CN110029939A - 可调控的脉冲振荡pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调控的脉冲振荡PDC钻头，包括钻头接头、钻头本体、矩形密封圈a、支撑弹簧、滑动活塞、矩形密封圈b、脉冲振荡短节、矩形密封圈c、圆柱销钉。钻井液从钻头接头进入钻头内部，经过滑动活塞后，从钻头水眼流出，当不需要钻头具备脉冲振荡功能时，只需要保持常规的钻井液压力，滑动活塞保持与钻头接头接触；当需要钻头具备脉冲振荡功能时，增加钻井液压力，推动滑动活塞向下移动，滑动活塞与脉冲振荡短节连通，钻井液进入脉冲振荡短节，使脉冲振荡短节产生脉冲振荡效果，实现钻头的高效破岩。本发明的可调控的脉冲振荡PDC钻头可实现脉冲振荡功能的调节控制，适用范围广，可缓解钻头粘滑、泥包等现象，提高钻头使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油天然气勘探开发的可调控的脉冲振荡PDC钻头，也适用于煤矿开采、地质工程等技术领域。
背景技术
目前，石油天然气钻井工程使用的PDC钻头主要分为钢体式和胎体式两种结构，胎体式PDC钻头主要材料为铸造碳化钨粉料，价格昂贵且不环保，而钢体式PDC钻头本体材料为钢体，价格低，强度高，减少了重金属的使用，有利于环保。随着CNC技术的发展及加工工艺的不断完善，具有钢体的PDC钻头不但成本上低于胎体的钻头，并且性能与胎体的钻头无明显差异，钢体式PDC钻头越来越受到用户的青睐，在钻探工程中得到大量的推广及使用。随着加工技术和材料技术的提高，钻头的生产制造逐渐能够满足现场实际生产的需求，但随着油气资源的不断开发，钻井工程面临的环境越来越复杂，这对钻头的工作性能和使用寿命提出了更高的要求。
常规的PDC钻头在使用过程中仍然面临着许多挑战，尤其是复杂地层环境条件的钻进，常常伴随着钻头粘滑、泥包、跳钻甚至蹦齿现象，不利于钻头破岩，并将造成钻头使用寿命降低。为了降低钻头粘滑，提高钻井效率，通常在钻具组合中加入扭力冲击器、水力振荡器等提速工具，通过提速工具的作用，提高钻头破岩效率，降低钻井成本。这为钻头新结构设计提供了新思路，即是在PDC钻头内设置具备提速工具功能的内部结构，使钻头自身具备提速工具的部分功能，并且根据实际生产需要，实现该部分功能的调节控制，使钻头具备常规钻头性能以及具备提速功能。
发明内容
为了探索解决背景技术中所述的钻头粘滑、泥包、跳钻甚至蹦齿现象，降低钻头粘滑，提高钻井效率，本发明提供了一种可调控的脉冲振荡PDC钻头。本发明的可调控的脉冲振荡PDC钻头工作时，钻井液从钻头接头进入钻头内部，经过滑动活塞后，到达钻头底部，从钻头水眼流出，当不需要钻头具备脉冲振荡功能时，只需要保持常规的钻井液压力，滑动活塞在支撑弹簧作用下保持与钻头接头接触；当在复杂地层钻进，需要钻头具备脉冲振荡功能时，增加钻井液压力，推动滑动活塞向下移动，滑动活塞与脉冲振荡短节连通，部分钻井液进入脉冲振荡短节，在脉冲振荡短节内循环，通过设置特殊的循环流道，使脉冲振荡短节产生脉冲振荡效果，作用在钻头上，实现钻头的高效破岩。
本发明的技术方案是：可调控的脉冲振荡PDC钻头主要由钻头接头、钻头本体、矩形密封圈a、支撑弹簧、滑动活塞、矩形密封圈b、脉冲振荡短节、矩形密封圈c、圆柱销钉组成；所述的矩形密封圈a、支撑弹簧、滑动活塞、矩形密封圈b、脉冲振荡短节、矩形密封圈c、圆柱销钉位于钻头本体内部，首先在钻头本体前端内圆周上安装圆柱销钉，再分别将矩形密封圈c、矩形密封圈b分别安装到脉冲振荡短节前端和后端的外圆周的凹槽内，再将三者的组合体安装到钻头本体内部，并与圆柱销钉配合，通过圆柱销钉的定位作用保证脉冲振荡短节不产生相对转动，然后将支撑弹簧安装到滑动活塞上，再在滑动活塞后端外圆周的凹槽内安装矩形密封圈a，保持支撑弹簧承受一定的预压力后，通过钻头接头对钻头本体内部的零部件进行轴向定位；所述的脉冲振荡短节圆周上设置有循环流道，数量为4组，呈90°均布在脉冲振荡短节外圆周上。
所述的钻头接头与钻头本体通过螺纹连接在一起，完成螺纹配合后，通过焊接方式，将钻头接头与钻头本体完全固连在一起，并对钻头接头与钻头本体外圆周上的焊缝进行打磨抛光，保证焊缝位置的表面粗糙度。。
