CN105756563A - 一种组合式pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于PDC钻头技术领域，公开了一种组合式PDC钻头，用于解决现有PDC钻头不能根据地质软硬程度而调整导致钻进速度低的问题。本发明包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直。
Description
技术领域
本发明属于PDC钻头技术领域，具体涉及一种组合式PDC钻头。
背景技术
PDC（聚金刚石复合片）钻头广泛应用于石油、地质领域的一种钻头，其具有较高的硬度、耐磨性和使用寿命。PDC钻头破岩石的主要方式是切屑岩石，由于其一般具有3-7个刀翼，十几个复合片，岩石又是不均质的，因此PDC钻头在工作时存在剧烈的横向振动，削弱了破碎岩石的效率。为了抑制钻头的横向振动，部分钻头强化了保径结构，使保径结构的直径比钻头的直径略大，保径结构域井壁大面积紧密接触，从而有效抑制了横向振动。
在地层较硬的情况下，一般不使用牙轮钻头，因为牙轮钻头机械钻速慢、寿命短，常常导致额外的起小钻作业，增加钻井时间和作业费用。因此，对于地层较硬的地方，通常采用机械钻速较快的PDC钻头，以提高钻井速度。
现有技术中关于PDC的技术文献也较多，例如申请号为20142008408.2的专利公开了一种PDC钻头，包括圆柱形钻头体和设置在钻头体上的刀翼和喷嘴，刀翼包括上刀翼和位于上刀翼下方的下刀翼，上刀翼上设置有切屑齿，相邻两个下刀翼形成的沟道与钻头体的中轴线之间的夹角大于5度小于35度。
申请号为201420087416.7的专利公开了一种高效率PDC钻头，包括钻头体、均匀设置在钻头体上的6个刀翼、钻头体上端的喷嘴和钻头体下端的连接件，刀翼包括上刀翼和位于上刀翼下端的下刀翼，上刀翼上设置有两排切屑齿，每排切屑齿均有4个切屑齿，上刀翼与下刀翼不平行。
申请号为201420508187.1的专利公开了一种PDC钻头，包括组那头基体、流道、喷嘴孔、刀翼和切屑齿，刀翼设置在钻头基体上，刀翼包括切屑部和保径部，刀翼的切屑部上设置有切屑齿，保径部与切屑部相连接；两个刀翼之间构成流道，喷嘴孔设置在钻头基体上，还包括保径齿和保径平躺齿，保径齿及保径平躺齿设置在保径部上；切屑齿主体为圆柱形，一端为圆弧面另一端为平面，切屑齿横向设置在刀翼的两端，平面一端朝向刀翼的外侧，圆弧面一端朝向刀翼的内侧，并部分潜入刀翼内；切屑齿焊接在刀翼上；还包括减震齿，减震齿为硬质合金，减震齿镶嵌在刀翼的侧面；保径齿设置在保径部的前端，保径齿的形状及安装方式与切屑齿相同；保径平躺齿设置在保径部的侧面；保径平躺齿为圆柱形，其一端面为圆弧面，另一端面为平面，保径平躺齿的纵向轴线与保径齿部的侧面垂直，保径平躺齿的圆弧面朝向保径的外侧，平面端镶嵌保径部内部。
由于地层的软硬层分布不均匀，为了提高PDC钻头的钻井速度，现有技术中出现了组合式PDC钻头，通过大直径PDC钻头和小直径PDC钻头的共同作用来提高PDC钻头的钻进速度。例如申请号为200410036012.6的专利共公开了一种石油天然气钻井PDC钻头，包括钻头体(1)、主刀翼(3)、次刀翼(5)、大直径PDC切削件(2)、小直径PDC切削件(4)及喷嘴(6)，其特征在于主刀翼(3)和次刀翼(5)成对出现，且在钻头周向上相互隔开，大直径PDC切削件(2)固结在主刀翼(3)上，小直径PDC切削件(4)固结在次刀翼(5)上，大直径PDC切削件(2)的厚度和后倾角α2均小于小直径PDC切削件(4)的厚度和后倾角α1。
虽然该石油天然气钻井PDC钻头能够提高钻进的速度，但是现有的PDC钻头不能够根据地层软硬的情况进行自动调整，从而导致PDC钻头钻进速度低。
发明内容
本发明为了解决现有PDC钻头不能根据地质软硬程度而调整导致钻进速度低的问题；而提供一种组合式PDC钻头，能够根据地层的软硬程度为调整PDC切削齿，从而提高钻进的速度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，其特征在于，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直。
所述长刀翼上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔和活动腔，所述弹簧腔内安装有复位弹簧，所述活动腔经液压油管道与外部的液压系统连通。
所述长刀翼上开设有导流通道，所述液压油管道一端与活动腔连通，所述液压油管道的另一端穿过导流通道与外部的液压系统连通。
所述长刀翼上开设有与钻头基体的轴线方向相互平行的销孔，所述钻头基体上设置有与销孔相互适配的定位销。
所述定位销与销孔之间、活动销与密封腔体之间以及活塞杆与液压腔之间均设置有密封结构。
所述大直径PDC切削齿和小直径PDC切屑齿的呈圆锥柱状。
所述嵌入在短刀翼上的小直径PDC切削齿端的直径小于裸露在短刀翼之外的小直径PDC切削齿的直径。
