CN109898996A - 具有自激扭振功能的pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有自激扭振功能的PDC钻头，包括钻头接头、上端盖挡板、上端盖、上冲击锤铜套、上换向开关铜套、冲击壳体、冲击锤、换向开关、下换向开关铜套、下冲击锤铜套、中心接头、钻头本体。钻井液从钻头接头进入具有自激扭振功能的PDC钻头内部，从钻头水眼流出，部分钻井液在钻头内部经过分流，驱动换向开关和冲击锤转动，使换向开关周向碰撞冲击锤，冲击锤周向往复碰撞冲击壳体，产生周向往复冲击载荷，通过冲击壳体前端的花键结构，将产生的周向冲击载荷传递给钻头本体。本发明的具有自激扭振功能的PDC钻头可为钻头提供额外的钻井扭矩，加速钻头破岩，有效提高钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气勘探开发的具有自激扭振功能的PDC钻头，尤其是适用于新型油气资源条件下的油气井钻井工程。
背景技术
随着石油工业的快速发展，浅层石油资源日益枯竭，钻井工程不得不进行深井、超深井作业，深部地层的提速已成为降低勘探成本的关键问题。在正常的钻井条件下，当PDC钻头遇到硬质地层时，通常没有足够的扭矩来破碎地层，导使钻柱时常出现粘滑现象。严重的粘滑现象，不仅会损坏钻柱性能从而使钻头过早失效，还会影响井下工具的使用寿命，给钻井工程造成大量的损失。为了解决钻井过程中出现的粘滑问题，提出了一些如何有效消除粘滑振动效应等建设性措施。相关研究中，扭转振动冲击对于减少钻柱粘滑效果明显，而且从破岩的实际工况出发，由于岩石的抗压强度远大于其抗剪强度，因此，采用扭转振动冲击，对于提高破岩效率与机械钻速同样具有重要的实际意义。
从钻井装备的发展出发，前期提速增效研究主要基于旋冲、纵向振荡等方式展开。目前，研究表明扭转振动冲击对于破岩增效具有重大创新意义，通过在钻进过程中，给PDC钻头提供额外的冲击扭矩，可以有效降低PDC钻头的磨损，提高机械钻速。因此，进行扭转振动冲击研究对于钻井工程具有重要意义，为了有效提高钻井效率，开发新型PDC钻头将成为新型油气资源条件下的关键技术装备，实现油气钻井的高效、节能、环保型生产。
发明内容
为了探索解决背景技术中所述的钻井提速增效，降低PDC钻头磨损，提高机械钻速，本发明提供了一种具有自激扭振功能的PDC钻头。本发明的具有自激扭振功能的PDC钻头工作时，钻井液从钻头接头进入钻头内部，从钻头水眼流出，部分钻井液在钻头内部经过分流，驱动换向开关和冲击锤转动，使换向开关周向碰撞冲击锤，冲击锤周向往复碰撞冲击壳体，通过换向开关、冲击锤和冲击壳体之间的相互碰撞产生周向往复冲击载荷，通过冲击壳体前端的花键结构，将产生的周向冲击载荷传递给钻头本体，给钻头本体施加一个额外的冲击扭矩，加速钻头破岩，提高钻井效率。
本发明的技术方案是：具有自激扭振功能的PDC钻头主要由钻头接头、上端盖挡板、上端盖、上冲击锤铜套、上换向开关铜套、冲击壳体、冲击锤、换向开关、下换向开关铜套、下冲击锤铜套、中心接头、钻头本体组成；所述的上端盖挡板、上端盖、上冲击锤铜套、上换向开关铜套、冲击壳体、冲击锤、换向开关、下换向开关铜套、下冲击锤铜套、中心接头位于钻头本体内部，通过钻头接头进行轴向定位锁紧固定，将冲击壳体安装到钻头本体内，利用花键结构实现冲击壳体和钻头本体之间的周向定位，再将中心接头安装到冲击壳体前端，分别将上冲击锤铜套和下冲击锤铜套安装到冲击锤上下两端，再将三者一起安装到冲击壳体内部，然后分别将上换向开关铜套和下换向开关铜套安装到换向开关上下两端，再将三者一起暗转到冲击锤内部，将上端盖安装到设计位置作为上冲击锤铜套、上换向开关铜套、冲击壳体、冲击锤、换向开关的保持架，然后将上端盖挡板安装到上端盖后端，通过上端盖挡板调节钻头本体内部零件的安装尺寸，最后将钻头接头安装到钻头本体后端螺纹处，对钻头本体内部零件进行轴向锁紧。