CN109973019B - 具有纵扭耦合冲击功能的pdc钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，主要包括上接头，外壳，固定块，中间管，中心管，重锤，上、下喷嘴，滚珠，钻头，上、下端盖，冲锤，换向拨叉等；装配时先将下喷嘴装入下端盖，将部件整体装入钻头；在下端盖凹槽处放入滚珠，依次装入换向拨叉、冲锤，在其凹槽处装入滚珠，装入上端盖，连接外壳，装配密封圈b、连接套、滚珠，将上喷嘴、弹簧挡圈、密封圈a装入中心管，将部件整体装入外壳；依次装入中间管、重锤、弹簧、固定块，装配上接头，装配完成。本发明通过高压钻井液推动重锤、冲锤产生纵向、扭转冲击，具有提高钻井过程中PDC钻头破岩能力及降低PDC钻头产生粘滑现象的特点。

Description

具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头
技术领域
本发明属于石油和天然气钻采技术领域，具体涉及一种具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头的设计。
背景技术
随着油气资源勘探开发的不断深入，深井、超深井以及新型油气资源井越来越多，钻遇“三高地层”(岩石硬度高、岩石可钻性级值高、岩石研磨性高)的可能性越来越大，钻头与岩石之间的非线性接触会引起钻柱发生黏滑振动，从而引起钻柱间歇性的高速运动和黏滞静止的周期性运动，这样会引发钻头和钻柱的周期性应力与应变波动，从而造成钻柱和井下工具过早疲劳失效。当钻头处于黏滞状态停止转动而钻柱由于转盘继续转动所积蓄的能量达到足以破碎岩石时，钻头滑脱或跳钻。当发生滑脱运动时，钻柱内积蓄的能量瞬间释放，钻头在相反方向突然加速或减速，造成钻头角速度瞬间增大，钻头因受较大冲击力，过早失效。这严重影响了深部硬地层的机械钻速和勘探开发成本。针对硬地层钻进过程中机械钻速低、钻头因黏滑振动失效快、钻井成本高等问题，本发明的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头能够利用高压钻井液同时推动重锤和冲锤，以产生纵向和扭转冲击效果，并且通过关键零件的设计，实现纵向和扭转冲击的耦合。
发明内容
本发明的目的是为了解决技术背景中的机械钻速不高，并且钻头容易产生粘滑现象的问题，提出了一种具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头。
本发明的技术方案为：具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，由上接头，外壳，固定块，密封圈a，中间管，中心管，重锤，密封圈b，上喷嘴，连接套，弹簧挡圈，滚珠，钻头，上端盖，冲锤，换向拨叉，下端盖，下喷嘴，钻头喷嘴组成。其特征是：装配顺序为先将钻头喷嘴装入钻头；将下喷嘴装入下端盖，将部件整体装入钻头；在下端盖凹槽处放入滚珠，依次装入换向拨叉、冲锤；在换向拨叉、冲锤凹槽处装入滚珠，装入上端盖，并通过螺纹连接外壳；将连接套以及密封圈b装入外壳，在连接套凹槽处装入滚珠，将上喷嘴、弹簧挡圈、密封圈a装入中心管，将部件整体装入外壳；依次装入中间管、重锤、固定块，最后通过螺纹连接上接头，装配完成。
上述方案中的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：换向拨叉与中心管连接处插接在一起，换向拨叉带动中心管一起换向转动，在换向拨叉对扭转冲击进行换向的同时，中心管对纵向冲击进行换向，换向拨叉和中心管上设计有对称的流体通道。中间管上在同一位置设计有对称的两个孔，在轴线不同位置的开孔具有相位差，在中心管转动的时候，高压流体通过轴线上交替对齐的孔进入中间管与上外壳之间的空腔，来推动重锤在纵向往复运动。
上述方案中的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：外壳在装配固定块的位置设计有花键槽，固定块设计有凸块，中间管设计有缺口，装配完成后，工作过程中中间管必须保证固定不转动。
上述方案中的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：上端盖、换向拨叉、冲锤、下端盖上设计有装配滚珠的凹槽，换向拨叉、冲锤转动的时候，利用滚珠减小摩擦力。
上述方案中的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：中心管内部设计有上喷嘴，下端盖内部设计有下喷嘴，流体流过上喷嘴、下喷嘴时产生压降，便于重锤和冲锤低压腔流体及时排出。
