CN109339711B - 仿生自适应均压主动减振pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了仿生自适应均压主动减振PDC钻头，利用仿生技术设计了一种新型主动减振钻头；工作过程中，PDC刀片根据岩层硬度的变化自动上下运动，推动液压活塞杆运动并压缩高压气室中的气体，高压气室中的气体吸收PDC刀片的振动能量并压缩散热，液压缸中的液压油通过阻尼作用吸收PDC刀片的振动能量，并以热的形式传导出去，达到为钻头减振的目的，液压缸之间互相连接，保证PDC刀片的切削力相等，避免再生切削效应的发生，减小了振动发生的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，特别涉及仿生自适应均压主动减振PDC钻头。
背景技术
钻井过程是一种再生切削过程，即钻头每次切削的切削厚度都会影响下一个周期的切削厚度。PDC钻头是钻井工程中常用的一种钻头，由于钻头的刚性很大，且刀齿为固定刀齿，致使再生切削效应增强，钻头受到的不平衡切削力随着再生切削效应的增强而增强，钻头和钻柱***的振动就会成指数型增长，导致钻具受到严重的破坏。
现有技术中对于钻柱减振的方案主要分为被动式钻头消振和钻头刀齿改进减振。对于被动式钻头消振方案，中国专利CN201610063514.0提出了一种将钻头扭转振动通过大螺距螺纹转换为钻头的轴向振动，利用双向碟簧吸收轴向振动并在油缸中消耗振动的方案，该方案一定程度上实现了对钻头振动的抑制。对于钻头刀齿改进减振方案，中国专利CN201510428061.2提出了一种仿生自适应PDC钻头的减振方案，该方案实现了刀齿自适应变换倾角切削的功能，一定程度上降低切削的补平衡力，具有一定的主动减振效果。
对于现有技术中的钻柱***振动抑制装置，普遍存在以下不足：1、被动式钻头消振无法从根本上解决再生切削效应，钻头始终面临振动幅值扩大的问题；2、被动式钻头消振无法调节装置的刚度、阻尼和质量，导致减震效果不佳，甚至导致共振，加剧钻头和钻柱***的振动；3、钻头刀齿改进减振无法消除钻头振动，由钻头振动产生的再生切削效应也会反馈到钻头上，致使钻头和钻柱***的振动加剧；4、钻头刀齿改进减振无法调节钻头刀齿的伸缩力，随着地层岩石硬度的加剧，钻头刀齿始终收拢，无法实现刀齿自适应切削，且切削效率大大降低。
自然界的生物由于长期的进化，拥有优异的身体结构，对环境的适应能力极强。猫爪的肉垫和韧带能很好的分散脚部的冲击力，具有非常好的抗冲击和减振性能，有研究表明，猫从大于10米的高度下落着地并不会使猫的身体受到损伤，猫走在任何不平的道路上都不会有响声，这些均得益于其特殊结构的爪子。钻井过程中，经常伴随着冲击和振动，钻具极易因此破坏，故研究仿生自适应均压主动减振PDC钻头是非常有意义的。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供仿生自适应均压主动减振PDC(人造聚晶金刚石复合片Polycrystalline Diamond Compact)钻头，通过调整液压缸中的液压油成分，可以改变装置的阻尼，通过更换不同大小的高压气室，可以改变装置的刚度，通过跟换不同长度的液压活塞杆，可以调节装置初始压力和伸缩力，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了仿生自适应均压主动减振PDC钻头，技术方案如下：
钻头刀架，其为圆周对称结构，所述钻头刀架四周均匀焊接有刀片安装槽座，所述钻头刀架中部上方安装有钻铤，所述刀片安装槽座内部安装有PDC刀片，所述PDC刀片边缘焊接有金刚石，所述刀片安装槽座上方安装有液压缸，所述液压缸中间安装有液压活塞杆，所述液压活塞杆穿过刀片安装槽座与PDC刀片的上部通过螺纹连接。
通流盘，其为盘型中空结构，所述通流盘设置于液压缸上部，所述通流盘上方安装有高压气室，所述通流盘两侧连接有连接管。
