CN105649536A - 一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，它主要由钻头本体、动力端外壳、齿条活塞缸、窄口活塞、宽口活塞、弧形齿条、齿轮、钻井液通孔、伸缩柱、三孔平板、牙掌、牙轮、牙轮牙齿、流道口、泄流口组成，窄口活塞与宽口活塞间由一弧形齿条连接；嵌于齿条活塞缸内部的齿轮与弧形齿条相啮合，齿轮中央设有钻井液通孔；齿轮下端固连伸缩柱，伸缩柱末端固连三孔平板，钻头本体下端同时设有PDC刀翼与牙轮，PDC刀翼沿钻头本体外壁周向均匀布置；伸缩柱带动三孔平板上的牙轮，轴向穿过中心空槽，实现牙轮的轴向运动。本发明通过主动控制钻井液流量，使破岩效率大幅度提高，缩短钻井周期，降低钻井成本。

Description

一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头
技术领域
本发明涉及一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，用于油气钻探与开发的钻头，属于石油天然气开发装备技术领域。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展，国家对油气资源的需求急剧增加，供需矛盾日益严峻。目前我国尚未开发的油气资源主要埋藏在深部难钻硬地层，而现有形式的钻头位于深部难钻硬地层破岩时，破岩效率低,钻头损坏严重，起下钻频繁，钻井成本变高等问题已成为制约勘探开发、提速增效的技术瓶颈。如在红河油田等水平井钻井中，钻遇深部硬脆性大、研磨性高的灰岩岩层时，钻头损坏严重，最严重的一口井钻头消耗多达29只，起下钻高达37次之多，平均钻井周期长达490天以上，钻头切削齿崩裂、脱落情况严重，机械钻速不到0.7m/h。因此，研发新型破岩工具，以提高深部硬地层钻头破岩效率和使用寿命已成为当前重要的课题之一。
基于此，本发明提出一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，使其面临深部难钻硬地层时，破岩效率更高，使用寿命更长。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，通过在地面上主动调节泥浆泵所提供的钻井液流量，来控制地层下位于复合钻头中心牙轮钻头的伸出和缩回。当钻进硬地层时，中心伸出的牙轮可先对破岩地层钻一小孔，使岩石地应力得以释放，以此造成岩石的前期损伤破坏，大大降低岩石的强度。再利用周向PDC刀翼刮削、破碎岩石，在相同的钻压与扭矩作用下，可减轻钻头粘滑振动、压持效应，且极大提高钻头的破岩效率，增加了钻头的在不同地层下的适应性。
本发明采用的技术方案是：
本发明一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，主要由钻头本体、动力端外壳、齿条活塞缸、第一安全阀孔、第二安全阀孔、窄口活塞、宽口活塞、弧形齿条、齿轮、钻井液通孔、伸缩柱、梯形外螺纹、三孔平板、牙掌、牙轮、牙轮牙齿、PDC刀翼、PDC牙齿、流道口、泄流口组成，所述钻头本体上段固连动力端外壳，所述动力端外壳内嵌有一段两端截面积大小不同的齿条活塞缸；所述齿条活塞缸内设有与齿条活塞缸两端截面相匹配的窄口活塞和宽口活塞，所述窄口活塞与宽口活塞间由一弧形齿条连接，且均位于齿条活塞缸中；所述齿条活塞缸两端分别设有尺寸大小相等的第一安全阀孔和第二安全阀孔；齿条活塞缸左右两腔侧壁均设有尺寸大小相同的泄流口；嵌于齿条活塞缸内部的齿轮与弧形齿条相啮合，所述齿轮中央设有钻井液通孔；齿轮下端固连伸缩柱，且位于钻头本体内；所述伸缩柱下端外侧攻有梯形外螺纹，在钻头本体内攻有梯形内螺纹，两者相互匹配；伸缩柱末端固连三孔平板，所述三孔平板上均匀分布的三个圆孔分别连接三个尺寸大小相同的牙掌；所述牙掌通过末端轴承连接牙轮，所述牙轮上镶有若干牙轮牙齿；所述钻头本体下端同时设有PDC刀翼与牙轮，且钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；所述PDC刀翼沿钻头本体外壁周向均匀布置，构成中心空槽；所述伸缩柱带动三孔平板上的牙轮，轴向穿过中心空槽，实现牙轮的轴向运动。