本发明的有益效果是：(1)此具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头结构设计紧凑合理；(2)能够通过液压同时产生纵向以及扭转冲击力，协助PDC钻头破岩；(3)可以有效提高机械钻速，并且能够减少钻柱系统的粘滑现象。
附图说明
图1所示为本发明具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头的结构示意图。
图2所示为本发明具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头的三维总装图。
图3所示为本发明图1中的换向拨叉零件图。
图4所示为本发明图1中的中间管零件图。
附图标记说明：1.上接头，2.外壳，3.固定块，4.密封圈a，5.中间管，6.中心管，7.重锤，8.密封圈b，9.上喷嘴，10.连接套，11.弹簧挡圈，12.滚珠，13.钻头，14.上端盖，15.冲锤，16.换向拨叉，17.下端盖，18.下喷嘴，19.钻头喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
根据附图所示，具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，由上接头(1)，外壳(2)，固定块(3)，密封圈a(4)，中间管(5)，中心管(6)，重锤(7)，密封圈b(8)，上喷嘴(9)，连接套(10)，弹簧挡圈(11)，滚珠(12)，钻头(13)，上端盖(14)，冲锤(15)，换向拨叉(16)，下端盖(17)，下喷嘴(18)，钻头喷嘴(19)组成；其特征是：装配顺序为先将钻头喷嘴(19)装入钻头(13)；将下喷嘴(18)装入下端盖(17)，将部件整体装入钻头(13)；在下端盖(17)凹槽处放入滚珠(12)，依次装入换向拨叉(16)、冲锤(15)；在换向拨叉(16)、冲锤(15)凹槽处装入滚珠(12)，装入上端盖(14)，并通过螺纹连接外壳(2)；将连接套(10)以及密封圈b(8)装入外壳(2)，在连接套(10)凹槽处装入滚珠(12)，将上喷嘴(9)、弹簧挡圈(11)、密封圈a(4)装入中心管(6)，将部件整体装入外壳(2)；依次装入中间管(5)、重锤(7)、固定块(3)，最后通过螺纹连接上接头(1)，装配完成。
具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头扭转冲击过程：具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头的上接头(1)连接钻柱，通过钻柱打入高压钻井液，高压钻井液通过换向拨叉(16)与冲锤(15)连通的流道进入冲锤(15)与钻头(13)之间的空腔，推动冲锤(15)转动冲击钻头(13)，冲锤(15)转动的同时会带动换向拨叉(16)转动，当冲锤(15)撞击到钻头(13)后，高压钻井液从换向拨叉(16)上均布的孔进入冲锤(15)与钻头(13)之间的凹槽，通过冲锤(15)上的孔进入换向拨叉(16)与冲锤(15)之间的空腔，继续推动换向拨叉(16)转动，直到换向拨叉(16)与冲锤(15)的回转流道对齐，高压钻井液通过回转流道进入冲锤(15)与钻头(13)之间的空腔，推动冲锤(15)回转冲击，如此往复，实现扭转冲击。
具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头纵向冲击过程：液压纵扭耦合冲击器的上接头(1)连接钻柱，通过钻柱打入高压钻井液，高压钻井液通过中心管(6)与中间管(5)连通的孔进入中间管(5)与外壳(2)之间的空腔，推动重锤(6)纵向冲击外壳(2)，中间管(5)轴线上不同位置的孔具有相位差，中间管(5)与中心管(6)同一轴线位置的连通孔对齐后，中间管(5)与中心管(6)另一对连通孔不会对齐，此时中间管(5)的孔通向中间管(5)与中心管(6)之间的低压区，当中心管(6)被换向拨叉(16)带动转动时，高压钻井液通过中心管(6)与中间管(5)的对齐连通孔的位置改变，进入重锤(7)另一边中间管(5)与外壳(2)之间的空腔，推动重锤(7)回程运动。
上述方案中的中心管(6)与换向拨叉(16)连接处插接在一起，换向拨叉(16)带动中心管(6)一起换向转动，在换向拨叉(16)对扭转冲击进行换向的同时，中心管(6)对纵向冲击进行换向；中心管(6)内部设计有上喷嘴(9)，流体流过上喷嘴(9)时产生压降，便于重锤(7)低压腔流体及时排出。