所述的滑动活塞前端为矩形结构，脉冲振荡短节中心通孔截面为矩形，通过矩形结构进行配合，防止滑动活塞相对脉冲振荡短节产生相对滑动，保证滑动活塞可以相对脉冲振荡短节产生轴向移动。
所述的支撑弹簧在预压力的作用下收到压缩，完成装配后，支撑弹簧将产生弹簧力，通过弹簧力作用，使滑动活塞在正常钻井液压力条件下不会产生轴向移动。
所述的滑动活塞在钻井液压力下可向下移动，当钻井液压力超过正常压力值时，滑动活塞向下移动，支撑弹簧再次被压缩，滑动活塞与脉冲振荡短节之间的通孔连通，部分钻井液进入脉冲振荡短节外圆周上循环流道，当钻井液恢复正常压力值时，支撑弹簧复位，脉冲振荡短节回到初始位置，滑动活塞与脉冲振荡短节之间的通孔不连通，钻井液不进入脉冲振荡短节外圆周上循环流道，全部从脉冲振荡短节中心流道流出。
本发明的有益效果是：(1)通过调节滑动活塞位置，实现PDC钻头脉冲振荡功能的调节控制，增大了可调控的脉冲振荡PDC钻头的使用范围；(2)在钻头内部设置脉冲振荡短节，可以使钻头在钻井液作用下具备脉冲振荡功能，从而使钻头在需要的情况下可以实现高效破岩，提高钻井效率；(3)可调控的脉冲振荡PDC钻头可以缓解甚至消除钻头粘滑、泥包、跳钻、蹦齿等现象，提高钻头使用寿命；(4)通过钻井液在特殊流道内循环产生脉冲振荡作用，而不需要单独设置动力源或传动部件，使可调控的脉冲振荡PDC钻头结构简单，功能可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的工作示意图。
图3是脉冲振荡短节的结构示意图。
图4是滑动活塞的结构示意图。
图5是本发明图2中的A-A截面图。
图6是本发明图2中的B-B截面图。
图7是本发明图2中的C-C截面图。
图8是本发明图2中的D-D截面图。
图9是本发明图2中的E-E截面图。
图中1.钻头接头，2.钻头本体，3.矩形密封圈a，4.支撑弹簧，5.滑动活塞，6.矩形密封圈b，7.脉冲振荡短节，8.矩形密封圈c，9.圆柱销钉。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
参见附图，可调控的脉冲振荡PDC钻头主要由钻头接头1、钻头本体2、矩形密封圈a3、支撑弹簧4、滑动活塞5、矩形密封圈b6、脉冲振荡短节7、矩形密封圈c8、圆柱销钉9组成；所述的矩形密封圈a3、支撑弹簧4、滑动活塞5、矩形密封圈b6、脉冲振荡短节7、矩形密封圈c8、圆柱销钉9位于钻头本体2内部，首先在钻头本体2前端内圆周上安装圆柱销钉9，再分别将矩形密封圈c8、矩形密封圈b6分别安装到脉冲振荡短节7前端和后端的外圆周的凹槽内，再将三者的组合体安装到钻头本体2内部，并与圆柱销钉9配合，通过圆柱销钉9的定位作用保证脉冲振荡短节7不产生相对转动，然后将支撑弹簧4安装到滑动活塞5上，再在滑动活塞5后端外圆周的凹槽内安装矩形密封圈a3，保持支撑弹簧4承受一定的预压力后，通过钻头接头1对钻头本体2内部的零部件进行轴向定位；所述的脉冲振荡短节7圆周上设置有循环流道，数量为4组，呈90°均布在脉冲振荡短节7外圆周上。
所述的钻头接头1与钻头本体2通过螺纹连接在一起，完成螺纹配合后，通过焊接方式，将钻头接头1与钻头本体2完全固连在一起，并对钻头接头1与钻头本体2外圆周上的焊缝进行打磨抛光，保证焊缝位置的表面粗糙度。。
所述的滑动活塞5前端为矩形结构，脉冲振荡短节7中心通孔截面为矩形，通过矩形结构进行配合，防止滑动活塞5相对脉冲振荡短节7产生相对滑动，保证滑动活塞5可以相对脉冲振荡短节7产生轴向移动。
所述的支撑弹簧4在预压力的作用下收到压缩，完成装配后，支撑弹簧4将产生弹簧力，通过弹簧力作用，使滑动活塞5在正常钻井液压力条件下不会产生轴向移动。
所述的滑动活塞5在钻井液压力下可向下移动，当钻井液压力超过正常压力值时，滑动活塞5向下移动，支撑弹簧4再次被压缩，滑动活塞5与脉冲振荡短节7之间的通孔连通，部分钻井液进入脉冲振荡短节7外圆周上循环流道，当钻井液恢复正常压力值时，支撑弹簧4复位，脉冲振荡短节7回到初始位置，滑动活塞5与脉冲振荡短节7之间的通孔不连通，钻井液不进入脉冲振荡短节7外圆周上循环流道，全部从脉冲振荡短节7中心流道流出。
