CN105952385A - Pdc钻头减振增扭装置 - Google Patents

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朱丽红
黄勇
邹德永
王京印
闫瑾申
王志斌
周玉刚
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B12/00—Accessories for drilling tools
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
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    • E21B12/04—Drill bit protectors

Abstract

本发明公开了一种PDC钻头减振增扭装置，包括：由外筒和上接头连接成的筒体，筒体内腔中设有芯管，芯管外周设有环形挡板，环形挡板下表面支撑于外筒上端面，环形挡板以下为与外筒螺旋花键连接的下部芯管段，下部芯管段下端伸出外筒并连接有下接头，环形挡板以上为上部芯管段，上部芯管段与上接头围成的环形空间中设有蝶形弹簧，弹簧上端抵靠上接头下部内侧的台阶面，下端抵靠环形挡板上表面。本发明的PDC钻头减振增扭装置，使钻头与钻柱间的连接为柔性连接，减弱了PDC钻头钻进过程中产生的振动，避免了由振动导致的切削齿损坏，延长了钻头寿命；钻头旋转上升过程中，切削齿与岩石的接触面积减小而切削作用力增大，提高了钻头破岩能力。

Description

PDC钻头减振增扭装置
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探设备技术领域，尤其涉及一种PDC钻头井下作业用的减振增扭装置。
背景技术
PDC钻头是一种以人造聚晶金刚石复合片作为破岩元件的切削型钻头(PDC为英文Polycrystalline Diamond Compact bit的缩写，PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称)，其在软到中等硬度的均质地层具有较高的钻进效率和使用寿命，是目前石油天然气钻井行业的主力钻头。随着石油勘探开发的不断深入，浅层、易开发油气资源逐年减少，在深部以及复杂地层条件下寻求油气资源已成为油气勘探开发的重要工作。然而，PDC钻头在上述地层的应用效果较差，通常表现为钻进效率低、钻头寿命短。
PDC钻头在深部及复杂地层钻进时，由于地层可钻性差，切削齿破岩难度增大，切削效率降低，钻进速度慢；同时，地层非均质性强，钻头不规则振动显著，造成了切削齿过早损坏失效，钻头使用寿命短。因此，有必要设计一种能够延长钻头寿命、提高钻进效率的PDC钻头井下减振增扭装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种PDC钻头减振增扭装置，降低PDC钻头振动荷载，提高钻头回转扭矩，进而延长钻头使用寿命，提高钻井效率，降低钻井成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：PDC钻头减振增扭装置，包括：
筒体，所述筒体具有沿其轴向贯通的筒体内腔，所述筒体由外筒和上接头连接而成，所述上接头的下部内侧设有与其轴向垂直的台阶面；
芯管，设置于所述筒体内腔，所述芯管具有沿其轴向贯通的芯管内腔，所述芯管的外周上设有与其轴向垂直的环形挡板，所述环形挡板的下表面支撑于所述外筒的上端面，所述环形挡板以下为下部芯管段，所述下部芯管段与所述外筒花键连接，且所述下部芯管段的下端伸出所述外筒之外，所述环形挡板以上为上部芯管段，所述上部芯管段与所述上接头的下部内侧围成环形空间；
弹簧，设于所述环形空间，所述弹簧的上端抵靠于所述台阶面，所述弹簧的下端抵靠于所述环形挡板的上表面；
下接头，位于所述外筒的下方，并与所述下部芯管段的下端连接。
以下为对本发明的PDC钻头减振增扭装置的多项进一步改进之处：
其中，所述花键为螺旋花键，包括设于所述外筒内壁上的螺旋内花键和设于所述下部芯管段外壁上的螺旋外花键。
其中，所述弹簧为蝶形弹簧。
其中，所述上接头的上端设有用于与钻柱连接的上接头螺纹；所述下接头的下端设有用于与钻头连接的下接头螺纹。
采用了上述技术方案后，本发明的PDC钻头减振增扭装置在井下钻进时，其上接头与钻柱相连，下接头与钻头相连。正常工况下，钻柱施加的钻压通过上接头压缩弹簧，将钻压传递给芯管和下接头，最终施加于钻头之上；同时，钻柱带动上接头和外筒一起回转，通过花键将扭矩传递给芯管和下接头，最终带动钻头一同回转，实现钻进。
钻遇非均质硬岩地层时，钻头切削阻力增大，钻头被迫向上移动，推动芯管沿螺旋花键旋转上升，弹簧受压变形，缓冲由此产生的振动。与此同时，随着钻头上移，切削齿与岩石接触面积减小，切削齿刃前岩石所受应力增大，同时由于钻头旋转上升，提供了额外扭矩，增强了钻头破岩能力。
综上所述，本发明的PDC钻头减振增扭装置，使钻头与钻柱之间的刚性连接转化为柔性连接，减弱了PDC钻头在钻进过程中所产生的振动，避免了由振动导致的切削齿损坏，延长了钻头使用寿命；同时，钻头旋转上升过程中，切削齿与岩石的接触面积减小而切削作用力增大，提高了钻头的削齿破岩能力。
