CN108952583B - 复合旋切式pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明为一种复合旋切式PDC钻头，包括本体上壳体，本体上壳体内自上而下转动穿设连接钻具接头，本体上壳体的下部转动套设有能与钻具接头同步转动的本体下壳体，本体下壳体的底端呈径向对称设置至少两个钻头刀翼，本体下壳体的底端还呈径向对称设置至少两个旋切轮，且旋切轮和钻头刀翼沿周向均匀交错设置；钻头刀翼能随钻具接头同向旋转，旋切轮能随钻具接头同向周转且能反向自转。该复合旋切式PDC钻头在钻头刀翼破岩的同时旋切轮反向旋切破岩，实现硬塑性地层下机械交叉式破岩，有效提高钻井效率和对硬塑性地层的适应性，缩短钻井周期，提高勘探开发效益。

Description

复合旋切式PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种能在硬塑性地层下实现机械交叉式破岩的复合旋切式PDC钻头。

背景技术

随着石油勘探开发力度的加大，各种复杂地质地层下井的钻探工作量呈现出逐年上升的趋势。但是，在对硬塑性岩层钻井地过程中遇到了诸多问题，由于硬塑性岩层具有一定的塑性，在钻进过程中施加的钻压使得岩石产生塑性变形，导致普通PDC钻头切削齿无法很好的吃入地层，不但增加了钻井周期，而且加快了钻头的磨损。从而导致了延误工期，同时也加大钻井成本，亟需新的钻井技术来提高钻井速度，缩短钻井周期，提高勘探开发效益。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种复合旋切式PDC钻头，实现硬塑性地层下机械交叉式高效破岩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合旋切式PDC钻头，在钻头刀翼破岩的同时旋切轮反向旋切破岩，实现硬塑性地层下机械交叉式破岩，有效提高钻井效率和对硬塑性地层的适应性，缩短钻井周期，提高勘探开发效益。

本发明的目的是这样实现的，一种复合旋切式PDC钻头，包括内部中空且能固定的本体上壳体，所述本体上壳体内自上而下转动穿设连接钻具接头，所述本体上壳体的下部转动套设有能与所述钻具接头同步转动的本体下壳体，所述钻具接头上沿轴向贯通设置钻井液上流道，所述本体下壳体上沿轴向设置顶部开口且与所述钻井液上流道连通的钻井液下流道，所述钻井液下流道的底部沿周向间隔设置多个贯通的喷嘴；所述本体下壳体的底端呈径向对称设置至少两个钻头刀翼，所述本体下壳体的底端还呈径向对称设置至少两个旋切轮，且所述旋切轮和所述钻头刀翼沿周向均匀交错设置；所述钻头刀翼能随所述钻具接头同向旋转，所述旋切轮能随所述钻具接头同向周转且能反向自转。

在本发明的一较佳实施方式中，所述本体上壳体和所述本体下壳体内设有能驱动所述旋切轮转动的传动结构；所述传动结构包括多个穿设通过所述本体下壳体的齿轮轴，各所述齿轮轴的底部固定连接一所述旋切轮，所述本体上壳体的内壁上设置有内齿轮部，各齿轮轴的上部设置有能与所述内齿轮部转动啮合的小齿轮。

在本发明的一较佳实施方式中，所述本体下壳体上呈径向对称地贯通设置至少两个齿轮轴过孔，所述齿轮轴过孔与所述旋切轮的数量相同；各所述齿轮轴过孔内分别密封转动穿设一所述齿轮轴，各所述齿轮轴的底端固定连接一所述旋切轮；所述钻具接头的底端与各所述齿轮轴过孔对应设置的齿轮轴槽孔，各所述齿轮轴的顶端转动套设于所述齿轮轴槽孔内；所述钻具接头的底端和所述本体下壳体的顶端之间呈轴向间隔设置，所述本体上壳体位于所述钻具接头的底端和所述本体下壳体的顶端之间设置所述内齿轮部，各所述齿轮轴上与所述内齿轮部轴向相对的位置分别固定连接一所述小齿轮，各所述小齿轮能与所述内齿轮部转动啮合，各所述小齿轮的底部端面能与所述本体下壳体的顶部端面轴向抵靠。