所述第一、第二安全阀孔上分别安装限制不同流量的安全阀，分别限制流量，即钻井液流量升高至70L/s-80L/s时，仅第一安全阀孔上的安全阀打开；钻井液流量升高至80L/s-90L/s时，第一、第二安全阀均打开。
所述泄流口的流量始终小于第一、第二安全阀的流量。
当不同流量的钻井液通过第一安全阀孔、第二安全阀孔流进齿条活塞缸的左、右两腔，实现弧形齿条的周向旋转；齿轮在弧形齿条的带动下实现周向旋转，伸缩柱在齿轮及梯形螺纹的共同作用下，实现轴向伸缩运动。
本发明具有以下优点：1.当其位于深部难钻硬地层破岩时，中心伸出的牙轮可先对破岩地层钻一小孔，使岩石地应力得以释放，以此造成岩石的前期损伤破坏，大大降低岩石的强度，使钻井破岩效率大幅度提高；2.在地面上，通过主动控制钻井液流量，即可实现对地层下伸缩装置的控制，在伸缩装置的带动下，实现中央牙轮的伸出及缩回；3.依次通过牙轮对岩层应力的释放造成预破坏，及周向PDC刀翼对岩石的刮削、破碎作用，使其在相同的钻压与扭矩作用下，减轻了钻头粘滑振动、压持效应，且极大提高钻头的机械转速及钻井破岩效率，增加了钻头的在不同地层下的适应性；4.该种形式的伸缩钻头极大程度的提高了深层、超深层难钻地层的破岩效率，缩短了钻井周期，降低了钻井成本,加快了我国油气资源的开发进度。
附图说明
图1为本发明一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头的结构示意图；
图2为本发明的动力端外壳内部结构示意图；
图3为本发明的钻头本体内部结构示意图；
图4为本发明的钻头本体仰视图。
图中：1.钻头本体，2.动力端外壳，3.齿条活塞缸，4.第一安全阀孔，5.第二安全阀孔，6.窄口活塞，7.宽口活塞，8.弧形齿条，9.齿轮，10钻井液通孔，11.伸缩柱，12.梯形外螺纹，13.三孔平板，14.牙掌，15.牙轮，16.牙轮牙齿，17.PDC刀翼，18.PDC牙齿，19.流道口，20.泄流口。
具体实施方式
结合附图及实施例对发明进一步说明：
如图1、图2、图3、图4所示，本发明一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，主要由钻头本体1、动力端外壳2、齿条活塞缸3、第一安全阀孔4、第二安全阀孔5、窄口活塞6、宽口活塞7、弧形齿条8、齿轮9、钻井液通孔10、伸缩柱11、梯形外螺纹12、三孔平板13、牙掌14、牙轮15、牙轮牙齿16、PDC刀翼17、PDC牙齿18、流道口19、泄流口20组成，所述钻头本体1上段固连动力端外壳2，所述动力端外壳2内嵌有一段两端截面积大小不同的齿条活塞缸3；所述齿条活塞缸3内设有与齿条活塞缸两端截面相匹配的窄口活塞6和宽口活塞7，所述窄口活塞6与宽口活塞7间由一弧形齿条8连接，且均位于齿条活塞缸3中；所述齿条活塞缸3两端分别设有尺寸大小相等的第一安全阀孔3、第二安全阀孔4；齿条活塞缸3左右两腔侧壁均设有尺寸大小相同的泄流口20；嵌于齿条活塞缸3内部的齿轮9与弧形齿条8相啮合，所述齿轮9中央设有钻井液通孔10；所述齿轮9下端固连伸缩柱11，且位于钻头本体1内，所述伸缩柱11下端外侧攻有梯形外螺纹12，在钻头本体1内攻有梯形内螺纹，两者相互匹配；伸缩柱11末端固连三孔平板13，所述三孔平板13上均匀分布的三个圆孔分别连接三个尺寸大小相同的牙掌14；所述牙掌14通过末端轴承连接牙轮15，牙轮15上镶有若干牙轮牙齿16；所述钻头本体1下端同时设有PDC刀翼17与牙轮15，且钻头本体1内轴向设有贯通的钻井液通道；所述PDC刀翼17沿钻头本体1外壁周向均匀布置，构成中心空槽；所述伸缩柱11带动三孔平板13上的牙轮15，轴向穿过中心空槽，实现牙轮15的轴向运动。