附图说明
图1是本发明实施例的PDC钻头减振增扭装置结构剖视示意图；
图2是图1中的上接头结构剖视示意图；
图3是图1中的芯管结构剖视示意图；
图4是图1中的A-A剖视示意图；
图5是本发明实施例的PDC钻头减振增扭装置正常工况下钻进示意图；
图6是本发明实施例的PDC钻头减振增扭装置钻遇非均质硬岩地层示意图；
图中：1-上接头；11-台阶面；2-蝶形弹簧；3-芯管；31-环形挡板；311-环形挡板上表面；312-环形挡板下表面；32-上部芯管段；33-下部芯管段；331-螺旋外花键；34-芯管内腔；4-外筒；41-螺旋内花键；5-下接头；6-钻头；61-切削齿；7A-均质地层；7B-非均质硬岩地层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的PDC钻头减振增扭装置的具体实施方式做进一步详细说明。
如图1、图2、图3和图4共同所示，本发明实施例的PDC钻头减振增扭装置，包括：筒体，筒体具有沿其轴向贯通的筒体内腔，该筒体由外筒4和上接头1螺纹连接而成，上接头1的上端设有用于与钻柱连接的上接头螺纹，该上接头螺纹为母螺纹，在上接头1的下部内侧设有与其轴向垂直的台阶面11。在筒体内腔中设置芯管3，芯管3具有沿其轴向贯通的芯管内腔34，芯管内腔34为钻井液提供通道，在芯管3的外周上设有与其轴向垂直的环形挡板31，其中，环形挡板下表面312支撑于外筒4的上端面，环形挡板31以下为下部芯管段33，下部芯管段33与外筒4花键连接，并且下部芯管段33的下端伸出外筒4底部的通孔之外，该花键优选为螺旋花键，螺旋花键包括设于外筒4内壁上的螺旋内花键41和设于下部芯管段33外壁上的螺旋外花键331；环形挡板31以上为上部芯管段32，该上部芯管段32与上接头1的下部内侧围成环形空间。在环形空间中设有弹簧，该弹簧优选为蝶形弹簧2，蝶形弹簧2的上端抵靠于台阶面11，蝶形弹簧2的下端抵靠于环形挡板上表面311。在外筒4的下方设有与下部芯管段33的下端螺纹连接的下接头5，下接头5的下端设有用于与钻头连接的下接头螺纹，该下接头螺纹为母螺纹。
本发明实施例的PDC钻头减振增扭装置工作过程如下：
如图5所示，正常钻井工况下，对均质地层7A进行钻进时，钻柱施加的钻压通过上接头1压缩碟形弹簧2，将钻压传递给芯管3和下接头5，最终施加于钻头6之上；同时，钻柱带动上接头1和外筒4一起回转，通过螺旋花键将扭矩传递给芯管3和下接头5，带动钻头6一同回转，切削齿61进行切削，实现对均质地层7A的钻进。
如图6所示，钻遇非均质硬岩地层7B时，钻头6切削阻力增大，钻头6被迫向上移动，推动芯管3沿螺旋花键旋转上升(图中箭头所示)，碟形弹簧2受压变形，进而缓冲由此产生的振动；与此同时，随着钻头6上移(图中示意上移距离为H)，切削齿61与岩石接触面积减小，切削齿刃前岩石所受应力增大，同时由于钻头6旋转上升，提供了额外扭矩，增强了钻头6的破岩能力。
综上所述，本发明的PDC钻头减振增扭装置，用于井下作业，使钻头与钻柱间的刚性连接转化为柔性连接，减弱了PDC钻头在钻进过程中所产生的振动，避免了由振动导致的切削齿损坏，延长了钻头使用寿命；同时，钻头旋转上升过程中，切削齿与岩石的接触面积减小而切削作用力增大，提高了钻头的破岩能力。
以上所述仅是本发明较佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识，本发明的保护范围以权力要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.PDC钻头减振增扭装置，其特征在于，包括：
筒体，所述筒体具有沿其轴向贯通的筒体内腔，所述筒体由外筒和上接头连接而成，所述上接头的下部内侧设有与其轴向垂直的台阶面；
芯管，设置于所述筒体内腔，所述芯管具有沿其轴向贯通的芯管内腔，所述芯管的外周上设有与其轴向垂直的环形挡板，所述环形挡板的下表面支撑于所述外筒的上端面，所述环形挡板以下为下部芯管段，所述下部芯管段与所述外筒花键连接，且所述下部芯管段的下端伸出所述外筒之外，所述环形挡板以上为上部芯管段，所述上部芯管段与所述上接头的下部内侧围成环形空间；
弹簧，设于所述环形空间，所述弹簧的上端抵靠于所述台阶面，所述弹簧的下端抵靠于所述环形挡板的上表面；
下接头，位于所述外筒的下方，并与所述下部芯管段的下端连接。
2.如权利要求1所述的PDC钻头减振增扭装置，其特征在于，所述花键为螺旋花键，包括设于所述外筒的内壁上的螺旋内花键和设于所述下部芯管段的外壁上的螺旋外花键。
3.如权利要求1或2所述的PDC钻头减振增扭装置，其特征在于，所述弹簧为蝶形弹簧。
4.如权利要求1所述的PDC钻头减振增扭装置，其特征在于，所述上接头的上端设有用于与钻柱连接的上接头螺纹。
5.如权利要求1所述的PDC钻头减振增扭装置，其特征在于，所述下接头的下端设有用于与钻头连接的下接头螺纹。
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