CN109209239B - 一种高频旋振式碎岩钻具 - Google Patents
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Abstract
一种高频旋振式碎岩钻具，属于钻探、钻井技术领域，由钻头组件、高频传振组件及高频传动器组成，钻头组件包括钻头体及镶嵌在钻头体唇面上的钻头切削齿，高频传振组件包括传振件固定柱、传振机构及外部稳固体，传振件固定柱的两侧对称开有凹槽，两个凹槽的底面设置为斜面；两个凹槽内各设置有一个传振机构，且传振机构在外力作用下沿竖直方向上下***，高频传动器包括传动器定子和传动器转子，传动器转子的底面为环形波浪面，传动器转子的上部与外部电机同轴连接为其提供单向旋转的动力。本发明通过传动器转子的单向旋转，推动传振机构的上下运动，再通过斜面推动钻头体左右小幅度往复运动，带动钻头体镶有PDC复合片的下部实现高频振动。
Description
技术领域
本发明属于钻探、钻井技术领域，涉及一种高效井下动力钻具，特别是涉及一种高频旋振式碎岩钻具。
背景技术
在钻探中，研磨性极弱的坚硬岩石地层钻进十分困难，这种地层叫“打滑”地层，是目前为止仍然没有得到有效解决的世界性难题。这类地层的特点是岩石致密完整,抗压入硬度高,研磨性很弱，一般孕镶金刚石钻头钻进时效极低，钻头唇面与岩石间相互抛光，出现钻头“打滑”现象。随着深部找矿工作的开展,这种极难钻进的地层出现的深度、频率及厚度都在增加,因此，有效解决这一难题显得十分必要。
目前，通常使用孕镶金刚石钻头配合液动轴向冲击、扭矩冲击或液动轴向冲击结合扭矩冲击的方法来解决这一问题的。例如：一种适用于钻进坚硬致密打滑地层的钻头，它主要由金刚石钻头钢***于金刚石钻头钢体前端的金刚石胎体构成，所述金刚石胎体的前端设置有钻齿，在该金刚石胎体内沿其圆周方向嵌置有铁片。该钻头配合一种转阀式液动冲击器、射流式液动冲击器或液动周向扭矩冲击发生器在钻进“打滑”地层时取得了很显著的效果，具有很好的应用效果。
但是，存在以下几点不足：一是低频、大冲击功不利于获取高取心率岩心；二是单方向的冲击使岩石在强大的动压力冲击下破碎，“攻其强”必将导致能量消耗相对较大，根据调研大多数岩石的抗压强度>抗剪强度>抗拉强度；三是一般钻具对井壁的损伤和扰动较大，致使井壁极易失稳；四是地面高压泥浆对钻杆等上部钻具性能要求高，容易发生钻具刺漏事故，且泥浆的压力损耗大。
发明内容
本发明的目的是：为了解决钻探中出现的上述问题和不足，提出了一种高频旋振式碎岩钻具。
为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高频旋振式碎岩钻具，其特征在于，该钻具由钻头组件、高频传振组件及高频传动器组成，钻头组件与高频传振组件之间及高频传振组件与高频传动器之间均通过固定螺钉连接；
所述钻头组件包括钻头体和钻头切削齿，钻头切削齿由PDC复合片构成，钻头切削齿镶嵌在钻头体的唇面上，并于钻头体的唇面呈3600均匀布置；钻头体的底部中央开有水眼，水眼周围连接有用于排出带有岩屑的泥浆水道；
所述高频传振组件包括传振件固定柱、传振机构及外部稳固体，传振件固定柱的下部通过防脱销与外部稳固体相连接，传振件固定柱的两侧对称开有凹槽，两个凹槽的底面设置为斜面；两个凹槽内各设置有一个传振机构，且传振机构在外力作用下沿竖直方向上下***，每个传振机构均由两个传振球及一个传振柱组成，传振柱夹设于两个传振球中间；传振件固定柱数量为三个以上且等间隔呈环形布置，同一传振件固定柱中的一侧位于上部的传振球与传动器转子相切接触时，另一侧位于下部的传振球与凹槽底部斜面相切接触；
所述高频传动器包括传动器定子和传动器转子，传动器转子置于传动器定子内并同轴布置，传动器转子的上部与外部电机同轴连接；外部电机用于驱动传动器转子单向旋转，使得传动器转子沿传动器定子轴旋转，传动器转子的底面为环形波浪面，且波浪面的波纹波长与设置在同一传振件固定柱上的两个传振机构之间的距离匹配，当其中一个传振机构对应环形波浪面的波浪凸起部分时，另一个传振机构对应环形波浪面的波浪凹陷部分。