所述嵌入在长刀翼上的大直径PDC切削齿端的直径小于裸露在长刀翼之外的大直径PDC切削齿的直径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直。本发明的组合式PDC钻头在使用的过程中，长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向来回往复运动，从而根据钻进过程中地质软硬情况，选用长刀翼、短刀翼或者长、短刀翼共同切削的作用，从而提高钻进的速度。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图；
图2是图1A处的局部放大图结构示意图；
图3是本发明的端部结构示意图；
图中标记：1、钻头基体，2、保径齿，3、短刀翼，4、长刀翼，5、小直径PDC切削齿，6、大直径PDC切削齿，7、喷流通孔，8、活塞杆，9、液压腔，10、销孔，11、定位销，12、活动销，13、活动腔，14、复位弹簧，15、弹簧腔，16、导流通道，17、液压油管道，18、限位槽。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图，本发明的组合式PDC钻头，包括钻头基体1，所述钻头基体1上设置有保径齿2、长刀翼4和短刀翼3，所述长刀翼4和短刀翼3相互间隔设置，并且长刀翼4和短刀翼3之间形成排屑通道，本发明的钻头基体1上还设置有喷流通孔7，所述长刀翼4上分布有大直径PDC切削齿6，所述短刀翼3上分布有小直径PDC切削齿4，所述长刀翼4能够沿着钻头基体1的轴线方向往复运动；所述钻头基体1上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔9，其中液压腔9经管道与外部的液压系统连通，所述长刀翼4连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆8，所述液压腔9的外围设置有多个均匀布置的限位槽18，所述长刀翼4上连接有一能够伸缩并与限位槽18相互适配的活动销12，所述活动销12与钻头基体1的轴线方向相互垂直。本发明的组合式PDC钻头在使用的过程中，长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向来回往复运动，从而根据钻进过程中地质软硬情况，选用长刀翼、短刀翼或者长、短刀翼共同切削的作用，从而提高钻进的速度。
现有技术中的也有能够沿着钻头基体1轴线方向运动的长刀翼，例如申请号为200710120776.7的专利，但是该PDC钻头的长刀翼只能沿着轴线方向运动一次就不能够再继续运动，也就是说在钻进过程中只能够调节一次。并且该PDC钻头的调节方式是通过钻杆加压，将销钉剪切断，这种调节方式一方面需要施加相当大的压力操作难度较大，另一方面在巨大的压力之下，容易导致钻头基体各个活动连接位置发生变形的情况。
本发明的工作过程是:当地质层的软硬程度发生变化时（本领域的技术人员通过钻进的速度就能够确定），通过外部的液压系统将液压油输送至液压油管道16从而将活动销12从限位槽18中拔出，然后通过管道向液压腔内输入或者吸出液压油从而带动长刀翼4沿着钻头基体1的轴线方向上运动，直到运动至需要的位置；外部的液压系统再次经液压油管道16将活动腔13内液压油吸出，在复位弹簧15的作用下，活动销12再次与限位槽18卡合，实现长刀翼4的定位，从而完成调整的过程。本发明相比现有技术，具有调节方便、调节灵活性高的特点，通过较小的外界压力即能够满足各种位置的调节，从而能够具体的地质结构进行调节，使得长刀翼和短刀翼上的PDC切削齿能够混合使用，满足不同地质结构的钻进，提高钻进的速度。
本发明的长刀翼4上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销12的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔15和活动腔13，所述弹簧腔15内安装有复位弹簧14，所述活动腔13经液压油管道16与外部的液压系统连通。
所述长刀翼4上开设有导流通道17，所述液压油管道16一端与活动腔13连通，所述液压油管道16的另一端穿过导流通道17与外部的液压系统连通。其中，本发明的钻头基体上开设有通孔，用于管道和液压油管道穿过。
本发明的长刀翼4上开设有与钻头基体1的轴线方向相互平行的销孔10，所述钻头基体1上设置有与销孔10相互适配的定位销11，通过定位销11、活动销12以及活塞杆8的共同作用实现长刀翼4在钻头基体1上的定位和固定。作为本发明一种优选的方式，钻头基体1上设置有至少3个定位销11。
本发明的定位销11与销孔10之间、活动销12与密封腔体之间以及活塞杆8与液压腔9之间均设置有密封结构。
作为本发明一种优选的方式，所述大直径PDC切削齿6和小直径PDC切屑齿5的呈圆锥柱状；所述嵌入在短刀翼上的小直径PDC切削齿端的直径小于裸露在短刀翼之外的小直径PDC切削齿的直径；所述嵌入在长刀翼上的大直径PDC切削齿端的直径小于裸露在长刀翼之外的大直径PDC切削齿的直径。当PDC切削齿磨损后，PDC切削齿的切削面的宽度会降低，从而保证切削的效果，相比于现有技术，能够提高PDC切削齿的使用寿命，使得PDC切削齿能够充分利用。
实施例一
本实施例的组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直。
