CN110513047A - 一种自激发液击振动牙轮钻头 - Google Patents
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Abstract
一种自激发液击振动牙轮钻头，牙轮钻头本体主要由上静体，下动体组成。下动体的振动往复活塞体插入上静体的激振腔中，两者之间以复位拉簧相隔；两者之间可纵向往复活动。牙轮钻头本体中具有周期性封闭主流道的装置。本发明通过巧妙地利用水击原理，设计了一种可以自激发产生周期性水击现象，从而推动下动体向下运动，在水击结束后，由复位拉簧拉动复位的装置。在钻头进给方向上，通过下动体的往复运动，再给前端的钻齿以钻进冲击。起到提高钻进效率的目的。本发明的有益效果是，钻头中不具有机电元器件，寿命长；利用洗井液的冲力，无需另外的能源输入；自激发，不需要进行监控。
Description
技术领域
本发明涉及一种地质用牙轮钻头，具体说是一种自激发液击振动牙轮钻头。
背景技术
牙轮钻头是使用最广泛的一种钻井钻头。牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对减少磨损。三牙轮钻头是应用最广泛的钻井钻头之一，具有适应地层广，机械钻速高的特点。
三牙轮钻头在井底的运动，决定牙轮与牙齿的运动，也就直接决定牙齿对地层岩石的破碎作用。钻头在井底的运动主要分为：钻头的公转、钻头的自转、横向振动、扭转振动、牙轮的滑动，以及钻头的纵振(轴向振动)。
钻头工作时，对一个牙轮而言，牙齿与井底的接触是各齿交替进行的。单齿着地时，牙轮的轮心处于最高位置，双齿着地时则轮心下降。牙轮在转动过程中，轮心位置不断上下变换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的轴向振动。在旋转钻井中，钻头纵振频率一般为100～500次/min。此外，由于井底不平，钻头产生振幅较大的低频振动。据国外资料介绍，低频振动的振幅就是井底凹凸部分的高差，一般为10mm左右，频率低于50次/min。牙轮钻头的纵振，是上述两种振动之和，它构成了牙齿的冲击压入作用，破碎岩石，提高破碎效率。
《高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法》文中指出，冲击频率与冲击时间负相关，冲击频率与冲击力正相关。
发明专利号为200910061800.3的一种应用于振动切削的电控液击激振方法及装置，采用了水击原理。
水击是封闭管道中液体流速突然变化引起的压力急剧变化或波动，是封闭管道中的一种非定常压力流。该专利涉及一种应用于振动切削的电控液击激振方法及装置,装置的激振系统和切削冷却系统合二为一,产生液击能的切削液同时作为切削刀具的冷却液。以电机的旋转带动活阀旋转实现液路的瞬时导通与关断,液路关断液腔内液压骤增发生液击现象,瞬时高压产生的脉冲力使活塞向下运动压缩弹簧,液路导通活塞受弹簧力作用向上运动,液路周期性地导通与关断,活塞受迫上下运动形成中高频可控的振动。
但是钻头在井底，不便采用可控的方式来进行。也由于钻头所处的恶劣工况环境，也不能够对钻头进行精细化的改造，使得期中具有很多电子元器件。同时，需要提高钻头与井底的冲击频率。
发明内容
为应对现有技术中存在不足与对现有技术进行优化，本发明提出一种自激发液击振动牙轮钻头。
一种自激发液击振动牙轮钻头，牙轮钻头本体(1)主要由上静体(5)，下动体(6)组成；下动体(6)的振动往复活塞体(7)插入上静体(5)的激振腔(4)中，下动体(6)与上静体(5)之间以复位拉簧(19)相隔；下动体(6)可以相对于上静体(5)轴向往复活动。
牙轮钻头本体(1)的下动体(6)中具有周期性封闭主流道(2)的装置。
下动体(6)上的流道中设置回转腔(9)；所述的装置为回转腔(9)中设置的、具有径向泄压孔(12)的回转轴(11)；在回转轴(11)的回转轴右端(14)固定安装涡轮(15)，回转轴(11)随涡轮(15)在回转腔(9)中旋转；所述的回转腔(9)、径向泄压孔(12)、涡轮(15)均处于洗井液的流道之中。
洗井液的流动依次经过主流道(2)、激振腔(4)、冲击流道(8)、径向泄压孔(12)和环形液隙(91)、泄压流道(16)、喷液口(17)和流道出口(18)；喷液口(17)正对所述涡轮(15)的涡轮叶片(151)。