上述方案中的中间管(5)上在同一位置设计有对称的两个孔，在轴线不同位置的开孔具有相位差，在中心管(6)转动的时候，高压流体通过轴线上交替对齐的孔进入重锤(7)两边，中间管(5)与外壳(2)之间的空腔，来推动重锤(7)在纵向往复运动。
具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其外壳(2)安装固定块(3)处设计有花键槽，固定块(3)与中间管(5)连接处有凸块，中间管(5)有缺口，装配好后，工作过程中，保证中间管(5)固定不能转动。
具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其上端盖(14)、换向拨叉(16)、冲锤(15)、下端盖(17)上设计有装配滚珠(12)的凹槽，换向拨叉(16)、冲锤(15)转动的时候，利用滚珠(12)减小摩擦力。
上述方案中的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，装配顺序为：先将钻头喷嘴19装入钻头13；将下喷嘴18装入下端盖17，将部件整体装入钻头13；在下端盖17凹槽处放入滚珠12，依次装入换向拨叉16、冲锤15；在换向拨叉16、冲锤15凹槽处装入滚珠12，装入上端盖14，并通过螺纹连接外壳2；将连接套10以及密封圈b8装入外壳2，在连接套10凹槽处装入滚珠12，将上喷嘴9、弹簧挡圈11、密封圈a4装入中心管6，将部件整体装入外壳2；依次装入中间管5、重锤7、固定块3，最后通过螺纹连接上接头1，装配完成。

Claims (4)

1.具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，由上接头(1)，外壳(2)，固定块(3)，密封圈a(4)，中间管(5)，中心管(6)，重锤(7)，密封圈b(8)，上喷嘴(9)，连接套(10)，弹簧挡圈(11)，滚珠(12)，钻头(13)，上端盖(14)，冲锤(15)，换向拨叉(16)，下端盖(17)，下喷嘴(18)，钻头喷嘴(19)组成；其特征是：装配顺序为先将钻头喷嘴(19)装入钻头(13)；将下喷嘴(18)装入下端盖(17)，将部件整体装入钻头(13)；在下端盖(17)凹槽处放入滚珠(12)，依次装入换向拨叉(16)、冲锤(15)；在换向拨叉(16)、冲锤(15)凹槽处装入滚珠(12)，装入上端盖(14)，并通过螺纹连接外壳(2)；将连接套(10)以及密封圈b(8)装入外壳(2)，在连接套(10)凹槽处装入滚珠(12)，将上喷嘴(9)、弹簧挡圈(11)、密封圈a(4)装入中心管(6)，将部件整体装入外壳(2)；依次装入中间管(5)、重锤(7)、固定块(3)，最后通过螺纹连接上接头(1)，装配完成；上端盖(14)、换向拨叉(16)、冲锤(15)、下端盖(17)上设计有装配滚珠(12)的凹槽，换向拨叉(16)、冲锤(15)转动的时候，利用滚珠(12)减小摩擦力；中心管(6)内部设计有上喷嘴(9)，下端盖(17)内部设计有下喷嘴(18)，流体流过上喷嘴(9)、下喷嘴(18)时产生压降，便于重锤(7)和冲锤(15)低压腔流体及时排出。
2.根据权利要求1所述的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：换向拨叉(16)与中心管(6)连接处插接在一起，换向拨叉(16)转动的时候带动中心管(6)一起换向转动，在换向拨叉(16)对扭转冲击进行换向的同时，中心管(6)对纵向冲击进行换向，换向拨叉(16)和中心管(6)上设计有对称的流体通道。
3.根据权利要求1所述的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：中间管(5)在轴线上同一位置设计有对称的两个孔，在轴线不同位置的开孔具有相位差，在中间管(5)转动的时候，高压流体通过轴线上交替对齐的孔进入重锤(7)两边，中间管(5)与外壳(2)之间的空腔，来推动重锤(7)在纵向往复运动。
4.根据权利要求1所述的具有纵扭耦合冲击功能的PDC钻头，其特征在于：外壳(2)在装配固定块(3)的位置设计有花键槽，固定块(3)设计有凸块，中间管(5)设计有缺口，装配完成后，工作过程中，中间管(5)必须保证固定不转动。
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