在本发明的一较佳实施方式中，所述齿轮轴包括基础轴部，所述基础轴部的顶部向上延伸设置直径呈减小设置的连接轴部，所述齿轮轴过孔包括基础轴孔部，所述基础轴孔部的上方连通设置孔径呈减小设置的连接轴孔部，所述连接轴部的外壁与所述连接轴孔部的内壁之间密封抵靠，所述基础轴部的外壁与所述基础轴孔部的内壁之间密封抵靠，所述基础轴部的顶面与所述基础轴孔部的顶面抵靠接触。

在本发明的一较佳实施方式中，所述本体上壳体位于所述内齿轮部的上方设置上连接孔，所述钻具接头的下部外壁与所述上连接孔的内壁之间转动抵靠；所述本体上壳体位于所述内齿轮部的下方设置下连接孔，所述本体下壳体的上部外壁与所述下连接孔的内壁之间转动抵靠；所述下连接孔的孔径尺寸大于所述内齿轮部的孔径尺寸，所述本体下壳体的顶部端面顶抵于所述下连接孔的顶部端面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻具接头的外壁上设置直径呈增大设置的接头台阶部，所述接头台阶部的底部端面抵靠于所述本体上壳体的顶部端面上，所述本体上壳体的上部外壁设置有壳体环槽，所述壳体环槽内固定套设第一卡设环体，所述第一卡设环体的外壁上部固定套设第二卡设环体，所述第二卡设环体的上部与钻杆外圈的固定部固定连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述钻具接头的底端向下延伸设置直径呈减小设置的接头凸柱部，所述接头凸柱部的下部固定穿设于所述钻井液下流道内，各所述小齿轮的外壁与所述接头凸柱部的外壁之间呈间隔设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述旋切轮包括与所述齿轮轴固定连接的轮盘，所述轮盘的底部沿周向均匀间隔设置多个旋切齿组。

在本发明的一较佳实施方式中，所述本体下壳体的底端还呈径向对称设置至少两个PDC齿，所述PDC齿、所述旋切轮和所述钻头刀翼沿周向均匀交错设置。

由上所述，本发明的复合旋切式PDC钻头具有如下有益效果：

本发明的复合旋切式PDC钻头中，在钻头刀翼随钻具接头同向旋转破岩的同时，旋切轮反向旋切破岩，构成两个方向的破岩动作，实现硬塑性地层下机械交叉式破岩，有效地克服了钻进过程中切削齿对硬塑性地层难以吃入的问题，提高对硬塑性地层的适应性，既提高了钻井的效率、缩短钻井周期，又减少了钻头的磨损，大大降低钻井成本，提高了勘探开发的效益。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的复合旋切式PDC钻头的剖视图。

图2：为本发明的复合旋切式PDC钻头的外观图。

图3：为本发明的复合旋切式PDC钻头的仰视图。

图4：为图1中A-A剖视图。

图5：为本发明的钻具接头的外观图。

图6：为本发明的钻具接头的剖视图。

图7：为本发明的本体上壳体的剖视图。

图中：

100、复合旋切式PDC钻头；

1、本体上壳体；

11、上连接孔；12、下连接孔；13、壳体环槽；14、第一卡设环体；15、第二卡设环体；

2、钻具接头；

21、钻井液上流道；22、齿轮轴槽孔；23、接头台阶部；24、接头凸柱部；25、锥螺纹部；

3、本体下壳体；

31、钻井液下流道；32、喷嘴；

4、钻头刀翼；

5、旋切轮；

51、轮盘；52、旋切齿组；

61、齿轮轴；62、内齿轮部；63、小齿轮；

7、PDC齿。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图7所示，本发明提供一种复合旋切式PDC钻头100，包括内部中空且能固定的本体上壳体1，本体上壳体1内自上而下转动穿设连接钻具接头2，在本实施方式中，钻具接头2位于本体上壳体1的上方设置锥螺纹部25，钻具接头2通过锥螺纹部25与上部的钻杆连接；本体上壳体1的下部转动套设有能与钻具接头2同步转动的本体下壳体3，本体上壳体1与本体下壳体3之间通过密封圈实现密封；钻具接头2上沿轴向贯通设置钻井液上流道21，本体下壳体3上沿轴向设置顶部开口且与钻井液上流道21连通的钻井液下流道31，钻井液下流道31的底部沿周向间隔设置多个贯通的喷嘴32，钻井液上流道21和钻井液下流道31构成钻井液的整体流道，钻井液通过钻井液上流道21、钻井液下流道31和喷嘴32流向钻头底部，达到液体辅助破岩与冲洗钻头的效果；

