CN109458137A - 智能钻压自适应金刚石pdc钻头 - Google Patents

Abstract

一种智能钻压自适应金刚石PDC钻头，包含PDC钻头主体，所述PDC钻头主体的头部间隔设有多条钻头刀翼，各钻头刀翼上设有多个钻头切削齿单元，各钻头刀翼之间设置有钻头排屑槽，在钻头刀翼上设置有多个智能自适应吸震组件，各智能自适应吸震组件分别嵌入刀翼上特殊设置的安装孔内以吸收来自钻头的振动或者冲击。本发明能根据地层硬度的不同，泥浆浓度的不同，自动调整钻头切削深度，同时对钻头在钻进过程中出现粘滑等状况时，进行钻头吸震，减少冲击，保护钻头切削齿在钻进过程中因钻头的摆动造成的损坏，这样延长钻头寿命，以获得更多的钻头单次进尺，提高金刚石PDC钻头对地层适应能力和钻井效率，以获得更好的经济效率。

Description

智能钻压自适应金刚石PDC钻头

技术领域

本发明涉及钻井勘探工具的技术领域，尤其涉一种智能钻压自适应金刚石PDC钻头。

背景技术

钻井过程中，绝大部分井段会穿过大量的交互地层，而这些地层中岩性变化较快，这样就对常规的PDC钻头设计带来了挑战。传统的钻头通常只有一个固定的切削深度，并且它的设计也只针对了一种岩石类型进行了优化。一旦安装在了井下钻具组合上，然后下放到了井筒后，就不能再改动了。在某些区域内，使用固定切削深度的钻头也能稳定钻进，但是在其他区域就可能出现不稳定、效率低的情况。这是因为钻头在不同岩石类型中过渡时，会产生扭转振动，从而导致“粘滑”现象。这时钻头的咬合会变得非常激进，导致钻头被“粘”住，停止钻进。同时，钻头后面的钻杆会继续像根弹簧一下扭紧，直到钻头脱落或“滑脱”，然后钻杆就会开始不受控地旋转。“粘滑”现象会导致钻速降低，严重损坏钻头及其他部件，从而导致钻井成本大增。油田常常需要进行额外的起下钻来更换钻头或BHA。这无疑会增加大量的钻井时间。或者作业者也可能会选择就这样将就着继续钻井，但是会有达不到目标深度的风险。本款钻头在钻井中当钻头出现粘滑时能短时间内吸收震动能力和增加冲击载荷，并且及时响应，而在钻头中并没有增加电子元件，液压元件，使用寿命长，即使失效其自适应结构也就相当于钻头的一个分压平衡垫在作业，也不会影响钻头的继续使用，这样更智能的钻头这些井中会出现“粘滑”的现象时更好的保护钻头切削机构，响应、感知、适应井下情况的变化。而且这种响应是实时的，因此司钻不需要等到井下的问题反馈至地面后，然后再等更长时间来采取纠正措施。这种钻头的设计还能将冲击损伤降低到最小。钻头中设计有一个液压机械卵形元件，其端面材质为弧形金刚石复合齿或者其他金刚石孕镶齿等抗磨抗冲击元件，可以吸收任何突然出现的过载或冲击，从而防止其威胁到切割结构的完整性，其在工作时也类似与旋转截齿，能有效的对岩石进行破碎。通过该元件与刀翼切削齿的结合有效防止钻头粘滑动态产生的不稳定冲击造成切削齿的损坏，有助于延长钻头和井下钻具的寿命，增加了钻头进尺，减少了非生产时间。

目前国外某公司的同类产品其适应结构包含了大量的液压元件及平衡机构，不但技术封锁，而且制造要求较高，价格昂贵。为此，本发明的设计者通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究出本款智能钻压自适应金刚石PDC钻头，全部为机械机构，不含液压元件，橡胶元件，造价低，制造容易，使用在钻井作业中获得十分可观的经济效率。

