CN110439471A - 一种切削深度自调节机构及钻头 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种切削深度自调节机构及钻头，属于石油开采领域。其包括外筒；球头齿，可移动地安装在外筒的一端上，能够缩进或者伸出外筒；节流阻尼阀，安装在外筒内，并将外筒内腔分隔成第一液压腔和第二液压腔，第一液压腔和第二液压腔中装有液压液体；液压复位组件，可移动地安装在外筒的另一端内，并能够在第二液压腔内的液压液体的驱动下进行移动。通过节流阻尼阀和液压复位组件的双重阻尼作用，减小岩石对钻头的冲击，进一步保护钻头的切削齿，提高钻头进尺并延长钻头使用时间。

Description

一种切削深度自调节机构及钻头

技术领域

本申请涉及石油开采领域，尤其涉及一种切削深度自调节机构及钻头。

背景技术

钻井过程中，钻头需要钻穿不同地层。当地层岩性发生变化时，钻进速度会随之变化，容易引起钻头的粘滑振动，甚至引起钻头和井下钻具组合的失效，导致由于井底复杂事故造成的钻井成本增加和效率降低。通常，钻进速度主要通过控制钻压和旋转速度来实现，即分别通过大钩载荷、钻柱旋转，或者控制井底马达转速来实现，但这些控制手段对于井底钻头都具有一定的滞后性。

随着PDC钻头技术突飞猛进的发展，为了避免在较低钻压和较高转速范围条件下引起的钻头回旋破坏，逐渐趋于采用较高的钻压和较低的转速相结合的参数组合来提高钻进性能。但是这样，却难以避免在较高的钻压和较低的钻进速度下引起的扭转失稳，进而造成粘滑振动。切削深度控制技术自21世纪初引入后，可以有效消除钻头的扭转振动，成为PDC技术发展史上一个里程碑。然而，这一技术在扩大了PDC钻头应用范围的同时，在一些情况下也限制了钻头的切削能力。

发明内容

本申请的目的之一在于提供一种切削深度自调节机构及钻头，旨在改善现有技术中的钻头在钻穿不同地层时容易产生粘滑振动而导致钻进效率低下的问题。

本申请的技术方案是：

一种切削深度自调节机构，包括：

外筒；

球头齿，可移动地安装在所述外筒的一端上，能够缩进或者伸出所述外筒；

节流阻尼阀，安装在所述外筒内，并将所述外筒内腔分隔成第一液压腔和第二液压腔，所述第一液压腔和所述第二液压腔中装有液压液体；

液压复位组件，可移动地安装在所述外筒的另一端内，并能够在所述第二液压腔内的液压液体的驱动下进行移动。

作为本申请的一种技术方案，所述节流阻尼阀包括阀体、节流孔板、丝堵、连接弹簧、钢球以及挡圈，所述阀体具有间隔开设的第一通口和第二通口；所述阀体安装在所述外筒的内侧孔壁上，所述节流孔板安装在所述第一通口中，所述丝堵安装在所述第二通口靠近所述球头齿的一端中，所述连接弹簧安装在所述第二通口上，且一端与所述丝堵压接，另一端与所述钢球压接；所述挡圈安装在所述外筒的内侧孔壁上，并挡住所述阀体靠近所述液压复位组件的一端。

作为本申请的一种技术方案，所述节流孔板沿所述阀体的轴向设置。

作为本申请的一种技术方案，所述节流孔板至少为一个。

作为本申请的一种技术方案，所述液压复位组件包括活塞、复位弹簧以及防护结构，所述防护结构盖设在所述外筒的另一端上，所述活塞可移动地安装在所述外筒的内侧孔壁上，所述复位弹簧的一端压接于所述活塞上，另一端压接于所述防护结构上。

作为本申请的一种技术方案，所述防护结构包括端盖，所述端盖安装在所述外筒的另一端上，且开设有第一开口，所述复位弹簧的另一端压接于所述端盖上。

作为本申请的一种技术方案，所述防护结构包括安装盖、保护盖以及橡胶皮囊；所述安装盖安装在所述外筒的另一端上，且开设有第二开口，所述复位弹簧的另一端压接于所述安装盖上；所述保护盖盖设在所述安装盖上，并开设有第三开口；所述橡胶皮囊设置在所述保护盖内，并连接于所述第二开口。