实施例二
本实施例的组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直；所述长刀翼上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔和活动腔，所述弹簧腔内安装有复位弹簧，所述活动腔经液压油管道与外部的液压系统连通。
实施例三
本实施例的组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直；所述长刀翼上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔和活动腔，所述弹簧腔内安装有复位弹簧，所述活动腔经液压油管道与外部的液压系统连通；所述长刀翼上开设有导流通道，所述液压油管道一端与活动腔连通，所述液压油管道的另一端穿过导流通道与外部的液压系统连通。
实施例四
本实施例的组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直；所述长刀翼上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔和活动腔，所述弹簧腔内安装有复位弹簧，所述活动腔经液压油管道与外部的液压系统连通；所述长刀翼上开设有导流通道，所述液压油管道一端与活动腔连通，所述液压油管道的另一端穿过导流通道与外部的液压系统连通；所述长刀翼上开设有与钻头基体的轴线方向相互平行的销孔，所述钻头基体上设置有与销孔相互适配的定位销。
实施例五
本实施例的组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直；所述长刀翼上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔和活动腔，所述弹簧腔内安装有复位弹簧，所述活动腔经液压油管道与外部的液压系统连通；所述长刀翼上开设有导流通道，所述液压油管道一端与活动腔连通，所述液压油管道的另一端穿过导流通道与外部的液压系统连通；所述长刀翼上开设有与钻头基体的轴线方向相互平行的销孔，所述钻头基体上设置有与销孔相互适配的定位销；所述定位销与销孔之间、活动销与密封腔体之间以及活塞杆与液压腔之间均设置有密封结构。
实施例六
在上述任一实施例的基础之上，所述大直径PDC切削齿和小直径PDC切屑齿的呈圆锥柱状。
实施例七
在实施例六的基础之上，所述嵌入在短刀翼上的小直径PDC切削齿端的直径小于裸露在短刀翼之外的小直径PDC切削齿的直径。
实施例八
在实施例六的基础之上，所述嵌入在长刀翼上的大直径PDC切削齿端的直径小于裸露在长刀翼之外的大直径PDC切削齿的直径。
Claims (8)
1.一种组合式PDC钻头，包括钻头基体，所述钻头基体上设置有保径齿、长刀翼和短刀翼，其特征在于，所述长刀翼和短刀翼相互间隔设置，所述长刀翼上分布有大直径PDC切削齿，所述短刀翼上分布有小直径PDC切削齿，所述长刀翼能够沿着钻头基体的轴线方向往复运动；所述钻头基体上开设有与钻头基体轴线方向相互平行的液压腔，所述长刀翼连接有能够在液压腔内滑动的活塞杆，所述液压腔的外围设置有多个均匀布置的限位槽，所述长刀翼上连接有一能够伸缩并与限位槽相互适配的活动销，所述活动销与钻头基体的轴线方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述长刀翼上设置有套设有活动销的密封腔体，所述活动销的一端伸入密封腔体内并且将密封腔体分为弹簧腔和活动腔，所述弹簧腔内安装有复位弹簧，所述活动腔经液压油管道与外部的液压系统连通。
3.根据权利要求2所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述长刀翼上开设有导流通道，所述液压油管道一端与活动腔连通，所述液压油管道的另一端穿过导流通道与外部的液压系统连通。
4.根据权利要求3所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述长刀翼上开设有与钻头基体的轴线方向相互平行的销孔，所述钻头基体上设置有与销孔相互适配的定位销。
5.根据权利要求4所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述定位销与销孔之间、活动销与密封腔体之间以及活塞杆与液压腔之间均设置有密封结构。
6.根据权利要求1所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述大直径PDC切削齿和小直径PDC切屑齿的呈圆锥柱状。
7.根据权利要求6所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述嵌入在短刀翼上的小直径PDC切削齿端的直径小于裸露在短刀翼之外的小直径PDC切削齿的直径。
8.根据权利要求6所述组合式PDC钻头，其特征在于，所述嵌入在长刀翼上的大直径PDC切削齿端的直径小于裸露在长刀翼之外的大直径PDC切削齿的直径。
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