发明内容

由此，本发明的目的在于提供一种智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其克服PDC金刚石复合片钻头在钻井作业中粘滑，停顿，瞬间冲击造成PDC钻头损坏的问题，即当钻头出现粘滑时，自适应卵形机构在弹簧压力下弹出，及时响应，此时抵抗钻具钻压，减少切削齿的切入深度，此时钻头轴向摆动得到很好的控制及能量吸收，另外当钻具突然释放压力，钻头往前冲击时该元件首先接触到井底，并且压缩内部弹簧，吸收振动及冲击载荷，对钻头切削齿进行保护，最后钻头在旋转工作时设计的自适应机构也能平衡钻头受力，边工作边旋转，类似于截齿切削岩石，有利于取得更多的进尺和延长钻头寿命，所以本发明在使用中能极大的为用户提高钻井效率，取得更好的收益。

为实现上述目的，本发明公开了一种智能钻压自适应金刚石PDC钻头，包含PDC钻头主体，其特征在于：

所述PDC钻头主体的头部间隔设有多条钻头刀翼，各钻头刀翼上设有多个钻头切削齿单元，各钻头刀翼之间设置有钻头排屑槽，在各钻头排屑槽内设置有钻头清洗水眼以对井底进行清洗和对钻头切削齿单元进行冷却，在钻头刀翼上设置有多个智能自适应吸震组件，各智能自适应吸震组件分别嵌入一安装孔内以吸收来自钻头的振动或者冲击。

其中：所述智能自适应吸震组件包含自适应压杆底座，所述自适应压杆底座的周缘设置有卡簧槽，所述卡簧槽内安装有防掉卡簧，所述安装孔包含容纳腔以及耐磨合金套安装孔，所述容纳腔位于安装孔下部，所述耐磨合金套安装孔位于上部，所述耐磨合金套安装孔固定有耐磨合金套从而使耐磨合金套与钻头刀翼形成一个整体，且所述容纳腔的直径大于耐磨合金套的内径，所述卡簧槽的外径小于防掉卡簧的内径，而防掉卡簧的常态外径大于耐磨合金套的内径。

其中：所述自适应压杆底座的下端和安装孔之间设有吸震压力弹簧。

其中：所述安装孔还设有泥浆排出口，所述泥浆排除口设置于安装孔的底端。

其中：所述自适应压杆底座的端部设有钎焊齿穴，一耐磨件设于钎焊齿穴内与自适应压杆底座形成一体。

其中：所述自适应压杆底座采用镶嵌或者钎焊方式嵌入耐磨件，所述耐磨件为金刚石孕镶齿、PDC非平面型复合片或锥形复合片，所述自适应压杆底座采用高硬结构钢。

其中：所述防掉卡簧为双开口圆环式卡簧，其材料为碳素弹簧钢。

通过上述结构，本发明能够根据地层性质的变化，主动地调节切削结构，优化切削深度，控制钻头在钻进过程中钻头粘滑现象以及振动，有利于切削结构高效更长寿命保持良好状态作业，这也帮助钻头取得了更好的钻井效益，即在更短的时间里钻更多的进尺。同时也提高钻井速度，延长其他钻具的寿命，特别是在石油钻探行业，其推广使用为客户带来客观的经济效率，缩短钻井周期，减少起下钻次数，而且，本发明的钻压自适应机构直接设计于钻头刀翼上，可以覆盖6”以上尺寸PDC钻头系列，可以根据实际需求，在设计时选择刀翼上是否安装本机构以及安装数量的多少，该设计牢固可靠，抗冲蚀，抗钻头泥包失效，无橡胶元件，无电子元件，内部尺寸紧凑，机械结构简单，泥浆流道通畅，在使用中即使旋转失效或者磨损失效，其也只相当于钻头的一个分压平衡垫，也并不影响继续钻井作业。另外内部设计有独特的卡簧旋转机构，预防在使用中出现脱落造成井底落物的事故。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的结构分解示意图。

图1A显示了图1中A-A向的剖视图。

图2显示了本发明的组合示意图。

图3显示了本发明的安装示意示意图。

附图标记：

1、PDC钻头主体；2、钻头刀翼；3、钻头切削齿单元；4、钻头排屑槽；5、钻头清洗水眼；6、智能自适应吸震组件；7、泥浆排出口；8、容纳腔；9、耐磨合金套安装孔；61、耐磨件；62、自适应压杆底座；63、耐磨合金套；64、防掉卡簧；65、吸震压力弹簧；621、钎焊齿穴；623、卡簧槽。