一种钻头，包括以上所述的切削深度自调节机构，所述切削深度自调节机构安装在所述钻头的刀翼上，所述球头齿的伸出高度小于或等于所述钻头的主切削齿的伸出高度，所述主切削齿到所述钻头轴心的距离与所述球头齿到所述钻头轴心的距离相同。

作为本申请的一种技术方案，所述外筒与所述钻头螺纹连接。

作为本申请的一种技术方案，所述钻头上开设有卡槽，所述卡槽上安装有卡簧，通过所述卡簧将所述外筒安装在所述卡槽中。

本申请的有益效果：

本申请提供一种切削深度自调节机构及钻头，该切削深度自调节机构使钻头可以随着持续变化的钻井环境自动调节切削深度，在提高钻进速度的情况下缓减粘滑振动，从而有效地克服了传统DOC控制技术固定齿切削深度固定不变的局限，不需要固定的切削深度控制预设计。该切削深度自调节机构的可调节的切削深度控制单元具有收缩性能，因此能够避免钻头的切削齿与地层的过度啮合，从而防止钻头过早失效，并且能够有效地防止引起底部钻具组合部件毁坏和扭断的可能性，且能在维持较高钻进速度的前提下，扩大钻头稳定操作区域；还能够有效避免粘滑振动，保护钻头切削齿和底部钻具组合，延长进尺、提升钻井施工的安全性，提高钻井施工的效率和效益。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的切削深度自调节机构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第一连接结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第一连接结构第一角度结构示意图。

图标：1-切削深度自调节机构；2-外筒；3-球头齿；4-节流阻尼阀；5-第一液压腔；6-第二液压腔；7-液压复位组件；8-阀体；9-节流孔板；10-丝堵；11-连接弹簧；12-钢球；13-挡圈；14-第一通口；15-第二通口；16-活塞；17-复位弹簧；18-防护结构；19-端盖；20-第一开口；21-安装盖；22-保护盖；23-橡胶皮囊；24-第二开口；25-第三开口；26-钻头。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

第一实施例：

请参照图1，配合参照图2，本申请实施例提供钻头26，该钻头26的两侧刀翼上分别对称地安装有切削深度自调节机构1，其主要用于钻头26的切削深度的调节，能够有效避免钻头26出现粘滑振动的情况，能够保护钻头26的切削齿和底部钻具之间的组合，延长钻头26进尺，提升钻井施工的安全性，从而有效地提高钻井施工的效率和效益。

需要说明的是，在本实施例中，钻头26可以采用PDC钻头。

请参照图2，该切削深度自调节机构1主要包括外筒2、球头齿3、节流阻尼阀4以及液压复位组件7，外筒2的一端上开设有安装口，球头齿3可移动地安装在外筒2的一端上，并能够在压力的作用下缩进或者伸出外筒2；节流阻尼阀4安装在外筒2内，并将外筒2内腔分隔成第一液压腔5和第二液压腔6，第一液压腔5和第二液压腔6中均装有液压液体，液压液体能够在第一液压腔5和第二液压腔6中进行相互流动，从而对球头齿3施加压力；液压复位组件7可移动地安装在外筒2的另一端内，并能够在第二液压腔6内的液压液体的驱动下进行移动。

需要说明的是，在本实施例中，球头齿3的伸出高度小于或等于钻头26的主切削齿的伸出高度，该主切削齿到钻头26轴心的距离与球头齿3到钻头26轴心的距离相同。

同时，在本实施例中，外筒2的外壁上设置有外螺纹，其通过外螺纹与钻头26螺纹连接。在其他的实施例中，还可以在钻头26的刀翼上开设卡槽，在卡槽上安装卡簧，通过卡簧将外筒2安装在钻头26上的卡槽中。

需要说明的是，在本实施例中，球头齿3可以是锥球齿、卵形齿等不同形状，球头齿3的材料可以采用硬质合金材料或者金刚石复合材料等。

需要说明的是，在本实施例中，球头齿3与外筒2的安装口之间还安装有O型密封圈，O型密封圈的材质可以根据井温的不同选用饱和丁腈橡胶或耐高温的氟橡胶等材质。

进一步地，节流阻尼阀4包括阀体8、多个节流孔板9、丝堵10、连接弹簧11、钢球12以及挡圈13，阀体8具有间隔开设的第一通口14和第二通口15；阀体8安装在外筒2的内侧孔壁上，节流孔板9安装在第一通口14中，丝堵10安装在第二通口15中，连接弹簧11安装在第二通口15上，且连接弹簧11的一端与丝堵10压接，另一端与钢球12压接；挡圈13安装在外筒2的内侧孔壁上，并挡住阀体8靠近液压复位组件7的一端，其主要用于固定节流阻尼阀4。

