CN108756731A - 一种具有轴向冲击能力的pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，包括钻头体、PDC齿、外壳、铁砧，其特征在于：钻头体从上至下设置有液动马达、柱面凸轮、环空锤体，所述液动马达固定在钻头外壳上，液动马达的轴与柱面凸轮相连接，柱面凸轮与环空锤体配合连接，在液动马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。该钻头的冲击装置具有结构简单、易操作、冲击功可调、传递效率高等优点，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探等领域，具体涉及一种具有轴向冲击能力的PDC钻头。
背景技术
随着浅层油气资源日趋枯竭，钻井工程逐渐向深井、超深井等环境条件严峻的领域发展，随着井深的增加，岩石破碎的难度会大大增加，导致钻头破岩效率不高，钻井速度大幅下降。传统的旋转钻井方式碰到硬地层时，钻井效率降低，钻井周期更长，成本更高。现场实践和室内实验研究表明，对钻头施加一定周期性的冲击力，有助于提高钻头的破岩效率，提高机械钻速，因此，冲击器已成为深部地层高效破岩技术的有益补充，已经成为深井钻井提速的一个重要技术手段。现有能产生轴向冲击的液动冲击器大都依靠换向阀实现，其容易因钻井液的冲蚀导致开关阀件损坏从而造成整个冲击器性能不稳定，使用和维护较困难、存在易损件导致寿命短等，这些问题使得液动冲击器不能在生产实践中大规模推广应用。
江汉石油钻头股份有限公司提出一种轴向振动冲击器（CN201520569786.9），这种冲击器依靠上下凸轮的相互配合，使得整个动力钻具及钻柱整体上移达到最高点后自由下落，产生冲击力。这样的结构有以下缺陷：1、钻柱的质量与钻压太大，需要过大的扭矩才能将其提升，动力钻具在冲击过程中也要受到冲击，将会影响动力工具的寿命和工作稳定性；2、上凸轮与钻柱从最高点自由下落，撞击下凸轮通过下凸轮轴将冲击力传递给钻头，冲击力的大小由钻压与凸轮的振幅控制，不方便冲击力的大小的调节，且冲击力需要通过上、下凸轮、下主轴等来传递，其效率太低下，不利于冲击力的传递。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提出一种具有轴向冲击能力的PDC钻头。该钻头的冲击装置具有结构简单、易操作、冲击功可调、传递效率高等优点，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，包括钻头体、PDC齿、外壳、铁砧，其特征在于：钻头体从上至下设置有液动马达、柱面凸轮、环空锤体；所述液动马达固定在钻头外壳上，液动马达的轴与柱面凸轮相连接，柱面凸轮与环空锤体配合连接，在液动马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。
上述方案中，在液动马达、柱面凸轮、环空锤体上都设置有排液孔。现有的液压马达技术非常成熟，利用它给柱面凸轮提高扭矩和转速，柱面凸轮与环空锤体相互配合，凸轮在液压马达的带动下将环空锤体向上提升，达到最高点时，此时，在液压马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。这样就会在封闭腔室形成憋压，高压液体给环空锤体一定液柱压力，这样环空锤体在自身重力与液柱压力的作用下加速下落，直接冲击铁砧，将冲击力直接传递给钻头体，这样的冲击装置结构简单、易操作、冲击功可调、传递效率高等优点，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。其中封闭腔室的进口是由液动马达的出口26以及液动马达的排液孔71构成，封闭腔室的出口是由环空锤体的排液孔73构成，如图1、3、6所示。
作为选择，所述液动马达为叶片式液动马达。
上述方案中，叶片式液动马达能够根据冲击器的冲击功与冲击频率来确定叶片式液动马达的转速和扭矩，拓宽钻头的适用范围。
作为选择，所述柱面凸轮设置有至少2个斜面凸起，且凸起平均分布在柱面凸轮上。
上述方案中，至少2个斜面凸起，且平均分在柱面凸轮上，这样凸轮在提升环空锤体时受力更加均匀，防止环空锤体受力不均而导致的别卡现象，从而提高冲击装置的使用寿命。
作为选择，所述柱面凸轮的斜面凸起高度h取值范围为10-100mm。
上述方案中，柱面凸轮斜面凸起的高度h就是冲击装置的冲击行程，通过调整冲击行程的高度来获得不同冲击功。针对不同硬度不同岩性的岩石，其破碎功不同，从而相应来调整冲击装置的破碎功，满足不同地层的钻进需求。将冲击装置的行程限定在一定范围内，若行程太小，获得冲击功太小，不能有效给钻头提供轴向冲击力，若行程太大，需要扭矩太大、增加液动马达的负荷，减小冲击装置的寿命。
作为选择，所述环空锤体上设置有至少2颗滚珠，滚珠与柱面凸轮的斜面凸起形成滚动接触。