设正常钻井条件下泥浆泵提供的钻井液流量为60L/s,第一安全阀孔4、第二安全阀孔5上分别安装限制不同流量的安全阀，分别限制流量70L/s-80L/s及80L/s-90L/s，即钻井液流量升高至70L/s-80L/s时，仅第一安全阀孔4上的安全阀打开；钻井液压力升高至80L/s-90L/s时，第一安全阀、第二安全阀均打开；两个安全阀打开后钻井液的最大流量始终大于泄流口20的流量，且均在正常钻井工艺允许的钻井液流量范围之内。
通过地上主动控制泥浆泵钻井液流量大小，不同流量的钻井液通过第一安全阀孔4、第二安全阀孔5流进齿条活塞缸3的左、右两腔，实现弧形齿条8的周向旋转；齿轮9在弧形齿条8的带动下实现周向旋转，伸缩柱11在齿轮9及梯形螺纹12的共同作用下，实现轴向伸缩运动。
本发明工作时，动力端外壳2内的宽口活塞7、窄口活塞6在齿条活塞缸3内的周向运动将带动齿轮9进行周向旋转，齿轮9进而带动伸缩柱11周向旋转，伸缩柱11在梯形螺纹的作用下将周向旋转转变为竖直方向的伸缩，伸缩柱11带动牙轮15在PDC刀翼17形成的中心空槽内作轴向移动，从而实现不同地层条件下牙轮与PDC刀翼的破岩量分配进行合理优化，满足不同条件下的钻进要求。设钻井液泥浆泵的平均流量为60L/s，欲将中央牙轮伸出时，此时钻头本体1停钻且提起一定高度后，将泥浆泵平均流量升高至70L/s-80L/s，此时第一安全阀孔4中的安全阀打开，钻井液从齿条活塞缸3中的右腔进入，推动窄口活塞6逆时针转动。弧形齿条8在宽口活塞7的带动下逆时针转动，进而带动齿轮9旋转，与齿轮9相固连的伸缩柱11在梯形螺纹的作用下旋至螺纹尽头，将旋转运动转化为轴向竖直运动，实现牙轮15的伸出。所述牙轮15伸出后，此时宽口活塞7运动至齿条活塞缸3尽头，所述弧形齿条8不再逆时针转动，右腔进入的钻井液从所述泄流口20流出，此时将泥浆泵平均流量降低回至60L/s，钻头整体顺时针旋转开始破岩。
欲将中央牙轮缩回时，此时钻头本体1停钻且提起一定高度后，将泥浆泵平均流量升高至80L/s-90L/s，此时第一安全阀孔4、第二安全阀孔5中的安全阀均打开，钻井液从齿条活塞缸3中的左右两腔同时进入，由于宽口活塞7的横截面积大于窄口活塞6的横截面积，齿条活塞缸3左侧的力大于右侧的力，因此钻井液将推动宽口活塞7顺时针转动。弧形齿条8在宽口活塞7的带动下顺时针转动，进而带动齿轮9旋转，与齿轮9相固连的伸缩柱11在梯形螺纹的作用下回旋，将旋转运动转化为轴向竖直运动，实现牙轮15的缩回。所述牙轮15缩回后，此时窄口活塞7运动至齿条活塞缸3尽头，所述弧形齿条8不再顺时针转动，右腔进入的钻井液从所述泄流口20流出，此时将泥浆泵平均流量降低回至60L/s，钻头整体顺时针旋转开始破岩。其中，两安全阀打开时钻井液的流量均在正常钻井工艺允许的钻井液流量范围之内。
