CN105275405A - 利用冲击作用提高破岩效率的新型pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头，解决了在钻进软硬交错地层时产生的泥包或者粘滑现象，以及破岩速率和寿命低等一些缺陷。其技术方案是：叶片轴安装在钻头端口处，下端进入壳体通过联轴器与同传动比传动器连接，同传动比传动器再与减速器连接，输出端通过磁力耦合器与传动轴连接，传动轴通过平键与凸轮圆盘连接，连杆机构接入凸轮圆盘，下端通过球铰链与中心齿连接。本发明可以使中心齿产生纵向位移变化，改变心部的吃入量，提高钻头在软硬地层中的破岩速率和减少泥包、粘滑等现象，进而降低钻井成本。

Description

利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头。

背景技术

在油气田开发的过程中，钻井的速度和效率决定着开发油田的快慢。在钻井的过程中，往往常规牙轮钻头和PDC钻头会出现卡钻、粘滑现象，导致钻柱扭紧又突然释放，造成钻柱的剧烈振动，导致钻头的破岩效率低下。钻头出现卡钻、粘滑现象的出现，其主要原因并不是钻头的钻压不够，而是岩石的抗拉压能力强，钻头轴向压力增加，并不能显著破坏岩石，因此导致破岩效率低。因此国内外许多学者研究使用旋冲井下工具来提高钻头破岩速率，但是只能提供整体钻头轴向冲击力，并不能很好地解决钻头泥包、粘滑等现象，要解决这种问题，就得从改变常规钻头的结构，研发一种具有中心齿纵向调节作用的新型PDC钻头。

由于软硬地层的复杂性，常规PDC钻头在钻进的过程中，对于钻齿的损耗将会增大，当进入软地层的时候，常规PDC钻头会出现泥包等现象，当进入硬地层的时候，其岩石又会对齿的破坏力增大。所以，不同种的PDC钻头在同一种地层中可以较好地实现钻进效率，但是遇到软硬交错的地层，其钻进的效率和寿命就会大大的降低。因此，能够自行调节自身部分结构的新型PDC钻头就会对以上的问题进行很好的解决。

发明内容

本发明的目的是：为了解决在钻进软硬底层交错时所产生的钻头破岩速率低，钻进软质地层时产生的泥包现象，改变钻头切削深度，提高钻井效率。

本发明的特征技术在于:利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头，由钻头基体和内部传动装置组成，其中钻头基体由胎体、冠部结构、主刀翼活动的中心齿、内部壳体和减震器组成；内部传动装置包括动力装置、传动装置、驱动装置以及冲击装置组成。其中动力装置由挡板、叶片轴、深沟球轴承以及联轴器组成；传动装置由同传动比传动器、一级减速器、磁力耦合器组成；驱动装置由传动轴、平键、定位螺母、凸轮圆盘、圆盘连杆，弹簧组成；冲击装置由连杆、球铰链、活动的中心齿、垫片以及摩擦块组成。其特征在于钻头上端口挡板定位叶片轴，叶片轴下端与联轴器连接，叶片轴与内壳体之间有深沟球轴承，轴承挡板定位，联轴器与内壳体采用螺栓连接，下端接入同传动比传动器。内部通过齿轮啮合传递，接入一级减速器，一级减速器与内壳体采用螺纹连接。输出端通过定位螺母定位与磁力耦合器连接，磁力耦合器与内壳体采用螺栓连接，下端与传动轴接入，传动轴与凸轮圆盘采用平键连接以及定位螺母定位，凸轮圆盘下端接入连杆机构，连杆伸出壳体与摩擦块采用球铰链连接，连杆与壳体之间有垫片，连杆圆盘下端有恢复弹簧定位和恢复，摩擦块与复合齿构成活动的中心齿，摩擦块与钻头之间有动摩擦填充物，壳体与钻头基体采用法兰盘连接，在胎体与冠部结构间焊接定位，法兰盘中心为壳体，周围是流道；壳体下端有减震器与钻头体之间有销钉定位，泥浆液流道为钻头上端口到壳体外部通过法兰盘流道至水眼。

本发明的有益效果是：(1)该新型钻头的动力来源为钻井液，为液压驱动，具有良好的动力来源，可以持续长久的工作；(2)该新型钻头中心齿发生纵向位移，使钻头在钻进的过程中，心部可以很好的解决泥包问题；(3)通过中心齿的纵向位移改变，改变钻头的切削深度，在软硬交错地层中有利于提高破岩速率。

附图说明

图1为本发明利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头的结构示意图。

图中：1.钻头基体，2.叶片轴，3.联轴器，4.同传动比传动器，5.减速器，6.法兰盘，7.磁力耦合器，8.传动轴，9.凸轮圆盘，10.连杆机构，11.弹簧，12.壳体，13.减震器，14.活动中心齿，15.冠部结构。

