CN109930998A - 一种pdc钻头破岩工具 - Google Patents

Abstract

一种PDC钻头破岩工具，包括钻头体、刀翼、PDC齿、喷嘴，其特征在于：破岩工具从上至下设置有工具外壳、分流器、射流元件、活塞缸、活塞、冲锤，铁砧、钻头体，铁砧设置在钻头体内部，铁砧上设置有弹性元件，且在活塞缸内设置有弹性元件。该工具具有结构简单、易操作、能量利用率高的优点，对岩石产生周期性扰动，降低岩石力学性质，提高工具的破岩效率，降低井底岩屑的“压持效应”，有利于提高井底岩屑的清洁效率。

Description

一种PDC钻头破岩工具

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PDC钻头破岩工具。

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。

深部地层岩石内部集聚了很大的弹性应变能，缝端应力集中，但没有超过岩石的破坏强度，这样深部地层的岩石中高应力就一直存在，且岩石内部本身就存在很多裂缝和缺陷，若在钻井过程中，给岩石一个周期的扰动力，让岩石内部的高应力释放出来，用于岩石内部裂纹的扩展，这样岩石的各种力学性质将会劣化，甚至完全破碎岩石，产生局部的岩爆现象。

杜林麟、魏小梅提出一种扰动破岩钻具及扰动破岩钻井方法（CN201410824286.5）利用螺杆传动轴与芯轴相对转动，转化为齿轮旋转，最后实现扰动总成产生周期性的水击力，并与上部钻具组合的重力共同形成钻压，实现“高应力+扰动”，其具有高破岩效率和高机械钻速的优点。但这种工具结构复杂，使用寿命短，能量利用率低，扰动总成产生的水击力为刚性冲击，对钻头作用时间短，冲击力大，容易导致钻头冲击破坏，大大降低钻头的使用寿命。

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PDC钻头破岩工具。该工具具有结构简单、易操作、能量利用率高的优点，对岩石产生周期性扰动，降低岩石力学性质，提高工具的破岩效率，降低井底岩屑的“压持效应”，有利于提高井底岩屑的清洁效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种PDC钻头破岩工具，包括钻头体、刀翼、PDC齿、喷嘴，其特征在于：破岩工具从上至下设置有工具外壳、分流器、射流元件、活塞缸、活塞、冲锤，铁砧、钻头体，铁砧设置在钻头体内部，铁砧上设置有弹性元件，且在活塞缸内设置有弹性元件。

上述方案中，钻进液通过分流器进入射流元件，在射流元件中产生附壁现象，钻进液进入活塞缸的某一腔内，高压的钻井液推动活塞向下运动，活塞连接冲锤一起冲击铁砧，达到下死点，此时在射流元件的信号通道有高压钻井液，迫使射流元件的附壁现象产生切换，钻井液流入另外腔室中，钻井液推动活塞往上运动，知道活塞冲击到活塞缸，此时射流元件信号通道起作用，让射流元件的附壁效应转向另一侧，重复上述过程。由于铁砧直接设置在钻头体上，没有中间接头，将液压能直接转换为动能，这样能量利用率大大提高。同时，在铁砧和活塞缸内设置有弹性元件，这样将冲锤与活塞的刚性冲击转变为柔性扰动，延长冲击时间，冲击力变的缓慢持久，提高钻头的使用寿命，且给岩石产生周期性扰动，会造成井底岩石的相对“负压”状态或者欠平衡状态，（1）能够有效的降低井底岩石的塑性，降低岩石在载荷作用下的强度参数，引发岩石内部高应力的释放，致使岩石内部裂纹扩展，岩石力学性质劣化，甚至出现局部岩爆，从而提高破岩工具的破岩效率，（2）井底欠平衡状态有利于井底岩屑的清洁效率，降低井底岩屑的“压持效应”，能够是新产生的钻屑及时的脱离井底，从而避免钻头对井底岩石的重复破碎作用。