优选的是，所述刀片安装槽座为倾斜对称结构，所述刀片安装槽座中部为U形方槽，所述刀片安装槽座内侧上方开设有小孔，所述小孔与通流孔连通，所述刀片安装槽座上部设有圆柱形凸台，所述圆柱形凸台中央开设有通孔，所述圆柱形凸台上方四周开设有螺纹孔；
优选的是，所述高压气室为球形结构，所述高压气室下部直径与通流盘直径相等；
优选的是，所述PDC刀片厚度与U形方槽宽度相等，所述PDC刀片顶部焊接有连接凸台，所述连接凸台中部开设有螺纹孔；
优选的是，所述通流盘直径与液压缸底部直径相等，所述通流盘两侧开设有通孔，所述通流盘周围均匀开设有螺纹孔；
优选的是，所述连接管两侧均匀开设有螺纹孔，所述连接管的长度与相邻两个通流盘之间的距离相等；
本发明至少包括以下有益效果：
1、切削过程中PDC刀片会根据切削力的变化而上下运动，压缩高压气室内的气体，液压缸之间相互连接，保证每个PDC刀片上的切削力大小一致，避免再生切削效应的发生。
2、切削力过大时，PDC刀片会自动上移，自动减少切削量，具有自我保护的功能。
3、切削力过小时，PDC刀片会自动下移，自动增大切削量，具有提高切削效率的功能。
4、切削过程中，高压气室里的气体会被压缩和膨胀，具有弹簧的功能，液压缸中的液压油具有阻尼的功能，整个装置具有动力吸振器的功能，能够有效减震。
5、高压气室里的气体吸收钻头振动能量，被压缩后能释放热量，整个装置裸露于钻井液中，能够迅速降温，具有极好的吸能抑振的作用。
6、整个装置的PDC刀片、液压缸和高压气室等，都可拆卸，易安装，其中某个零件被破坏时，只需要更换即可，大大降低了生产成本。
7、PDC刀片与钻头刀架通过液压缸和高压气室相连，属于软连接，***的主要振动集中在PDC刀片上，对上部钻铤和钻柱的运动影响很小，整个***的振动非常小。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为仿生原型猫爪结构示意图；
图2为本发明的减振钻头结构图；
图3为本发明的减振钻头轴测图；
图4为本发明的相邻液压部件安装连接示意图；
图5为本发明的高压气室结构示意图；
图6为本发明的钻头刀架结构示意图；
图7为本发明的钻头刀架轴测图；
图8为本发明的钻井液在装置内流动示意图；
图9为本发明的PDC刀片结构层示意图；
图10为本发明的PDC刀片轴测图；
图11为本发明的PDC刀片切削非均匀岩层示意图；
图中：1、钻头刀架；2、通流孔；3、刀片安装槽座；4、钻铤；5、PDC刀片；6、金刚石；7、液压缸；8、液压活塞杆；9、通流盘；10、高压气室；11、连接管；12、U形方槽；13、小孔；14、圆柱形凸台；15、通孔；16、连接凸台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
根据图1-11所示，本发明提供了仿生自适应均压主动减振PDC钻头，技术方案如下：
钻头刀架1，其为圆周对称结构，所述钻头刀架中央开设有通流孔2，所述钻头刀架1四周均匀焊接有刀片安装槽座3，所述钻头刀架1中部上方安装有钻铤4，所述刀片安装槽座3内部安装有PDC刀片5，所述PDC刀片5边缘焊接有金刚石6，所述刀片安装槽座3上方安装有液压缸7，所述液压缸7中间安装有液压活塞杆8，所述液压活塞杆8穿过刀片安装槽座3与PDC刀片5的上部通过螺纹连接。
通流盘9，其为盘型中空结构，所述通流盘9设置于液压缸7上部并与液压缸6相通，所述通流盘9上方安装有高压气室10，相邻通流盘9两侧连接有连接管11。
在上述的方案中，所述刀片安装槽座均匀分布成4部分，所述PDC刀片5可以在刀片安装槽座3内上下滑动，推动液压活塞杆8运动并压缩高压气室10中的气体，高压气室10中的气体吸收PDC刀片5的振动能量并压缩散热，钻井液冲刷高压气室10降温，液压缸7中的液压油具有阻尼作用，也能吸收PDC刀片5的振动能量，并以热的形式传导出去，达到为钻头减振的目的，液压缸7之间互相连接，保证每个液压缸中的压力相等，保证每个PDC刀片5的切削力相等，避免再生切削效应的发生，减小了振动发生的可能性。