本体下壳体3的底端呈径向对称设置至少两个钻头刀翼4，本体下壳体3的底端还呈径向对称设置至少两个旋切轮5，且旋切轮5和钻头刀翼4沿周向均匀交错设置；钻头刀翼4能随钻具接头2同向旋转，旋切轮5能随钻具接头2同向周转且能反向自转。即钻具接头2顺时针转动时，本体下壳体3上的钻头刀翼4随之顺时针转动，旋切轮5绕本体下壳体3的中心轴顺时针周转同时旋切轮5绕自身中心轴逆时针自转。

本发明的复合旋切式PDC钻头100中，在钻头刀翼随钻具接头2同向旋转破岩的同时，旋切轮5反向旋切破岩，构成两个方向的破岩动作，实现硬塑性地层下机械交叉式破岩，有效地克服了钻进过程中切削齿对硬塑性地层难以吃入的问题，提高对硬塑性地层的适应性，既提高了钻井的效率、缩短钻井周期，又减少了钻头的磨损，大大降低钻井成本，提高了勘探开发的效益。

进一步，如图1所示，本体上壳体1和本体下壳体3内设有能驱动旋切轮5转动(随钻具接头2的同向周转和旋切轮5的反向自转，此处反向是指旋转方向与钻具接头2的旋转方向相反的旋向)的传动结构；传动结构包括多个穿设通过本体下壳体3的齿轮轴61，各齿轮轴61的底部固定连接一旋切轮5，本体上壳体1的内壁上设置有内齿轮部62，各齿轮轴61的上部固定设置有能与内齿轮部62转动啮合的小齿轮63。

进一步，如图1、图4所示，本体下壳体3上呈径向对称地贯通设置至少两个齿轮轴过孔，齿轮轴过孔与旋切轮5的数量相同；各齿轮轴过孔内分别密封转动穿设一齿轮轴61，各齿轮轴61的底端固定连接一旋切轮5；钻具接头2的底端与各齿轮轴过孔对应设置的齿轮轴槽孔22，各齿轮轴61的顶端转动套设于齿轮轴槽孔22内，在本实施方式中，齿轮轴61的顶端与齿轮轴槽孔22之间呈间隙配合；钻具接头2的底端和本体下壳体3的顶端之间呈轴向间隔设置，如图7所示，本体上壳体1位于钻具接头2的底端和本体下壳体3的顶端之间设置内齿轮部62，各齿轮轴61上与内齿轮部62轴向相对的位置分别固定连接一小齿轮63(小齿轮63的固定方式可以是平键加卡环方式，还可以是螺母固定方式，还可以是其他可以将小齿轮63固定连接于齿轮轴61上的连接方式)，各小齿轮63能与内齿轮部62转动啮合，各小齿轮63的底部端面能与本体下壳体3的顶部端面轴向抵靠，实现齿轮轴61的轴向限位(避免齿轮轴61下滑脱落)。钻具接头2旋转的同时带动各齿轮轴61绕本体下壳体3的中心轴同向周转，同时齿轮轴61上部的小齿轮63与内齿轮部62转动啮合并绕自身轴向转动，形成与周转方向相反的自转，从而实现旋切轮5的周转和自转。

进一步，齿轮轴61包括基础轴部，基础轴部的顶部向上延伸设置直径呈减小设置的连接轴部，齿轮轴过孔包括基础轴孔部，基础轴孔部的上方连通设置孔径呈减小设置的连接轴孔部，连接轴部的外壁与连接轴孔部的内壁之间密封抵靠，在本实施方式中，连接轴部与连接轴孔部之间通过密封圈实现密封；基础轴部的外壁与基础轴孔部的内壁之间密封抵靠，在本实施方式中，基础轴部与基础轴孔部之间通过密封圈实现密封；基础轴部的顶面与基础轴孔部的顶面抵靠接触，实现齿轮轴61的轴向限位(避免齿轮轴61向上窜动)。