Claims (5)
1.可调控的脉冲振荡PDC钻头，其特征在于：所述的可调控的脉冲振荡PDC钻头主要由钻头接头(1)、钻头本体(2)、矩形密封圈a(3)、支撑弹簧(4)、滑动活塞(5)、矩形密封圈b(6)、脉冲振荡短节(7)、矩形密封圈c(8)、圆柱销钉(9)组成；所述的矩形密封圈a(3)、支撑弹簧(4)、滑动活塞(5)、矩形密封圈b(6)、脉冲振荡短节(7)、矩形密封圈c(8)、圆柱销钉(9)位于钻头本体(2)内部，首先在钻头本体(2)前端内圆周上安装圆柱销钉(9)，再分别将矩形密封圈c(8)、矩形密封圈b(6)分别安装到脉冲振荡短节(7)前端和后端的外圆周的凹槽内，再将三者的组合体安装到钻头本体(2)内部，并与圆柱销钉(9)配合，通过圆柱销钉(9)的定位作用保证脉冲振荡短节(7)不产生相对转动，然后将支撑弹簧(4)安装到滑动活塞(5)上，再在滑动活塞(5)后端外圆周的凹槽内安装矩形密封圈a(3)，保持支撑弹簧(4)承受一定的预压力后，通过钻头接头(1)对钻头本体(2)内部的零部件进行轴向定位；所述的脉冲振荡短节(7)圆周上设置有循环流道，数量为4组，呈90°均布在脉冲振荡短节(7)外圆周上。
2.根据权利要求1所述的可调控的脉冲振荡PDC钻头，其特征在于：所述的钻头接头(1)与钻头本体(2)通过螺纹连接在一起，完成螺纹配合后，通过焊接方式，将钻头接头(1)与钻头本体(2)完全固连在一起，并对钻头接头(1)与钻头本体(2)外圆周上的焊缝进行打磨抛光，保证焊缝位置的表面粗糙度。
3.根据权利要求1所述的可调控的脉冲振荡PDC钻头，其特征在于：所述的滑动活塞(5)前端为矩形结构，脉冲振荡短节(7)中心通孔截面为矩形，通过矩形结构进行配合，防止滑动活塞(5)相对脉冲振荡短节(7)产生相对滑动，保证滑动活塞(5)可以相对脉冲振荡短节(7)产生轴向移动。
4.根据权利要求1所述的可调控的脉冲振荡PDC钻头，其特征在于：所述的支撑弹簧(4)在预压力的作用下收到压缩，完成装配后，支撑弹簧(4)将产生弹簧力，通过弹簧力作用，使滑动活塞(5)在正常钻井液压力条件下不会产生轴向移动。
5.根据权利要求1所述的可调控的脉冲振荡PDC钻头，其特征在于：所述的滑动活塞(5)在钻井液压力下可向下移动，当钻井液压力超过正常压力值时，滑动活塞(5)向下移动，支撑弹簧(4)再次被压缩，滑动活塞(5)与脉冲振荡短节(7)之间的通孔连通，部分钻井液进入脉冲振荡短节(7)外圆周上循环流道，当钻井液恢复正常压力值时，支撑弹簧(4)复位，脉冲振荡短节(7)回到初始位置，滑动活塞(5)与脉冲振荡短节(7)之间的通孔不连通，钻井液不进入脉冲振荡短节(7)外圆周上循环流道，全部从脉冲振荡短节(7)中心流道流出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201027 Address after: 618000 No. 30, two West Ring Road, Tianyuan Town, Jingyang District, Deyang, Sichuan Patentee after: Sichuan Bao Wright drill Co.,Ltd. Address before: No. 8 Road, Xindu Xindu District of Chengdu city of Sichuan Province in 610500 Patentee before: SOUTHWEST PETROLEUM University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Adjustable pulse oscillation PDC drill bit Granted publication date: 20200703 Pledgee: The Great Wall West Bank Bank of China Deyang hi tech branch Pledgor: Sichuan Bao Wright drill Co.,Ltd. Registration number: Y2024980021330 |