CN103306606A - 一种油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深井钻进中所使用的双头钻具，至少包括钻进导向部分和井眼形成部分，两者均由刀翼以及切削具组成，该双层钻头中还设有行星轮系节能装置，其中行星轮系节能装置与钻进导向部分和井眼形成部分连接并驱动两者转动，所述的行星轮系节能装置包括齿圈驱动机构、行星架、行星轮、中心齿轮、行星轮上部固定装置以及动力驱动机构。本发明所提供的双头钻具解决了现有技术中深井钻进时转盘驱动功率需求过高，且油气大口径钻进时钻头磨损不同步造成钻头提前报废的缺陷。使用本发明所提供的双层钻头，能够实现钻头不同半径处同步均匀磨损，提高钻头使用效率。

Description

一种油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头

技术领域

本发明提供了一种深井钻进中所使用的双头钻具，尤其涉及一种石油天然气深井钻进用节能装置，可以显著能降低钻进时转盘驱动所需要的功率，并实现钻头不同半径处的同步磨损。

背景技术

中国人口众多，是一个能源消耗大国。随着国民经济的迅速发展和人民生活质量的提高，能源消耗问题将更加突出，而石油和天然气在能源结构中占有重要位置。在石油和天然气能源勘探和开采过程中，钻井工程是必不可少的一个项目。现在常用的钻井方法包括转盘驱动、顶部驱动和井下动力驱动等几大类。但是，在深井钻井过程中，不论何种驱动方法都存在一个节能问题，这在转盘驱动钻井时更是明显。转盘驱动技术虽然有其固有缺点，但在油气深井钻进中仍然是一种非常重要的钻井方法之一，仍广泛应用于中国、俄罗斯和独联体等发展中国家。然而，当钻井深度超过2000m时，随井深的增加，回转钻杆柱（包括加重钻杆和接头）用的功率将急剧增加，从而影响钻头在井底的碎岩效果。

油气钻井的井眼直径较大，钻头在井底工作时，其不同半径处的工作强度差异巨大。传统的一体式钻头由于不同半径处旋转线速度差异过大，容易导致钻头磨损不同步，使钻头提前报废，使用效率低下。

发明内容

本发明提供了一种行星轮系节能双层钻头，解决了现有技术中深井钻进时转盘驱动功率需求过高，且油气大口径钻进时钻头磨损不同步造成钻头提前报废的缺陷。使用本发明所提供的双层钻头，能够实现钻头不同半径处同步均匀磨损，提高钻头使用效率。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头，至少包括钻进导向部分和井眼形成部分，两者均由刀翼以及切削具组成，该双层钻头中还设有行星轮系节能装置，其中行星轮系节能装置与钻进导向部分和井眼形成部分连接并驱动两者转动，所述的行星轮系节能装置包括齿圈驱动机构、行星架、行星轮、中心齿轮、行星轮上部固定装置以及动力驱动机构，其中动力驱动机构的底端与钻进导向部分固定连接，且带动钻进导向部分旋转；所述的中心齿轮套在动力驱动机构上并且随动力驱动机构一起旋转，所述的齿圈驱动机构的上部为圆筒状，其内壁上设有内齿轮且套在中心齿轮上，齿圈驱动机构的下部套在动力驱动机构上，且能够绕动力驱动机构旋转，齿圈驱动机构的下部通过锁接头与井眼形成部分固定连接，并且带动井眼形成部分共同旋转；所述的行星轮至少设有1个，且位于齿圈驱动机构上部的内齿轮与中心齿轮之间并与两者啮合，行星架和行星轮上部固定装置分别安装于行星轮的上方和下方，两者共同将行星轮的转动轴固定。

所述的双层钻头中还设有外壳和下支座，所述的外壳套在整体行星轮系节能装置上，下支座位于外壳的下方且与外壳固定连接，下支座套在齿圈驱动机构的下部上，且两者之间设置有轴承。

所述的行星轮设有两个，且两行星轮分别位于中心齿轮的左右两侧。

本发明中所提供的钻头中导向钻进部分由井底的动力驱动机构以转速wn按顺时针方向回转；中心齿轮（齿数为Za）与动力驱动机构的回转方向和速度相同，而行星轮的旋转轴固定，其回转方向与中心齿轮相反，两者回转线速度相同；齿圈驱动机构（齿数为Zb）与行星轮的回转方向和线速度相同。因此，齿圈驱动机构和中心齿轮具有相反的回转方向和相同的回转线速度，整体节能装置的传动比为Zb/Za。