本发明的钻头为分体式的。
下动体(6)与上静体(5)之间以复位拉簧(19)相隔，通过下动体(6)可以相对于上静体(5)轴向往复活动来实现下动体(6)轴向振动的功能。
本发明通过巧妙地利用水击原理，设计了一种可以自激发产生周期性水击现象，从而推动下动体(6)向下运动，在水击结束后，由复位拉簧(19)拉动下动体(6)复位。如此往复，实现了下动体(6)的往复振动，进而带动下动体(6)前段的牙轮进行往复振动。
在钻头进给方向上，通过下动体(6)的往复运动，给前端的钻齿以钻进冲击。起到提高钻进效率的目的。
本发明的有益效果是，钻头中不具有机电元器件，寿命长；利用洗井液的冲力，无需另外的能源输入；自激发，不需要进行监控。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
各附图名称为:
图1：本发明的剖面视图。
图2：本发明的AA截面图。
图3：本发明的局部剖面图。
图4：本发明的回转轴右视图。
图5：本发明的涡轮示意图。
其中：
1-牙轮钻头本体，2-主流道，3-洗井液流向线，4-激振腔，5-上静体，6-下动体，7-振动往复活塞体，8-冲击流道，9-回转腔，91-环形液隙，10-左轴承，101-右轴承，11-回转轴，12-径向泄压孔，13-回转轴挡耳，131-防限位射流孔，14-回转轴右端，15-涡轮，151-涡轮叶片，16-泄压流道，17-喷液口，18-流道出口，19-复位拉簧，20-限位销钉孔，21-限位销钉，22-限位槽，23-耐磨层，24-啮合滑齿。
具体实施方式
下面结合具体附图来说明本发明的典型实施方式。
如图1-5所示：
一种自激发液击振动牙轮钻头，牙轮钻头本体(1)主要由上静体(5)，下动体(6)组成；下动体(6)的振动往复活塞体(7)插入上静体(5)的激振腔(4)中，下动体(6)与上静体(5)之间以复位拉簧(19)相隔；下动体(6)可以相对于上静体(5)轴向往复活动。
牙轮钻头本体(1)的下动体(6)中具有周期性封闭主流道(2)的装置。
现有技术的钻头大多都是，用多片牙掌一体焊接而成，其轴向振动是由于其牙轮旋转过程中，与井底的周期性接触产生的振动而来，属于低频振动。
本发明的技术方案，下动体(6)可以相对于上静体(5)轴向往复活动，将钻头一分为二，为进一步地提供自激振动提供了结构上的可能。
激振腔(4)是水击发生的最前端腔体，当牙轮钻头本体(1)中的主流道(2)被封闭后，其产生的水击压力波逆向于水流方向传递。并给与下动体(6)以大的水击冲击力，推动下动体(6)下行。当牙轮钻头本体(1)中的主流道(2)打开后，水击现象消失，下动体(6)在复位拉簧(19)作用下复位。
如此周而复始地，实现下动体(6)的往复周期运动。
作为进一步的优选方案一：
下动体(6)上的流道中设置回转腔(9)；所述的装置为回转腔(9)中设置的、具有径向泄压孔(12)的回转轴(11)；在回转轴(11)的回转轴右端(14)固定安装涡轮(15)，回转轴(11)随涡轮(15)而在回转腔(9)中旋转；所述的回转腔(9)、径向泄压孔(12)、涡轮(15)均处于洗井液的流道之中。
回转轴(11)两侧以左轴承(10)和右轴承(101)支撑于回转腔(9)内。
洗井液的流动依次经过主流道(2)、激振腔(4)、冲击流道(8)、径向泄压孔(12)和环形液隙(91)、泄压流道(16)、喷液口(17)和流道出口(18)；喷液口(17)正对所述涡轮(15)的涡轮叶片(151)。如洗井液流向线(3)走向所示。
自径向泄压孔(12)流出的洗井液，经喷液口(17)喷向涡轮叶片(151)的盘面，从而使得涡轮叶片(151)旋转，进而驱动回转轴(11)旋转，进而使得主流道(2)被周期性地封闭、打开。从而产生持续不断的水击现象，并在激振腔(4)中产生周期性的压力升高和降低，压力升高时，推动下动体(6)下行，压力降低时，复位拉簧(19)拉动其上行，最终体现出来的是下动体(6)的周期性振动。在钻井过程中，这一振动可以起到破碎岩石、提高进给效率的作用。
同时，为了防止停机时，径向泄压孔(12)正好未停在与冲击流道(8)相对的位置(死点位)而产生堵转的情况，还设有环形液隙(91)，使得部分液体能够源源不断地由环形液隙(91)流出，流向涡轮叶片(151)而驱动回转轴(11)缓慢转动。