进一步，如图1、图7所示，本体上壳体1位于内齿轮部的上方设置上连接孔11，钻具接头2的下部外壁与上连接孔11的内壁之间转动抵靠；在本实施方式中，钻具接头2的下部外壁与上连接孔11的内壁之间形成间隙配合，在间隙中加以润滑物质，使得钻具接头2能够顺利地相对本体下壳体3转动；本体上壳体1位于内齿轮部62的下方设置下连接孔12，本体下壳体3的上部外壁与下连接孔12的内壁之间转动抵靠；在本实施方式中，本体下壳体3的上部外壁与下连接孔12的内壁之间形成间隙配合，在间隙中加以润滑物质，使得本体下壳体3能够顺利地相对本体下壳体3转动；下连接孔12的孔径尺寸大于内齿轮部62的孔径尺寸，本体下壳体3的顶部端面顶抵于下连接孔12的顶部端面上，下连接孔12的顶部端面对本体下壳体3进行轴向顶部限位。

进一步，如图1、图5、图6和图7所示，钻具接头2的外壁上设置直径呈增大设置的接头台阶部23，接头台阶部23的底部端面抵靠于本体上壳体1的顶部端面上，本体上壳体1的上部外壁设置有壳体环槽13，壳体环槽13内固定套设第一卡设环体14，第一卡设环体14的外壁上部固定套设第二卡设环体15，第二卡设环体15的上部与钻杆外圈的固定部(现有技术)固定连接。本体上壳体1通过第一卡设环体14和第二卡设环体15实现与钻杆外圈的固定部的固定连接，从而使其能够轴向和周向固定。

进一步，如图1、图4、图5和图6所示，钻具接头2的底端向下延伸设置直径呈减小设置的接头凸柱部24，接头凸柱部24的下部固定穿设于钻井液下流道31内，各小齿轮63的外壁与接头凸柱部24的外壁之间呈间隔设置。各小齿轮63的底部端面与本体下壳体3的顶部端面轴向抵靠，接头凸柱部24上设置有直径呈增大设置的凸柱台阶部，各小齿轮63的顶部端面与凸柱台阶部的底面轴向抵靠。在本实施方式中，接头凸柱部24通过连接螺纹固定连接于钻井液下流道31内，本体下壳体3通过接头凸柱部24实现与钻具接头2的固定连接。

进一步，如图1、图3所示，旋切轮5包括与齿轮轴61固定连接的轮盘51，轮盘51的底部沿周向均匀间隔设置多个旋切齿组52。旋切齿组52的切削部与钻头刀翼4的切削部呈相反旋向设置。在本实施方式中，旋切齿组52的数量为3个，相邻两个旋切齿组52之间的夹角为120°。

进一步，如图2、图3所示，本体下壳体3的底端还呈径向对称设置至少两个PDC齿7，PDC齿7、旋切轮5和钻头刀翼4沿周向均匀交错设置。

在本发明的一具体实施例中，本体下壳体3的底端设置2个钻头刀翼4、2个PDC齿7和2个旋切轮5，PDC齿7、旋切轮5和钻头刀翼4沿周向均匀交错设置；本体下壳体3的底端设置6个与钻井液下流道31连通的喷嘴32，其中2个喷嘴32分别设置于一旋切轮5和一钻头刀翼4之间，2个喷嘴32分别设置于2个钻头刀翼4的排屑槽(现有技术)处，2个喷嘴32径向对称设置于本体下壳体3的底端中心处。

使用本发明的复合旋切式PDC钻头进行硬塑性地层钻削时，将钻具接头2的顶部与上部的钻杆连接，本体上壳体1与钻杆外圈的固定部固定连接；启动上部钻井装置，钻杆带动钻具接头2转动，设定其转动方向为顺时针转动，钻具接头2通过齿轮轴槽孔22内卡设的齿轮轴61带动本体下壳体3相对本体上壳体1顺时针转动，钻头刀翼4随本体下壳体3顺时针转动，在岩层切出沟槽，旋切轮5随本体下壳体3绕本体下壳体3的中心轴顺时针周转，同时小齿轮63与内齿轮部62转动啮合并绕自身轴向逆时针转动，旋切轮5随齿轮轴61逆时针自转，与岩层上的沟槽形成交叉旋切，最终达到理想的破岩效果。

由上所述，本发明的复合旋切式PDC钻头具有如下有益效果：

本发明的复合旋切式PDC钻头中，在钻头刀翼随钻具接头同向旋转破岩的同时，旋切轮反向旋切破岩，构成两个方向的破岩动作，实现硬塑性地层下机械交叉式破岩，有效地克服了钻进过程中切削齿对硬塑性地层难以吃入的问题，提高对硬塑性地层的适应性，既提高了钻井的效率、缩短钻井周期，又减少了钻头的磨损，大大降低钻井成本，提高了勘探开发的效益。