上述方案中，在环空锤体上设置有至少2颗滚珠，滚珠与柱面凸轮接触，形成滚动副，这样柱面凸轮在抬升环空锤体时，变滑动为滚动，减少摩擦力，从而减少扭矩，提高柱面凸轮的提升效率。
作为选择，在液动马达与环空锤体之间设置有弹性元件。
上述方案中，在液动马达与环空锤体之间设置有弹性元件，这样环空锤体在柱面凸轮抬升向上，压缩弹簧，到最高点时，环空锤体在液柱压力、自身重力、弹性力作用下加速向下运动，在液柱压力与重力不能满足冲击功的情况下，设置弹性元件来增加冲击功，即使弹性元件失效后，也不会影响冲击器的正常工作。
作为选择，在液动马达的轴上设置有防憋水孔。
上述方案中，在液压马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，在封闭腔室会形成憋压，给环空锤体一个液柱压力，在液动马达的轴上设置有防憋水孔，能够防止封闭腔室内压力过大，柱面凸轮不能将环空锤体抬升。这样能够防止柱面凸轮提前失效，从而延长冲击装置的工作寿命。
本发明的有益效果：
1、本发明的冲击装置依靠液动马达提供动力，能获得稳定的转速和扭矩，通过转速来调节冲击装置的冲击频率，依靠扭矩来调节冲击器冲击功，具有冲击功、频率可调的特点。
2、环空锤体在自身重力、液柱压力、弹性力的综合作用下加速向下冲击铁砧，这样能够获得较大冲击功，能显著提高钻头吃入岩石的深度，从而提高钻头的破岩效率。
3、冲击装置依靠柱面凸轮与环空锤体相互配合来实现冲击功能，具有结构简单、易操作、传递效率高等优点。
附图说明
图1为本发明专利的结构示意图；
图2为图1中A-A截面图；
图3为液动马达示意图；
图4为柱面凸轮示意图；
图5为图4的正视图；
图6为环空锤体的示意图。
其中1-外壳、2-液动马达、21-液动马达上封盖、22-液动马达外壳、23-叶片、24-液动马达转轴、25-液动马达下封盖、26-液动马达出口、27-防憋水孔、3-弹性元件、41-柱面凸轮、42-斜面凸起、51-环空锤体、52-滚珠、6-铁砧、71-液动马达排液孔、72-柱面凸轮排液孔、73-环空锤体排液孔、8封闭腔室、9-钻头体、91-PDC齿。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，包括钻头体9、PDC齿91、外壳1、铁砧6，其特征在于：钻头体从上至下设置有液动马达2、柱面凸轮41、环空锤体51；所述液动马达2固定在钻头外壳1上，液动马达的轴24与柱面凸轮41相连接，柱面凸轮41与环空锤体51配合连接，在液动马达2与环空锤体51之间形成一个封闭腔室8，且封闭腔室的进口面积大于出口面积，如图1所示。
作为优选，所述液动马达2为叶片式液动马达，如图1、2所示 。
作为优选，所述柱面凸轮41设置有至少2个斜面凸起42，且凸起42平均分布在柱面凸轮上，如图4所示。
作为优选，所述柱面凸轮的斜面凸起42高度h取值范围为10-100mm，如图5所示。
作为优选，所述环空锤体51上设置有至少2颗滚珠52，滚珠52与柱面凸轮41的斜面凸起42形成滚动接触，如图1所示。
作为优选，在液动马达2与环空锤体51之间设置有弹性元件3，如图1所示。
作为优选，在液动马达2的轴24上设置有防憋水孔27，如图3所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，包括钻头体、PDC齿、外壳、铁砧，其特征在于：钻头体从上至下设置有液动马达、柱面凸轮、环空锤体，所述液动马达固定在钻头外壳上，液动马达的轴与柱面凸轮相连接，柱面凸轮与环空锤体配合连接，在液动马达与环空锤体之间形成一个封闭腔室，且封闭腔室的进口面积大于出口面积。
2.根据权利要求1所述的一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，其特征在于：所述液动马达为叶片式液动马达。
3.根据权利要求1所述的一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，其特征在于：所述柱面凸轮设置有至少2个斜面凸起，且凸起平均分布在柱面凸轮上。
4.根据权利要求3所述的一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，其特征在于：所述柱面凸轮的斜面凸起高度h取值范围为10-100mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，其特征在于：所述环空锤体上设置有至少2颗滚珠，滚珠与柱面凸轮的斜面凸起形成滚动接触。
6.根据权利要求1所述的一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，其特征在于：在液动马达与环空锤体之间设置有弹性元件。
7.根据权利要求1所述的一种具有轴向冲击能力的PDC钻头，其特征在于：在液动马达的轴上设置有防憋水孔。
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