作为选择，破岩工具中的弹性元件为钢板弹簧、螺旋弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧。

上述方案中，由于地层因素非常复杂多变，岩石性质变化范围较大，不同材料和结构的弹性元件能保证破岩工具的适应范围大大拓宽。

作为选择，所述破岩工具的扰动频率控制在5Hz-50Hz范围内。

上述方案中，将破岩工具的产生的柔性扰动的频率控制在5Hz-50Hz范围内，频率太快，对钻头会产生不良反应，频率太慢，不能对井底岩石产生作用。

作为选择，所述破岩工具对钻头的扰动幅值控制3mm-10mm。

上述方案中，破岩工具对钻头的扰动幅值控制3mm-10mm。破岩工具的扰动幅值在该范围内，其破岩效率最高。

作为选择，破岩工具产生轴向力与钻压比值控制0.05-0.2范围内。

上述方案中，破岩工具产生轴向力与钻压比值控制0.05-0.2范围内，能够实现破岩工具动静组合加载方式的破岩，从而提高破岩工具的破岩效率。

本发明的有益效果：

1、本发明将常规刚性冲击转化为柔性扰动，延长冲击时间，冲击力变得缓慢持久，有利于减小钻头的冲击破坏，从而提高钻头的使用寿命。

2、本发明给岩石产生周期性扰动，会造成井底岩石的相对“负压”状态或者欠平衡状态，能够有效的降低井底岩石的塑性，降低岩石在载荷作用下的强度参数，提高工具的破岩效率。

3、井底欠平衡状态有利于井底岩屑的清洁效率，降低井底岩屑的“压持效应”，能够是新产生的钻屑及时的脱离井底，从而避免钻头对井底岩石的重复破碎作用。

4、本发明将钻头和工具组合为一体式结构，具有结构简单、易操作、能量利用率高的优点。

附图说明

图1为本发明专利的结构示意图；

其中1-钻头体、11-刀翼、12-PDC齿、13-喷嘴、14-铁砧、15-钻头外壳、2-弹性元件、3-工具外壳、31-冲锤、32-活塞、33-限位块、34-活塞缸、4-射流元件、5-分流器。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

一种PDC钻头破岩工具，包括钻头体1、刀翼11、PDC齿12、喷嘴13，其特征在于：破岩工具从上至下设置有工具外壳3、分流器5、射流元件4、活塞缸34、活塞32、冲锤31，铁砧14、钻头体1，铁砧14设置在钻头体1内部，铁砧14上设置有弹性元件2，且在活塞缸34内设置有弹性元件2。如图1所示。

作为优选，破岩工具中的弹性元件为钢板弹簧、螺旋弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧。

作为优选，所述破岩工具的扰动频率控制在5Hz-50Hz范围内。

作为优选，所述破岩工具对钻头的扰动幅值控制3mm-10mm。

作为优选，破岩工具产生轴向力与钻压比值控制0.05-0.2范围内。

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 (5)

1.一种PDC钻头破岩工具，包括钻头体、刀翼、PDC齿、喷嘴，其特征在于：破岩工具从上至下设置有工具外壳、分流器、射流元件、活塞缸、活塞、冲锤，铁砧、钻头体，铁砧设置在钻头体内部，铁砧上设置有弹性元件，且在活塞缸内设置有弹性元件。

2.根据权利要求1所述的一种PDC钻头破岩工具，其特征在于：破岩工具中的弹性元件为钢板弹簧、螺旋弹簧、气体弹簧、橡胶弹簧。

3.根据权利要求1所述的一种PDC钻头破岩工具，其特征在于

所述破岩工具的扰动频率控制在5Hz-50Hz范围内。

4.根据权利要求1所述的一种PDC钻头破岩工具，其特征在于：所述破岩工具对钻头的扰动幅值控制3mm-10mm。

5.根据权利要求1所述的一种PDC钻头破岩工具，其特征在于：破岩工具产生轴向力与钻压比值控制0.05-0.2范围内。