具体实施方式

如图1至图3所示，显示了本发明的智能钻压自适应金刚石PDC钻头。

参见图1和图1A所示，所述智能钻压自适应金刚石PDC钻头包含PDC钻头主体1，所述PDC钻头主体1设置有API螺纹接头用于与钻杆连接，所述PDC钻头主体1的头部间隔设有多条钻头刀翼2，各钻头刀翼2上设有多个钻头切削齿单元3，用于岩石切削，从而取得所需的井身结构，其寿命的长短决定钻井的速度，效率，钻头的寿命等，为PDC钻头关键部件之一，在各钻头刀翼2之间设置有钻头排屑槽4，在各钻头排屑槽4内设置有钻头清洗水眼5，各钻头清洗水眼5连通至PDC钻头主体1中的液体通道，使得钻井液通过钻头清洗水眼5对井底进行清洗，同时也能对钻头切削齿单元3进行冷却，切削产生的岩屑随钻井液泥浆一起从钻头排屑槽4一起返出地面，其中，在钻头刀翼2上设置有多个智能自适应吸震组件6，各智能自适应吸震组件6分别嵌入一安装孔内，所述智能自适应吸震组件6的端部可为卵形或者锥形，工作是可以吸收来自钻头的振动或者冲击。

如图3所示，智能自适应吸震组件6的安装位置示意，可以在刀翼上旋转是否设置本机构，也可以旋转每个刀翼的安装数量，以及安装角度。

其中，参见图1和图2，所述智能自适应吸震组件6可包含耐磨件61和自适应压杆底座62，所述耐磨件61可为弧形复合齿或者孕镶齿等耐磨件，所述自适应压杆底座62的端部设有钎焊齿穴621，所述耐磨件61可通过焊接等固定方式固定于钎焊齿穴内621与自适应压杆底座62形成一体，当然耐磨件61也可以与62自适应压杆底座一体加工而成，所述自适应压杆底座62的周缘设置有卡簧槽623，所述卡簧槽623内安装有防掉卡簧64。

其中，在钻头刀翼2上的安装孔分别包含泥浆排出口5、容纳腔8以及耐磨合金套安装孔9，所述泥浆排除口7设置于安装孔的底端，从而在智能自适应吸震组件6受到冲击压缩时，提供内部杂质泥浆的排除，避免锁死失效，所述容纳腔8位于安装孔下部，所述耐磨合金套安装孔9位于上部且直径大于所述容纳腔。

所述耐磨合金套安装孔9内可通过钎焊或者螺纹联结紧固等方法固定有耐磨合金套63，从而使耐磨合金套63与钻头刀翼2形成一个整体，且所述容纳腔8的直径小于耐磨合金套63的内径，所述自适应压杆底座62的下端和安装孔之间还设有吸震压力弹簧65，从而通过图1所示将吸震压力弹簧65放置于容纳腔内，通过压机等装配方法把已经装配焊接好的自适应压杆底座62及防掉卡簧64一起放入安装孔。

其中，所述卡簧槽623的外径小于防掉卡簧64的内径，而防掉卡簧54的常态外径大于耐磨合金套63的内径，在通过压力装配使其直径方向压缩至外径与耐磨合金套63内径相同，此时可以将智能自适应吸震组件6放入安装孔内，当穿过耐磨合金套9内孔后防掉卡簧64扩张，此时智能自适应吸震组件6受到吸震压力弹簧65的压缩推力，并且受到防掉卡簧64的限制，其可以在容纳腔8内轴向运动或者旋转运动，却不能脱落。

当钻头旋转切削时，起到分压平衡作用，当钻头在地底下受到振动，粘滑，摆动等异常情况时智能自适应吸震组件6在弹簧推力的作用下及时响应并弹出，限制切削齿瞬间切入深度，或者轴向冲击载荷瞬间过大，从而到达发明目的，保护钻头，延长寿命，提高进尺。

其中，自适应压杆底座62的端面可以采用镶嵌或者钎焊等方式放置耐磨件61，所述耐磨件可为金刚石孕镶齿，PDC非平面型复合片，锥形复合片等，所述自适应压杆底座62可采用高硬结构钢或者耐磨抗冲击材料，当然也可以是一体制造而成的零件。

其中给，所述智能自适应吸震组件，可以选择性在钻头刀翼上布置，也可以交互布置，可以设置垂直于井底，也可以根据实际设计需求在圆柱坐标系上偏移需要的角度。可以一个刀翼上设置一个或者多个。