所述的冲击锤和换向开关在钻井液压力驱动下产生相互转动，换向开关在转动过程中将往复碰撞冲击锤，冲击锤将周期性地往复碰撞冲击壳体，在换向开关、冲击锤和冲击壳体相互碰撞过程中，将产生周期性地往复冲击载荷，通过冲击壳体传递到钻头本体上。所述的冲击壳体圆周上设置有通孔作为钻井液循环流道，冲击壳体前端内圆周上设置有花键槽，外圆周上设置有花键，通过花键与钻头本体配合，利用花键结构，将冲击锤和换向开关产生的周向扭矩传递到钻头本体。所述的上冲击锤铜套、上换向开关铜套、下换向开关铜套和下冲击锤铜套安装在冲击锤和换向开关两端，通过上冲击锤铜套、上换向开关铜套、下换向开关铜套和下冲击锤铜套调整冲击锤和换向开关之间的间隙，降低冲击锤和换向开关的磨损，提高其使用寿命。所述的上端盖和冲击壳体分别设置有2个销钉孔，通过安装销钉对上端盖和冲击壳体进行定位，防止上端盖和冲击壳体的流体通道在钻头工作过程中位置发生偏差，保证钻井液能够按照设计流道循环。所述的中心接头前端设置有花键，与冲击壳体前端内圆周上的花键槽配合。
本发明的有益效果是：(1)保持原有钻头外部结构不变，在钻头本体内部设置转动碰撞冲击部件，利用钻井液压力作为动力输入，为钻头提供额外的钻井扭矩，加速钻头破岩，有效提高钻井效率；(2)为钻头内部的转动部件增加耐磨结构设置，通过采用硬度更低的结构件，调整转动部件之间的间隙，使转动部件工作过程中，磨损耐磨结构部件，降低转动部件的磨损，提高工具的使用寿命；(3)采用独立的钻头接头，区别于将钻头接头与钻头本体焊接到一起的结构设计，采用独立钻头接头可以及时更换钻头内部易损零件，提高不易失效零件的使用次数，在保证钻头工作性能的前提下可以节约生产成本；(4)钻头内部零件采用花键结构或者斜面结构进行定位而不采用螺纹连接，可以降低钻头的加工成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的外部轮廓图。
图3是冲击壳体的结构示意图。
图4是中心接头的结构示意图。
图5是上端盖挡板的结构示意图。
图6是上端盖的结构示意图。
图中1.钻头接头，2.上端盖挡板，3.上端盖，4.上冲击锤铜套，5.上换向开关铜套，6.冲击壳体，7.冲击锤，8.换向开关，9.下换向开关铜套，10.下冲击锤铜套，11.中心接头，12.钻头本体。
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1，具有自激扭振功能的PDC钻头主要由钻头接头1、上端盖挡板2、上端盖3、上冲击锤铜套4、上换向开关铜套5、冲击壳体6、冲击锤7、换向开关8、下换向开关铜套9、下冲击锤铜套10、中心接头11、钻头本体12组成；所述的上端盖挡板2、上端盖3、上冲击锤铜套4、上换向开关铜套5、冲击壳体6、冲击锤7、换向开关8、下换向开关铜套9、下冲击锤铜套10、中心接头11位于钻头本体12内部，通过钻头接头1进行轴向定位锁紧固定，将冲击壳体6安装到钻头本体12内，利用花键结构实现冲击壳体6和钻头本体12之间的周向定位，再将中心接头11安装到冲击壳体6前端，分别将上冲击锤铜套4和下冲击锤铜套10安装到冲击锤7上下两端，再将三者一起安装到冲击壳体6内部，然后分别将上换向开关铜套5和下换向开关铜套9安装到换向开关8上下两端，再将三者一起暗转到冲击锤7内部，将上端盖3安装到设计位置作为上冲击锤铜套4、上换向开关铜套5、冲击壳体6、冲击锤7、换向开关8的保持架，然后将上端盖挡板2安装到上端盖3后端，通过上端盖挡板2调节钻头本体12内部零件的安装尺寸，最后将钻头接头1安装到钻头本体12后端螺纹处，对钻头本体12内部零件进行轴向锁紧。
所述的冲击锤7和换向开关8在钻井液压力驱动下产生相互转动，换向开关8在转动过程中将往复碰撞冲击锤7，冲击锤7将周期性地往复碰撞冲击壳体6，在换向开关8、冲击锤7和冲击壳体6相互碰撞过程中，将产生周期性地往复冲击载荷，通过冲击壳体6传递到钻头本体12上。
所述的冲击壳体6圆周上设置有通孔作为钻井液循环流道，冲击壳体6前端内圆周上设置有花键槽，外圆周上设置有花键，通过花键与钻头本体12配合，利用花键结构，将冲击锤7和换向开关8产生的周向扭矩传递到钻头本体。