本发明一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头是一种用于油气开采及钻探开发的钻头，尤其涉及一种适用于非均质深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头。该发明将常规牙轮钻头与PDC刀翼相结合，在应对非均质深部硬地层时，通过地上主动控制泥浆泵的钻井液流量，在伸缩装置的配合下，控制地层下位于复合钻头中心的牙轮钻头的伸出和缩回。使其位于深部硬地层破岩时，中心伸出的牙轮可先对破岩地层钻一小孔，使岩石地应力得以释放，以此造成岩石的前期损伤破坏，大大降低岩石的强度。在相同的钻压与扭矩作用下，可减轻钻头粘滑振动、压持效应，且极大提高钻头的机械转速及钻井破岩效率，增加了钻头的在不同地层下的适应性，大大缩短了钻井周期，降低了钻井成本，延长了钻头寿命。为加快我国油气资源的开发进度，保障我国能源安全、降低对外依存度开展新局面。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，主要由钻头本体(1)、动力端外壳(2)、齿条活塞缸(3)、第一安全阀孔(4)、第二安全阀孔(5)、窄口活塞(6)、宽口活塞(7)、弧形齿条(8)、齿轮(9)、钻井液通孔(10)、伸缩柱(11)、梯形外螺纹(12)、三孔平板(13)、牙掌(14)、牙轮(15)、牙轮牙齿(16)、PDC刀翼(17)、PDC牙齿(18)、流道口(19)、泄流口(20)组成，其特征在于，所述钻头本体(1)上段固连动力端外壳(2)，所述动力端外壳(2)内嵌有一段两端截面积大小不同的齿条活塞缸(3)；所述齿条活塞缸(3)内设有与两端截面相匹配的窄口活塞(6)和宽口活塞(7)，所述窄口活塞(6)与宽口活塞(7)间由一弧形齿条(8)连接，且均位于齿条活塞缸(3)中；所述齿条活塞缸(3)两端分别设有尺寸大小相等的第一安全阀孔(3)、第二安全阀孔(4)；齿条活塞缸(3)左右两腔侧壁均设有尺寸大小相同的泄流口(20)；嵌于齿条活塞缸(3)内部的齿轮(9)与弧形齿条(8)相啮合，所述齿轮(9)中央设有钻井液通孔(10)；齿轮(9)下端固连伸缩柱(11)，且位于钻头本体(1)内；所述伸缩柱(11)下端外侧攻有梯形外螺纹(12)，在钻头本体(1)内攻有梯形内螺纹，两者相互匹配；伸缩柱(11)末端固连三孔平板(13)，所述三孔平板(13)上均匀分布的三个圆孔分别连接三个尺寸大小相同的牙掌(14)，所述牙掌(14)通过末端轴承连接牙轮(15)，牙轮(15)上镶有若干牙轮牙齿(16)；所述钻头本体(1)下端同时设有PDC刀翼(17)与牙轮(15)，且钻头本体(1)内轴向设有贯通的钻井液通道；所述PDC刀翼(17)沿钻头本体(1)外壁周向均匀布置，构成中心空槽；所述伸缩柱(11)带动三孔平板(13)上的牙轮(15)，轴向穿过中心空槽，实现牙轮(15)的轴向运动。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，其特征在于，设正常钻井条件下泥浆泵提供的钻井液流量为60L/s,第一安全阀孔(4)、第二安全阀孔(5)上分别安装限制不同流量的安全阀，分别限制流量70L/s-80L/s及80L/s-90L/s，即钻井液流量升高至70L/s-80L/s时，仅第一安全阀孔(4)上的安全阀打开；钻井液压力升高至80L/s-90L/s时，第一安全阀、第二安全阀均打开；两个安全阀打开后钻井液的最大流量始终大于泄流口(20)的流量，且均在正常钻井工艺允许的钻井液流量范围之内。
3.根据权利要求1所述的一种适应于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，其特征在于，通过地上主动控制泥浆泵钻井液流量大小，不同流量的钻井液通过第一安全阀孔(4)、第二安全阀孔(5)流进齿条活塞缸(3)的左、右两腔，实现弧形齿条(8)的周向旋转；齿轮(9)在弧形齿条(8)的带动下实现周向旋转，伸缩柱(11)在齿轮(9)及梯形螺纹(12)的共同作用下，实现轴向伸缩运动。
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