一个优选方案中，所述刀片安装槽座3为倾斜对称结构，所述刀片安装槽座3中部为U形方槽12，所述刀片安装槽座3内侧上方开设有小孔13，所述小孔21与通流孔2连通；所述刀片安装槽座3上部设有圆柱形凸台14，所述圆柱形凸台14中央开设有通孔15，所述圆柱形凸台14上方四周开设有螺纹孔。
在上述的方案中，所述刀片安装槽座倾斜可保证刀片倾斜切削岩层，将岩层碎屑向上排出，所述刀片安装槽座3内侧上方的小孔13能够导出通流孔2中的钻井液，清洗PDC刀片5，保证PDC刀片5在刀片安装槽座3内灵活运动。
一个优选方案中，所述高压气室10为球形结构，所述高压气室10下部直径与通流盘9直径相等。
在上述的方案中，所述高压气室10预装一定量的气体，工作过程中，液压缸7中的液压油可以压缩高压气室10中的气体。
一个优选方案中，所述PDC刀片5厚度与U形方槽12宽度相等，所述PDC刀片5顶部焊接有连接凸台16，所述连接凸台16中部开设有螺纹孔。
在上述的方案中，所述PDC刀片5可以在U形方槽12内滑动。
一个优选方案中，所述通流盘9直径与液压缸7底部直径相等，所述通流盘9两侧开设有通孔，所述通流盘9周围均匀开设有螺纹孔。
在上述的方案中，所述通流盘9用于连接高压气室10，当刀片由于切削力过大推动液压活塞杆8向上运动时，液压油涌入高压气室10，形成高压的效果。
一个优选方案中，所述连接管11两侧均匀开设有螺纹孔，所述连接管11的长度与相邻两个通流盘9之间的距离相等。
在上述的方案中，所述连接管11用于连接相邻两个通流盘9，使液压油能在整个装置内流动，使每个液压缸相互连接，保持每个液压缸内部压力相等。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.仿生自适应均压主动减振PDC钻头，其特征在于：包括钻头刀架(1)，其为圆周对称结构，所述钻头刀架中央开设有通流孔(2)，所述钻头刀架(1)四周均匀焊接有刀片安装槽座(3)，所述钻头刀架(1)中部上方安装有钻铤(4)，所述刀片安装槽座(3)内部安装有PDC刀片(5)，所述PDC刀片(5)边缘焊接有金刚石(6)，所述刀片安装槽座(3)上方安装有液压缸(7)，所述液压缸(7)中间安装有液压活塞杆(8)，所述液压活塞杆(8)穿过刀片安装槽座(3)上方并与PDC刀片(5)的上部通过螺纹连接；
通流盘(9)，其为盘型中空结构，所述通流盘(9)设置于液压缸(7)上部，所述通流盘(9)上方安装有高压气室(10)，相邻通流盘(9)间连接有连接管(11)。
2.根据权利要求1所述的仿生自适应均压主动减振PDC钻头，其特征在于：所述刀片安装槽座(3)中部为U形方槽(12)，所述刀片安装槽座(3)内侧上方开设有小孔(13)，所述小孔(13)与通流孔(2)连通，所述刀片安装槽座(3)上部设有圆柱形凸台(14)，所述圆柱形凸台(14)中央开设有通孔(15)，所述圆柱形凸台(14)上方四周开设有螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的仿生自适应均压主动减振PDC钻头，其特征在于：所述高压气室(10)为球形结构。
4.根据权利要求1所述的仿生自适应均压主动减振PDC钻头，其特征在于：所述PDC刀片(5)厚度与U形方槽(12)宽度相等，所述PDC刀片(5)顶部焊接有连接凸台(16)，所述连接凸台(16)中部开设有螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的仿生自适应均压主动减振PDC钻头，其特征在于：所述通流盘(9)直径与液压缸(7)底部直径相等，所述通流盘(9)两侧开设有通孔，所述通流盘(9)周围均匀开设有螺纹孔。
6.根据权利要求1所述的仿生自适应均压主动减振PDC钻头，其特征在于：所述连接管(11)两侧均匀开设有螺纹孔，所述连接管(11)的长度与相邻两个通流盘(9)之间的距离相等。
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