进一步，所述水道为仿人体肺部气管分布结构，且深度相同。
进一步，所述高频传动器的振动频率为50Hz～1000Hz。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明可以产生高频双向旋振，破碎研磨性极弱的坚硬岩石地层。
2、本发明钻头切削齿产生的振动方式与传统钻具不同，为小幅度高频振动，可以减少钻进过程中对孔壁的扰动。
3、本发明使用双刃PDC复合片代替传统钻头切削齿，双向切削岩石，减少PDC复合片一侧磨损，提高钻头钻具寿命。
4、钻头体底部具有仿人体肺部气管分布结构的水道，使泥浆更容易携带岩屑快速离开孔底，降低钻头对岩屑的重复破碎，也防止岩屑造成堵塞，提高了钻头的钻进效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明实施例中高频旋振式碎岩钻具的结构示意图；
图2是本发明实施例中高频旋振式碎岩钻具中高频传振组件示意图；
图3是本发明实施例中高频旋振式碎岩钻具中钻头体底部结构示意图；
图4是本发明实施例中高频旋振式碎岩钻具中传动器转子的底面仰视图。
图中各标记如下：1-外部稳固体、2-钻头体、3-钻头切削齿、4-传振件固定柱、5-第一上传振球、6-第一下传振球、7-第二上传振球、8-第二下传振球、9-第一传振柱、10-第二传振柱、11-传动器转子、12-传动器定子、13-防脱销、14-上固定螺钉、15-下固定螺钉、16-水眼、17-水道。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。本发明实施例中使用的“第一”及“第二”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1、图2、图3及图4所示，本发明提出了一种高频旋振式碎岩钻具，它由外部稳固体1、钻头体2、钻头切削齿3、传振件固定柱4、第一上传振球5、第一下传振球6、第二上传振球7、第二下传振球8、第一传振柱9、第二传振柱10、传动器转子11、传动器定子12、防脱销13、上固定螺钉14、下固定螺钉15、水眼16及水道17组成；钻头切削齿3由可双面切削岩石的PDC复合片构成，钻头切削齿3镶嵌在钻头体2的唇面上，并于钻头体2的唇面呈3600均匀布置，钻头切削齿3以不同角度均匀的镶嵌于钻头体2底部，以保证在切削时每一钻头切削齿3的磨损情况大致相同，钻头体2通过下固定螺钉15与传振件固定柱4相连，传振件固定柱4通过防脱销13与外部稳固体1连接，外部稳固体1通过上固定螺钉14与传动器定子12连接，传动器定子12内设置有传动器转子11并同轴布置，且传动器转子11的上部与外部电机同轴连接，为传动器转子11提供单向旋转的动力，使传动器转子11可在传动器定子12内以轴旋转；钻头体2上部连接有六个等间隔呈环形布置的传振件固定柱4，每个传振件固定柱4的两侧对称开有凹槽，两个凹槽的底面设置均为斜面；两个凹槽内各设置有一个传振机构，且传振机构在外力作用下沿竖直方向上下***，每个传振机构均由两个传振球及一个传振柱组成，传振柱夹设于两个传振球中间；位于下部的传振球直接与传振件固定柱4相接触，位于上部的传振球与传动器转子11下部相接触，传动器转子11的底面为环形波浪面，且设置在同一个传振件固定柱4两侧的位于上部的传振球刚好一个位于环形波浪面的波浪凸起部分时，另一个位于环形波浪面的波浪凹陷部分。
本发明中所谓的“高频”频率，是由传动器转子转速与传动器转子11底部的环形波浪面波浪数共同决定。以相邻两个波峰之间的波浪面作为一个波浪数，则有高频传动器的振动频率＝传动器转子转速*波浪数，本发明中高频传动器的振动频率可达到50Hz～1000Hz。