由于齿圈驱动机构和中心齿轮具有相反的回转方向和相同的回转线速度，因此可以实现钻头导向钻进部分和井眼形成部分产生相向运动，从而降低钻头整体在井底工作时的回转力矩，减小油气井深井钻进时钻机驱动钻具回转所需功率，并使得钻头不同半径范围处能同步磨损。

由于导向钻井部分和井眼形成部分按照相反方向回转，两个部分的回转速度与其直径成反比。因此行星轮系装置的传动原理可以使钻头产生两个回转运动，钻头上部分的井眼形成部分向一个方向回转，钻头下部分的导向钻井部分向另一个方向回转。同时切削具破碎岩石速度和切削具磨损程度在钻头上、下两部分是相同的。由于钻头的上、下两部分在井底按相反方向回转，在洗井时产生较强的紊流流态，有利于迅速排除井底岩屑，其最终结果将有利于钻井机械钻速的提高。

同时，还可以根据钻头所需要的回转速度，选择不同的中心齿轮、行星轮和齿圈的齿数，以形成合理的传动比，实现不同钻具的正常钻进。

附图说明

图1为本发明所提供的双层钻头的整体结构示意图；

图2为发明所提供的导向钻井部分和井眼形成部分的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图中：1-下支座，2-钻进导向部分，3-井眼形成部分，4-刀翼A，5-刀翼B，6-切削具A，7-切削具B，8-锁接头，9-动力驱动机构，10-齿圈驱动机构，11-行星架，12-行星轮，13-中心齿轮，14-行星轮上部固定装置，15-外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明。

本发明中所提供的油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头的整体结构如图1所示，包括钻进导向部分2和井眼形成部分3，以及与钻进导向部分2和井眼形成部分3连接并驱动两者转动的行星轮系节能装置，其中钻进导向部分2和井眼形成部分3的结构如图2和图3所示，钻进导向部分2由刀翼A4和切削具A6组成，井眼形成部分3由刀翼B5和切削具B7组成。

所述的行星轮系节能装置包括齿圈驱动机构10、行星架11、行星轮12、中心齿轮13、行星轮上部固定装置14以及动力驱动机构9，其中动力驱动机构9的底端与钻进导向部分2固定连接，且带动钻进导向部分2旋转；所述的中心齿轮13套在动力驱动机构9上并且随动力驱动机构9一起旋转。

所述的齿圈驱动机构10的上部为圆筒状，其内壁上设有内齿轮且套在中心齿轮13上，齿圈驱动机构10的下部套在动力驱动机构9上，且能够相对动力驱动机构9旋转，齿圈驱动机构10的下部通过锁接头8与井眼形成部分3固定连接，并且带动井眼形成部分3共同旋转；所述的行星轮12至少设有1个，且位于齿圈驱动机构上部的内齿轮与中心齿轮13之间并与两者啮合，行星架11和行星轮上部固定装置14分别安装于行星轮12的上方和下方，两者共同将行星轮12的转动轴固定。在本实施例中，为了更好的传递扭矩，所述的行星轮12设有两个，且两行星轮12分别位于中心齿轮13的左右两侧。所述的行星架11由滚动轴承及配套零部件组成。

在本发明中为了保护行星轮系节能装置，还设置有外壳15和下支座1，所述的外壳15套在整体行星轮系节能装置上，下支座1位于位于外壳15的下方且与外壳15固定连接，下支座1套在齿圈驱动机构10的下部上，且两者之间设置有轴承，下支座1可以限制行星轮系节能装置整体向下的位移。

本发明所提供的油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头的工作原理如下：在井底工作时，行星轮的转动轴固定在行星架和行星轮上部固定装置之中，只能发生轴向回转运动。井底动力机驱动钻头导向部分旋转时，动力机主轴上的中心齿轮13带动行星轮12发生回转，中心齿轮13与行星轮12的回转方向相反。行星轮12与齿圈驱动机构10相互啮合，带动齿圈旋转，从而驱动井眼形成部分3回转，此时齿圈的运动方向与行星轮的运动方向相同。因此，齿圈与中心轮的回转方向相反，使得钻头上下两部分的回转方向相反，进而减小钻头整体的回转力矩，并降低钻机在深井钻进时驱动钻具回转所需的功率。