所述的上冲击锤铜套4、上换向开关铜套5、下换向开关铜套9和下冲击锤铜套10安装在冲击锤7和换向开关8两端，通过上冲击锤铜套4、上换向开关铜套5、下换向开关铜套9和下冲击锤铜套10调整冲击锤7和换向开关8之间的间隙，降低冲击锤7和换向开关8的磨损，提高其使用寿命。
所述的上端盖3和冲击壳体6分别设置有2个销钉孔，通过安装销钉对上端盖3和冲击壳体6进行定位，防止上端盖3和冲击壳体6的流体通道在钻头工作过程中位置发生偏差，保证钻井液能够按照设计流道循环。
所述的中心接头11前端设置有花键，与冲击壳体6前端内圆周上的花键槽配合。
Claims (6)
1.具有自激扭振功能的PDC钻头，其特征在于：所述的具有自激扭振功能的PDC钻头主要由钻头接头(1)、上端盖挡板(2)、上端盖(3)、上冲击锤铜套(4)、上换向开关铜套(5)、冲击壳体(6)、冲击锤(7)、换向开关(8)、下换向开关铜套(9)、下冲击锤铜套(10)、中心接头(11)、钻头本体(12)组成；所述的上端盖挡板(2)、上端盖(3)、上冲击锤铜套(4)、上换向开关铜套(5)、冲击壳体(6)、冲击锤(7)、换向开关(8)、下换向开关铜套(9)、下冲击锤铜套(10)、中心接头(11)位于钻头本体(12)内部，通过钻头接头(1)进行轴向定位锁紧固定，将冲击壳体(6)安装到钻头本体(12)内，利用花键结构实现冲击壳体(6)和钻头本体(12)之间的周向定位，再将中心接头(11)安装到冲击壳体(6)前端，分别将上冲击锤铜套(4)和下冲击锤铜套(10)安装到冲击锤(7)上下两端，再将三者一起安装到冲击壳体(6)内部，然后分别将上换向开关铜套(5)和下换向开关铜套(9)安装到换向开关(8)上下两端，再将三者一起暗转到冲击锤(7)内部，将上端盖(3)安装到设计位置作为上冲击锤铜套(4)、上换向开关铜套(5)、冲击壳体(6)、冲击锤(7)、换向开关(8)的保持架，然后将上端盖挡板(2)安装到上端盖(3)后端，通过上端盖挡板(2)调节钻头本体(12)内部零件的安装尺寸，最后将钻头接头(1)安装到钻头本体(12)后端螺纹处，对钻头本体(12)内部零件进行轴向锁紧。
2.根据权利要求1所述的具有自激扭振功能的PDC钻头，其特征在于：所述的冲击锤(7)和换向开关(8)在钻井液压力驱动下产生相互转动，换向开关(8)在转动过程中将往复碰撞冲击锤(7)，冲击锤(7)将周期性地往复碰撞冲击壳体(6)，在换向开关(8)、冲击锤(7)和冲击壳体(6)相互碰撞过程中，将产生周期性地往复冲击载荷，通过冲击壳体(6)传递到钻头本体(12)上。
3.根据权利要求1所述的具有自激扭振功能的PDC钻头，其特征在于：所述的冲击壳体(6)圆周上设置有通孔作为钻井液循环流道，冲击壳体(6)前端内圆周上设置有花键槽，外圆周上设置有花键，通过花键与钻头本体(12)配合，利用花键结构，将冲击锤(7)和换向开关(8)产生的周向扭矩传递到钻头本体。
4.根据权利要求1所述的具有自激扭振功能的PDC钻头，其特征在于：所述的上冲击锤铜套(4)、上换向开关铜套(5)、下换向开关铜套(9)和下冲击锤铜套(10)安装在冲击锤(7)和换向开关(8)两端，通过上冲击锤铜套(4)、上换向开关铜套(5)、下换向开关铜套(9)和下冲击锤铜套(10)调整冲击锤(7)和换向开关(8)之间的间隙，降低冲击锤(7)和换向开关(8)的磨损，提高其使用寿命。
5.根据权利要求1所述的具有自激扭振功能的PDC钻头，其特征在于：所述的上端盖(3)和冲击壳体(6)分别设置有2个销钉孔，通过安装销钉对上端盖(3)和冲击壳体(6)进行定位，防止上端盖(3)和冲击壳体(6)的流体通道在钻头工作过程中位置发生偏差，保证钻井液能够按照设计流道循环。
6.根据权利要求1所述的具有自激扭振功能的PDC钻头，其特征在于：所述的中心接头(11)前端设置有花键，与冲击壳体(6)前端内圆周上的花键槽配合。
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