需要说明的是，在本实施例中，第一通口14的宽度大于第二通口15的宽度，且二者均沿阀体8的轴向开设，并贯穿阀体8的顶底。

需要说明的是，在本实施例中，节流孔板9沿阀体8的轴向设置。

需要说明的是，在本实施例中，丝堵10安装在第二桶口靠近球头齿3的一端中，且钢球12、连接弹簧11以及丝堵10依次由上至下安装在第二通口15中。

需要说明的是，在本实施例中，阀体8与外筒2的相对两个内侧壁之间安装有O型密封圈，其主要用于起到密封流体的作用。同时，O型密封圈的材质可以根据井温的不同选用饱和丁腈橡胶或耐高温的氟橡胶等材质。

进一步地，液压复位组件7包括活塞16、复位弹簧17以及防护结构18，外筒2的另一端上开设有安装口，防护结构18盖设在外筒2的另一端的安装口上，活塞16可移动地安装在外筒2的内侧孔壁上，复位弹簧17的一端压接于活塞16上，另一端压接于防护结构18上。

需要说明的是，在本实施例中，活塞16主要用于补偿本装置内液位变化带来的影响，同时也可以补偿温度因素造成的液压液体积变化，起到隔离内外部液体的作用。

需要说明的是，在本实施例中，复位弹簧17主要用于球头齿3受力变化时减小冲击和振动，还可以蓄积能量，在需要的时候将球头齿3快速推出。

需要说明的是，在本实施例中，防护结构18包括端盖19，端盖19螺纹连接在外筒2的另一端的安装口上，且端盖19的中部位置上开设有第一开口20，复位弹簧17的另一端连接于端盖19。端盖19主要用于为复位弹簧17提高支撑作用；同时，在端盖19上开设第一开口20，使得活塞16上部的钻井液和活塞16下部第二液压腔6中的液压液体处于压力平衡的状态，以便对装置内部的温度压力变化造成的液压液体积变化进行补偿。

当安装有切削深度自调节机构1的PDC钻头26受到冲击时，球头齿3缩回，第一液压腔5的体积变小，第一液压腔5中的液压液体通过节流孔板9流到第二液压腔6中；由于节流孔板9上的孔径很小，此时节流阻尼阀4上的单向阀(即由丝堵10、连接弹簧11以及钢球12所共同构成的单向阀)处于截止状态，因此，流入到第二液压腔6中的液压液体流速很慢，导致球头齿3缩回的速度非常慢，因而球头齿3起到承受冲击载荷的作用，同时也限制了钻头26的主切削齿切削深度短时间内快速加大的情况发生，从能量转换的角度来看，冲击的机械能很大一部分转换成流体摩擦产生的热能，这样就实现了切削深度自调节机构1吸收振动冲击、保护钻头26主切削齿的作用。

当钻头26在较软的地层中钻进时，钻头26受到地层岩石施加的沿着钻进反方向较长时间的作用力，球头齿3逐渐缩回到新的平衡位置，活塞16上移、复位弹簧17压缩，使钻头26的主切削齿切削深度逐渐加深，钻头26可以获取较快的机械钻速，切削深度自调节机构1实现了钻头26的主切削齿切削深度的自适应调节。

当钻头26钻遇软硬地层分界面时，钻头26的主切削齿切削深度突然降低，球头齿3在原来平衡位置受到软地层的推力迅速减小，被压缩的复位弹簧17推动活塞16下移，第二液压腔6中的液压液体通过开启的单向阀快速流入下腔第一液压腔5中，推动球头齿3迅速伸出到一个新的平衡位置，与钻头26的主切削齿高低差迅速减小，钻头26的主切削齿的切削深度被限定在这个较小的高低差范围内，从而起到切削深度自动调节的作用，使钻头26的切削深度不会过深，从而避免钻头26钻进过程中产生粘滑振动，减小岩石对钻头26的冲击，进一步保护钻头26的切削齿，提高钻头26进尺并延长钻头26使用时间。