假设中心齿轮上的齿数为Za，齿圈驱动机构上齿圈的齿数为Zb，则在上述工作条件下，该双层钻头的两个回转部分相向回转，转速不同，传动比为Za/Zb。当钻头以角速度w_n回转并做轴向向下移动时，导向钻井部分的翼片向井底钻进，把井眼扩大到由边缘切削具位置决定的直径。由于导向钻井部分的前面设有数个切削具A，井眼形成部分由数个切削具B组成，且这些切削具与回转轴的距离不同，所以其切削速度距离回转轴线越远则越大，接近切削具的极限值。这个极限值与岩石硬度和切削具耐磨性有关。

双层钻头机械钻速V_мб取决于导向钻井部分的可能钻进速度。

导向钻井部分的机械钻进速度为

式中，V_мб——导向钻井部分的机械钻进速度，mm/s;

S_n——导向钻井部分回转1转的给进量，mm/r；

n_n——导向钻井部分回转速度，r/s；

T_n——导向钻井部分回转1转的时间，s。

在导向钻井部分回转1圈的时间T_n内，整个钻头都完成了轴向移动S_n，而井眼形成部分3的每一个翼片5都完成了自己回转1转的一部分，切入深度h=S_n,机械钻速为V_мб。

，小于临界值。

当传动比为i=Z_b/Z_a≈3和钻头直径D=215mm时，距离回转轴线最远的切削具的切削速度为

，远小于临界值。

当导向钻井部分以n（rpm）的回转速度回转1圈，且钻头沿着回转轴线以给进速度S（mm/r）向下运动时，井眼形成部分仅仅回转了1/3转。在这种情况下，为了井底能够完全破碎，必须使井眼形成部分上的翼片数量Z＞3，我们取Z＝4。

井眼形成部分回转速度如下确定：

$n_c=\frac{d}{D}\·n_n$

其中，n_c——井眼形成部分回转速度，r/s;

      d——导向钻进部分最大直径，mm；

D——井眼形成部分最大直径，mm；

n_n——导向钻进部分回转速度，r/s。

在与导向钻进部分回转1个整圈相应的时间T_n内，井眼形成部分距离回转轴线最远的切削具，转动以直径D为圆周的1圈的一部分，即

L≤π·d

式中，L——井眼形成部分3切削具走过的距离，mm;

      d——导向钻进部分2的最大直径，mm。

此时，切削具的回转线速度不会超过极限值，并且与导向部分的回转线速度接近，从而使得钻头的磨损情况更为一致，可防止钻头外径部位超前磨损。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，上述结构都应当属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头，至少包括钻进导向部分和井眼形成部分，两者均由刀翼以及切削具组成，其特征在于：该双层钻头中还设有行星轮系节能装置，其中行星轮系节能装置与钻进导向部分和井眼形成部分连接并驱动两者转动，所述的行星轮系节能装置包括齿圈驱动机构、行星架、行星轮、中心齿轮、行星轮上部固定装置以及动力驱动机构，其中动力驱动机构的底端与钻进导向部分固定连接，且带动钻进导向部分旋转；所述的中心齿轮套在动力驱动机构上并且随动力驱动机构一起旋转，所述的齿圈驱动机构的上部为圆筒状，其内壁上设有内齿轮且套在中心齿轮上，齿圈驱动机构的下部套在动力驱动机构上，且能够绕动力驱动机构旋转，齿圈驱动机构的下部通过锁接头与井眼形成部分固定连接，并且带动井眼形成部分共同旋转；所述的行星轮至少设有1个，且位于齿圈驱动机构上部的内齿轮与中心齿轮之间并与两者啮合，行星架和行星轮上部固定装置分别安装于行星轮的上方和下方，两者共同将行星轮的转动轴固定。

2.根据权利要求1所述的油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头，其特征在于：所述的双层钻头中还设有外壳和下支座，所述的外壳套在整体行星轮系节能装置上，下支座位于外壳的下方且与外壳固定连接，下支座套在齿圈驱动机构的下部上，且两者之间设置有轴承。

3.根据权利要求1所述的油气深井钻进用行星轮系节能双层钻头，其特征在于：所述的行星轮设有两个，且两行星轮分别位于中心齿轮的左右两侧。

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