图2为本发明利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头的钻头基体示意图。

具体实施方式

根据附图1所示，利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头，由钻头基体1和内部传动装置组成，其中钻头基体1由胎体、冠部结构15、主刀翼活动的中心齿14、内部壳体12和减震器13组成；内部传动装置包括动力装置、传动装置、驱动装置以及冲击装置组成。其中动力装置由挡板、叶片轴2、深沟球轴承以及联轴器3组成；传动装置由同传动比传动器4、一级减速器5、磁力耦合7器组成；驱动装置由传动轴8、平键、定位螺母、凸轮圆盘9、圆盘连杆10，弹簧11组成；冲击装置由连杆、球铰链、活动的中心齿14、垫片以及摩擦块组成。其特征在于钻头上端口挡板定位叶片轴2，叶片轴2下端与联轴器3连接，叶片轴2与内壳体12之间有深沟球轴承，轴承挡板定位，联轴器3与内壳体12采用螺栓连接，下端接入同传动比传动器4。内部通过齿轮啮合传递，接入一级减速器5，一级减速器5与内壳体12采用螺纹连接。输出端通过定位螺母定位与磁力耦合器7连接，磁力耦合器7与内壳体12采用螺栓连接，下端与传动轴8接入，传动轴8与凸轮圆盘9采用平键连接以及定位螺母定位，凸轮圆盘8下端接入连杆机构10，连杆10伸出壳体12与摩擦块14采用球铰链连接，连杆10与壳体12之间有垫片，连杆圆盘10下端有恢复弹簧11定位和恢复，摩擦块14与复合齿构成活动的中心齿，摩擦块14与钻头之间有动摩擦填充物，壳体与钻头基体采用法兰盘6连接，在胎体与冠部结构间焊接定位，法兰盘6中心为壳体，周围是流道；壳体下端有减震器13与钻头体之间有销钉定位，泥浆液流道为钻头上端口到壳体外部通过法兰盘流道至水眼。工作时，钻井液经挡板后进入叶片轴2，通过液压驱动叶片轴发生旋转运动，然后经过钻头内部流道进入法兰盘通孔后流入水眼排出，叶片轴2发生旋转运动经过联轴器3与同传动比传动器4连接，同传动比传动器4内部齿轮发生啮合转动，通过输出轴与一级减速器13连接，驱使一级减速器13发生转动，在一级减速器内部经过齿轮的减速运动输出，经过磁力耦合器7的连接和固定输出，通过磁力耦合器的稳定输出，将带动传动轴8发生旋转运动，传动轴8与凸轮圆盘9通过平键连接，凸轮圆盘9发生旋转运动，使连杆机构10产生上下位移变化，连杆上下运动通过球铰链与摩擦块连接，促使摩擦块发生上下位移变化，从而带动中心齿产生纵向位移变化，从而使心部有纵向的位移和冲击作用，可以解决心部产生泥包现象；在钻进的过程中，中心齿纵向变化，改变心部的吃入量，对于软硬交错地层有明显的破岩速率。在工作的过程中，减震器13的作用是吸收中心齿纵向位移时产生的冲击，以及在破岩过程中作为分力装置承担一部分纵向压力；弹簧11的作用是保证连杆可以在位移变化后恢复原位；法兰盘6的作用是将壳体12与钻头基体1连接，法兰盘6中有空道为泥浆液的流道。

特别注意，内部装置安装的过程中，采取从下至上，从里至外的安装方法，先安装减震器，壳体内部安装好后通过法兰盘与减震器接触，法兰盘嵌入钻头内部，钻头胎体与冠部结构再通过焊接一体。

Claims (3)

1.利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头，由钻头基体(1)和内部传动装置组成，其中钻头基体由胎体、冠部结构(15)、主刀翼活动的中心齿(14)、内部壳体(12)和减震器(13)组成；内部传动装置包括动力装置、传动装置、驱动装置以及冲击装置组成。其中动力装置由挡板、叶片轴(2)、深沟球轴承以及联轴器(3)组成；传动装置由同传动比传动器(4)、一级减速器(5)、磁力耦合器(7)组成；驱动装置由传动轴(8)、平键、定位螺母、凸轮圆盘(9)、圆盘连杆(10)，弹簧(11)组成；冲击装置由连杆、球铰链、活动的中心齿(14)、垫片以及摩擦块组成。其特征在于钻头上端口挡板定位叶片轴(2)，叶片轴(2)下端与联轴器(3)连接，叶片轴(2)与内壳体(12)之间有深沟球轴承，轴承挡板定位，联轴器(3)与内壳体(12)采用螺栓连接，下端接入同传动比传动器(4)，内部通过齿轮啮合传递，接入一级减速器(5)，一级减速器(5)与内壳体(12)采用螺纹连接。输出端通过定位螺母定位与磁力耦合器(7)连接，磁力耦合器(7)与内壳体(12)采用螺栓连接，下端与传动轴(8)接入，传动轴(8)与凸轮圆盘(9)采用平键连接以及定位螺母定位，凸轮圆盘(9)下端接入连杆机构(10)，连杆伸出壳体(12)与摩擦块(14)采用球铰链连接，连杆(10)与壳体(12)之间有垫片，连杆圆盘(10)下端有恢复弹簧(11)定位和恢复，摩擦块(14)与复合齿构成活动的中心齿，摩擦块(14)与钻头(1)之间有动摩擦填充物，壳体(12)与钻头基体(1)采用法兰盘(6)连接，在胎体与冠部结构间焊接定位，法兰盘(6)中心为壳体(12)，周围是流道；壳体下端有减震器(13)与钻头体(1)之间有销钉定位，泥浆液流道为钻头上端口到壳体外部通过法兰盘流道至水眼。

2.根据权利要求1所述的利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头，凸轮圆盘(9)为端面凸轮。

3.根据权利要求1所述的利用冲击作用提高破岩效率的新型PDC钻头，中心齿纵向的位移为10mm，初始高度为30mm，最大高度为40mm。