈沟道构成导油通道，形成良好的润滑环境。

上述方案中的牙齿7为硬质合金齿；钻头本体4的牙掌轴颈经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好。

上述方案中的矩形密封圈11为金属密封圈，并且密封圈表面经过强化处理，其耐磨性好。

所述的具有扭转冲击功能的钻头的钻头本体4通过其偏置的牙掌轴颈与牙轮8相连接，振动发生器安装在钻头本体4内，钻头本体接头3与钻头本体4通过螺纹连接；在运行时，牙轮8既随钻头体公转，又绕着钻头本体4的牙掌轴颈自转，钻头以旋切方式破碎岩石的同时，牙轮8的自转运动为振动发生器提供驱动力，驱动运载套24带动滑动冲击套19周期性地撞击冲击锤13，冲击锤13对钻头本体4产生周期性的微幅扭转冲击，有助于降低钻头的粘滑现象。

Claims (4)

1.具有扭转冲击功能的钻头主要由钻头本体（4）、钻头本体接头（3）、牙轮（8）、振动发生器组成；其特征是：所述的钻头本体（4）设置有导油孔a（34）、注油孔（39）、泥浆通道a（40）、泥浆通道b（41）、螺纹孔（42），钻头本体（4）顶部镶装有牙齿（7），钻头本体（4）中部镶装有保径齿（2）和PDC齿（6），喷嘴a（1）、喷嘴b（5）分别安装在泥浆通道a（40）、泥浆通道b（41）出口；所述的牙轮（8）设置有塞销孔（32），牙轮（8）镶装有牙齿（7）；所述的振动发生器包括推力球轴承a（12）、冲击锤（13）、推力球轴承b（14）、振动发生器上壳体（15）、轴承安装套（18）、滑动冲击套（19）、销钉（20）、推力球轴承c（21）、调心球轴承（22）、振动发生器下壳体（23）、运载套（24）、锥齿轮b（27）、钢球b（28）、塞子（29）、顶套（30）、钢球c（31），冲击锤（13）设置有导油孔d（37）、导油孔e（38），振动发生器上壳体（15）的大端设置有沉头孔和环形槽，运载套（24）设置有导油孔b（35）、导油孔c（36），顶套（30）设置有开孔，安装振动发生器时，将调心球轴承（22）、运载套（24）依次从振动发生器下壳体（23）上端装入，将推力球轴承c（21）、滑动冲击套（19）依次从运载套（24）上端装入，滑动冲击套（19）和运载套（24）靠销钉（20）固定，将轴承安装套（18）从振动发生器下壳体（23）上端装入，将推力球轴承a（12）装入轴承安装套（18），将推力球轴承b（14）、冲击锤（13）依次装入振动发生器上壳体（15）后，振动发生器上壳体（15）与振动发生器下壳体（23）通过螺纹连接，将钢球c（31）、锥齿轮b（27）依次装入顶套（30），将钢球b（28）装入顶套（30）的开孔，用塞子（29）堵住顶套（30）的开孔，最后将锥齿轮b（27）与运载套（24）通过螺纹连接；组装具有扭转冲击功能的钻头时，先将O型密封圈（16）装入振动发生器上壳体（15）的环形槽内，将振动发生器装入钻头本体（4），振动发生器上壳体（15）与钻头本体（4）采用型面连接，以实现振动发生器的周向定位，用螺钉（17）将振动发生器上壳体（15）与钻头本体（4）固定，以实现振动发生器的周向和轴向定位，钻头本体接头（3）与钻头本体（4）通过螺纹连接，再将锥齿轮a（26）、卡套（25）依次装入牙轮（8）的下端轴颈，锥齿轮a（26）与牙轮（8）的下端轴颈采用型面连接，实现锥齿轮a（26）的周向定位，卡套（25）与牙轮（8）的下端轴颈固定，实现锥齿轮a（26）的轴向定位，然后将矩形密封圈（11）安装在牙轮底端内圈（33），将牙轮（8）套入钻头本体（4）的牙掌轴颈，将钢球a（10）放入塞销孔（32）内，将塞销（9）安装在塞销孔（32）内；组装完成后，通过注油孔（39）添加润滑油，并用丝堵封闭注油孔（39）。

2.根据权利要求1所述的具有扭转冲击功能的钻头，其特征是：塞销（9）与塞销孔（32）采用过盈配合，导油孔a（34）、导油孔b（35）、导油孔c（36）、导油孔d（37）、导油孔e（38）与钻头本体（4）的牙掌轴颈沟道构成导油通道，形成良好的润滑环境。

3.根据权利要求1所述的具有扭转冲击功能的钻头，其特征是：牙齿（7）为硬质合金齿；钻头本体（4）的牙掌轴颈经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好。

4.根据权利要求1所述的具有扭转冲击功能的钻头，其特征是：矩形密封圈（11）为金属密封圈，并且密封圈表面经过强化处理，其耐磨性好。