综上可知，本申请提供一种切削深度自调节机构1及钻头26，该切削深度自调节机构1使钻头26可以随着持续变化的钻井环境自动调节切削深度，在提高钻进速度的情况下缓减粘滑振动，从而有效地克服了传统的固定齿切削深度固定不变的局限，不需要固定的切削深度控制预设计。该切削深度自调节机构1的可调节的切削深度控制单元具有收缩性能，因此能够避免钻头26的切削齿与地层的过度啮合，从而防止钻头26过早失效，并且能够有效地防止引起底部钻具组合部件毁坏和扭断的可能性，且能在维持较高钻进速度的前提下，扩大钻头26稳定操作区域；还能够有效避免粘滑振动，保护钻头26切削齿和底部钻具组合，延长进尺、提升钻井施工的安全性，提高钻井施工的效率和效益。

第二实施例：

请参照图3，本申请实施例中提供另外一种结构的切削深度自调节机构1及钻头26，其大部分结构与第一实施例中的相同，区别在于本申请中的防护结构18与第一实施例中的有所不同。

需要说明的是，在本实施例中，防护结构18包括安装盖21、保护盖22以及橡胶皮囊23；安装盖21安装在外筒2的另一端上，且安装盖21上开设有第二开口24，复位弹簧17的另一端压接于安装盖21上；保护盖22通过螺纹连接盖设在安装盖21上，并且保护盖22上开设有第三开口25；橡胶皮囊23设置在保护盖22内，并连接于第二开口24。

进一步地，安装盖21的中间开设有螺纹通孔，用于安装小尺寸的橡胶皮囊23，可以起到隔离钻井液的作用，保护了活塞16上的O型密封圈，延长了本装置的使用寿命。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种切削深度自调节机构，其特征在于，包括：

外筒；

球头齿，可移动地安装在所述外筒的一端上，能够缩进或者伸出所述外筒；

节流阻尼阀，安装在所述外筒内，并将所述外筒内腔分隔成第一液压腔和第二液压腔，所述第一液压腔和所述第二液压腔中装有液压液体；

液压复位组件，可移动地安装在所述外筒的另一端内，并能够在所述第二液压腔内的液压液体的驱动下进行移动。

2.根据权利要求1所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述节流阻尼阀包括阀体、节流孔板、丝堵、连接弹簧、钢球以及挡圈，所述阀体具有间隔开设的第一通口和第二通口；所述阀体安装在所述外筒的内侧孔壁上，所述节流孔板安装在所述第一通口中，所述丝堵安装在所述第二通口靠近所述球头齿的一端中，所述连接弹簧安装在所述第二通口上，且一端与所述丝堵压接，另一端与所述钢球压接；所述挡圈安装在所述外筒的内侧孔壁上，并挡住所述阀体靠近所述液压复位组件的一端。

3.根据权利要求2所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述节流孔板沿所述阀体的轴向设置。

4.根据权利要求2所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述节流孔板至少为一个。

5.根据权利要求1所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述液压复位组件包括活塞、复位弹簧以及防护结构，所述防护结构盖设在所述外筒的另一端上，所述活塞可移动地安装在所述外筒的内侧孔壁上，所述复位弹簧的一端压接于所述活塞上，另一端压接于所述防护结构上。

6.根据权利要求5所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述防护结构包括端盖，所述端盖安装在所述外筒的另一端上，且开设有第一开口，所述复位弹簧的另一端压接于所述端盖上。

7.根据权利要求5所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述防护结构包括安装盖、保护盖以及橡胶皮囊；所述安装盖安装在所述外筒的另一端上，且开设有第二开口，所述复位弹簧的另一端压接于所述安装盖上；所述保护盖盖设在所述安装盖上，并开设有第三开口；所述橡胶皮囊设置在所述保护盖内，并连接于所述第二开口。

8.一种钻头，包括至少一个权利要求1至7任一项所述的切削深度自调节机构，其特征在于，所述切削深度自调节机构安装在所述钻头的刀翼上，所述球头齿的伸出高度小于或等于所述钻头的主切削齿的伸出高度，所述主切削齿到所述钻头轴心的距离与所述球头齿到所述钻头轴心的距离相同。

9.根据权利要求8所述的钻头，其特征在于，所述外筒与所述钻头螺纹连接。

10.根据权利要求8所述的钻头，其特征在于，所述外筒上开设有卡槽，所述钻头上安装有卡簧，通过所述卡簧将所述外筒安装在所述卡槽中。