其中给，所述防掉卡簧为双开口圆环式卡簧，从而受到径向压缩或者扩张时可以缩小或者胀大一定的直径尺寸，而在工作时可以很好的抵御轴向力，从而起到防止组件脱落的功能，其材料一般为碳素弹簧钢。

防掉卡簧其受到径向力扩张时可以增大内径，此时可以把其装配至智能自适应吸震组件的卡簧槽内，然后受到径向力压缩时内径与吸震组件卡簧槽内径相同，而外径小于耐磨合金套内径，此时把该组件一起穿过钻头刀翼上的耐磨合金套一起装配在刀翼上，当卡簧穿过耐磨合金套后自动扩张开，此时其外径大于耐磨合金套内径，而内径小于智能自适应吸震组件圆柱段外径，从而使该组件在钻头刀翼上被限制，只能轴向滑动，或者旋转而不会脱落。

本发明工作原理：

在PDC钻头肩部设置有智能钻压自适应装置机构，其主要构成元件有自适应吸震组件，主要采用复合齿或者耐磨孕镶齿等耐磨抗冲材料，把其钎焊与自适应吸震齿座上，在钻头刀翼位置上根据需要设置智能自适应吸震机构安装孔，孔内底部安装强力吸震弹簧，吸震压力根据实际需求进行配置，在安装孔的底部设置有泥浆排除孔，在端部设置有硬质合金耐磨套，通过把耐磨套与钻头焊接为一体，或者采用螺纹等方式固定为一体后，在孔内放入压力弹簧，把卵形吸震组件以及防掉卡簧一起压入孔内，此时卵形吸震组件与钻头体为一体，其相对于井底有一定的抗冲击角度，并且比切削齿高出一定距离，当钻头接触到井底是，由该元件先与地层接触，抵抗一定的钻压，当钻头工作的，该元件随着钻头的摆动，振动及时在弹簧作用下弹出，或者被压缩，从而达到上述的智能自适应吸震，控制切削齿切入深度，或者吸震。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (7)

1.一种智能钻压自适应金刚石PDC钻头，包含PDC钻头主体，其特征在于：

所述PDC钻头主体的头部间隔设有多条钻头刀翼，各钻头刀翼上设有多个钻头切削齿单元，各钻头刀翼之间设置有钻头排屑槽，在各钻头排屑槽内设置有钻头清洗水眼以对井底进行清洗和对钻头切削齿单元进行冷却，在钻头刀翼上设置有多个智能自适应吸震组件，各智能自适应吸震组件分别嵌入刀翼上设置的安装孔内以吸收来自钻头的振动或者冲击。

2.如权利要求1所述的智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其特征在于：所述智能自适应吸震组件包含自适应压杆底座，所述自适应压杆底座的周缘设置有卡簧槽，所述卡簧槽内安装有防掉卡簧，所述安装孔包含容纳腔以及耐磨合金套安装孔，所述容纳腔位于安装孔下部，所述耐磨合金套安装孔位于上部，所述耐磨合金套安装孔固定有耐磨合金套从而使耐磨合金套与钻头刀翼形成一个整体，且所述容纳腔的直径大于耐磨合金套的内径，所述卡簧槽的外径小于防掉卡簧的内径，而防掉卡簧的常态外径大于耐磨合金套的内径。

3.如权利要求2所述的智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其特征在于：所述自适应压杆底座的下端和安装孔之间设有吸震压力弹簧。

4.如权利要求2所述的智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其特征在于：所述安装孔还设有泥浆排出口，所述泥浆排除口设置于安装孔的底端。

5.如权利要求2所述的智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其特征在于：所述自适应压杆底座的端部设有钎焊齿穴，一耐磨件设于钎焊齿穴内与自适应压杆底座形成一体。

6.如权利要求5所述的智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其特征在于：所述自适应压杆底座采用镶嵌或者钎焊方式嵌入耐磨件，所述耐磨件为金刚石孕镶齿、PDC非平面型复合片或锥形复合片，所述自适应压杆底座采用高硬结构钢。

7.如权利要求2所述的智能钻压自适应金刚石PDC钻头，其特征在于：所述防掉卡簧为双开口圆环式卡簧，其材料为碳素弹簧钢。