下面结合图2及图4详细阐述本发明的工作原理和过程：传动器转子11的底面为环形波浪面，且与传振件固定柱4上表面相接触，同一传振件固定柱4两侧位于上部的传振球工作时不处于同一高度，以图2中正对的传振件固定柱4为例，传振件固定柱4上的两个凹槽分居在传振件固定柱4左右两侧，位于左侧的第一上传振球5由于被位于其上部的传动器转子11的波浪凸起部分顶住，第一下传振球6及第一传振柱9处于较低位置，而位于右侧的第二上传振球7由于处于传动器转子11的波浪凹陷部分，第二下传振球8及第二传振柱10处于较高位置。第一上传振球5推动第一传振柱9带动第一下传振球6，使第一下传振球6顶到传振件固定柱4的左侧凹槽底部斜面上，对该传振件固定柱4产生一个向右的作用力。此时，六个传振件固定柱4均处于这种状态，便使整个钻头体2产生一个逆时针的力带动其小幅向右旋转。随着传动器转子11的单向旋转，第一上传振球5在下一时刻将逐渐进入传动器转子11下部环形波浪面的下一个波浪凹陷内，而第二上传振球7将逐渐被环形波浪面下一个凸起部分顶住，于是第一上传振球5、第一下传振球6及第一传振柱9构成的第一传振机构整体向上运动，第二上传振球7、第二下传振球8及第二传振柱10构成的第二传振机构整体向下运动，顶到传振件固定柱4右侧凹槽底部斜面，对其产生一个向左的力，此时六个传振件固定柱4均处于这种状态，于是整个钻头体2便产生一个顺时针的力带动其小幅向左旋转。传振件固定柱4两侧的第一传振机构和第二传振机构依次被抬起与压落，于是钻头体2便产生了高频小幅旋振。
如图3所示，为钻头体2底部结构示意图。钻头体2底部中心开有水眼16，水眼16周围分布有模仿人体肺部气管分布的水道17，由于人的肺部呼吸时能够迅速吸气膨胀和呼气收缩，阻力很少，所以水道17主要模仿人体肺部气管分布规律，能使钻头体2破碎的岩屑能够以最小流动阻力快速地通过水道17离开孔底，防止岩屑造成堵塞，提高了钻进效率。
Claims (3)
1.一种高频旋振式碎岩钻具，其特征在于，该钻具由钻头组件、高频传振组件及高频传动器组成，钻头组件与高频传振组件之间及高频传振组件与高频传动器之间均通过固定螺钉连接；
所述钻头组件包括钻头体(2)和钻头切削齿(3)，钻头切削齿(3)由PDC复合片构成，钻头切削齿(3)镶嵌在钻头体(2)的唇面上，并于钻头体(2)的唇面呈360°均匀布置；钻头体(2)的底部中央开有水眼(16)，水眼(16)周围连接有用于排出带有岩屑的泥浆水道(17)；
所述高频传振组件包括传振件固定柱(4)、传振机构及外部稳固体(1)，传振件固定柱(4)的下部通过防脱销(13)与外部稳固体(1)相连接，传振件固定柱(4)的两侧对称开有凹槽，两个凹槽的底面设置为斜面；两个凹槽内各设置有一个传振机构，且传振机构在外力作用下沿竖直方向上下***，每个传振机构均由两个传振球及一个传振柱组成，传振柱夹设于两个传振球中间；传振件固定柱(4)数量为三个以上且等间隔呈环形布置，同一传振件固定柱(4)中的一侧位于上部的传振球与传动器转子(11)相切接触时，另一侧位于下部的传振球与凹槽底部斜面相切接触；
所述高频传动器包括传动器定子(12)和传动器转子(11)，传动器转子(11)置于传动器定子(12)内并同轴布置，传动器转子(11)的上部与外部电机同轴连接；外部电机用于驱动传动器转子(11)单向旋转，使得传动器转子(11)沿传动器定子(12)轴旋转，传动器转子(11)的底面为环形波浪面，且波浪面的波纹波长与设置在同一传振件固定柱(4)上的两个传振机构之间的距离匹配，当其中一个传振机构对应环形波浪面的波浪凸起部分时，另一个传振机构对应环形波浪面的波浪凹陷部分。
2.根据权利要求1所述的高频旋振式碎岩钻具，其特征在于，所述水道(17)为仿人体肺部气管分布结构，且深度相同。
3.根据权利要求1或2所述的高频旋振式碎岩钻具，其特征在于，所述高频传动器的振动频率为50Hz～1000Hz。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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