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，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种复合旋切式PDC钻头，其特征在于，包括内部中空且能固定的本体上壳体，所述本体上壳体内自上而下转动穿设连接钻具接头，所述本体上壳体的下部转动套设有能与所述钻具接头同步转动的本体下壳体，所述钻具接头上沿轴向贯通设置钻井液上流道，所述本体下壳体上沿轴向设置顶部开口且与所述钻井液上流道连通的钻井液下流道，所述钻井液下流道的底部沿周向间隔设置多个贯通的喷嘴；所述本体下壳体的底端呈径向对称设置至少两个钻头刀翼，所述本体下壳体的底端还呈径向对称设置至少两个旋切轮，且所述旋切轮和所述钻头刀翼沿周向均匀交错设置；所述钻头刀翼能随所述钻具接头同向旋转，所述旋切轮能随所述钻具接头同向周转且能反向自转；

所述本体上壳体和所述本体下壳体内设有能驱动所述旋切轮转动的传动结构；所述传动结构包括多个穿设通过所述本体下壳体的齿轮轴，各所述齿轮轴的底部固定连接一所述旋切轮，所述本体上壳体的内壁上设置有内齿轮部，各齿轮轴的上部设置有能与所述内齿轮部转动啮合的小齿轮。

2.如权利要求1所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述本体下壳体上呈径向对称地贯通设置至少两个齿轮轴过孔，所述齿轮轴过孔与所述旋切轮的数量相同；各所述齿轮轴过孔内分别密封转动穿设一所述齿轮轴，各所述齿轮轴的底端固定连接一所述旋切轮；所述钻具接头的底端与各所述齿轮轴过孔对应设置的齿轮轴槽孔，各所述齿轮轴的顶端转动套设于所述齿轮轴槽孔内；所述钻具接头的底端和所述本体下壳体的顶端之间呈轴向间隔设置，所述本体上壳体位于所述钻具接头的底端和所述本体下壳体的顶端之间设置所述内齿轮部，各所述齿轮轴上与所述内齿轮部轴向相对的位置分别固定连接一所述小齿轮，各所述小齿轮能与所述内齿轮部转动啮合，各所述小齿轮的底部端面能与所述本体下壳体的顶部端面轴向抵靠。

3.如权利要求2所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述齿轮轴包括基础轴部，所述基础轴部的顶部向上延伸设置直径呈减小设置的连接轴部，所述齿轮轴过孔包括基础轴孔部，所述基础轴孔部的上方连通设置孔径呈减小设置的连接轴孔部，所述连接轴部的外壁与所述连接轴孔部的内壁之间密封抵靠，所述基础轴部的外壁与所述基础轴孔部的内壁之间密封抵靠，所述基础轴部的顶面与所述基础轴孔部的顶面抵靠接触。

4.如权利要求1所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述本体上壳体位于所述内齿轮部的上方设置上连接孔，所述钻具接头的下部外壁与所述上连接孔的内壁之间转动抵靠；所述本体上壳体位于所述内齿轮部的下方设置下连接孔，所述本体下壳体的上部外壁与所述下连接孔的内壁之间转动抵靠；所述下连接孔的孔径尺寸大于所述内齿轮部的孔径尺寸，所述本体下壳体的顶部端面顶抵于所述下连接孔的顶部端面上。

5.如权利要求4所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述钻具接头的外壁上设置直径呈增大设置的接头台阶部，所述接头台阶部的底部端面抵靠于所述本体上壳体的顶部端面上，所述本体上壳体的上部外壁设置有壳体环槽，所述壳体环槽内固定套设第一卡设环体，所述第一卡设环体的外壁上部固定套设第二卡设环体，所述第二卡设环体的上部与钻杆外圈的固定部固定连接。

6.如权利要求1所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述钻具接头的底端向下延伸设置直径呈减小设置的接头凸柱部，所述接头凸柱部的下部固定穿设于所述钻井液下流道内，各所述小齿轮的外壁与所述接头凸柱部的外壁之间呈间隔设置。

7.如权利要求1所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述旋切轮包括与所述齿轮轴固定连接的轮盘，所述轮盘的底部沿周向均匀间隔设置多个旋切齿组。

8.如权利要求1所述的复合旋切式PDC钻头，其特征在于，所述本体下壳体的底端还呈径向对称设置至少两个PDC齿，所述PDC齿、所述旋切轮和所述钻头刀翼沿周向均匀交错设置。