随着水流速的增大，径向泄压孔(12)周期性开闭洗井液通道的周期越短，产生的水击现象频率越高，进而下动体(6)周期性振动频率也就越高，钻进碎岩效果越好。
作为优选的技术方案二：
所述的径向泄压孔(12)为一个，或者为相互垂直的、相同直径的两个；泄压孔(12)为圆形孔，其轴线垂直相交于回转轴(11)的轴线。
一个和两个的区别在于产生的振动频率不同：在同一个时间周期中，洗井液通道被通断的次数是不同的。
需要说明的一点是，本发明仅提供技术方案，具体的实施方式(如：寻找回转轴(11)旋转速度与水压大小之间的关系、转速与洗井液流速之间的平衡等)需要更进一步的研究，因此本技术方案上，许多技术细节并未公布。
作为优选的技术方案三：
在上静体(5)上设置限位销钉孔(20)，其中容纳限位销钉(21)；在下动体(6)对应的位置设置限位槽(22)；所述的限位销钉(21)插入限位槽(22)中；所述的限位槽(22)的沿轴向的尺寸小于2mm。2mm即为下动体(6)振幅的极限，优选的振动幅度小于1mm。
作为优选的技术方案四：
在所述的回转轴(11)上设置回转轴挡耳(13)；在所述的回转轴挡耳(13)上沿回转轴(11)轴向贯通地开有防限位射流孔(131)。
防限位射流孔(131)既是向涡轮叶片(151)喷射洗井液，使得只要有洗井液流动其中，不论径向泄压孔(12)是否开放了液路，都能使得涡轮叶片(151)转动，避免回转轴(11)旋转到死限位。
或者即使在洗井液低流速的情况下，防限位射流孔(131)流向涡轮叶片(151)的洗井液不足以使得涡轮叶片(151)旋转，当正常钻井时，较高的水压也能迫使涡轮叶片(151)旋转，从而使得径向泄压孔(12)周期开闭液路。
作为优选的技术方案五：
沿回转轴挡耳(13)周向均布防限位射流孔(131)。
作为优选的技术方案六：
所述的单个径向泄压孔(12)的通量是冲击流道(8)通量的70％-90％。大部分的洗井液均通过这一途径流入井底，占大比例的流量，也较容易在激振腔(4)中产生水击(水击的剧烈程度与流速、通量、通路闭合时长等有非常直接的关系)。
所述的回转轴(11)与回转腔(9)之间的环形液隙(91)的通量是冲击流道(8)通量的10％-30％；所述的防限位射流孔(131)的通量是冲击流道(8)通量的10％-30％。
作为优选的技术方案七：
所述的振动往复活塞体(7)表面、上静体(5)内表面与振动往复活塞体(7)接触处均焊接有耐磨层(23)。
另外需要补充，上静体(5)和下动体(6)之间还具有啮合滑齿(24)，使得上静体(5)和下动体(6)仅能够相对轴向运动，不能产生周向相对位移。
另外，本发明的实施方式是表示本发明的内容的一例，可以进一步与其它的公知技术组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内省略一部分等进行变更来构成。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (8)
1.一种自激发液击振动牙轮钻头，牙轮钻头本体(1)主要由上静体(5)，下动体(6)组成；
其特征在于：下动体(6)的振动往复活塞体(7)插入上静体(5)的激振腔(4)中，下动体(6)与上静体(5)之间以复位拉簧(19)相隔；
其特征在于：下动体(6)可以相对于上静体(5)轴向往复活动；
牙轮钻头本体(1)的下动体(6)中具有周期性封闭主流道(2)的装置。
2.如权利要求1所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于下动体(6)上的流道中设置回转腔(9)；
所述的装置为回转腔(9)中设置的、具有径向泄压孔(12)的回转轴(11)；
在回转轴(11)的回转轴右端(14)固定安装涡轮(15)，回转轴(11)随涡轮(15)而在回转腔(9)中旋转；
所述的回转腔(9)、径向泄压孔(12)、涡轮(15)均处于洗井液的流道之中；
其特征在于：洗井液的流动依次经过主流道(2)、激振腔(4)、冲击流道(8)、径向泄压孔(12)和环形液隙(91)、泄压流道(16)、喷液口(17)和流道出口(18)；喷液口(17)正对所述涡轮(15)的涡轮叶片(151)。
3.如权利要求2所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于所述的径向泄压孔(12)为一个，或者为相互垂直的、相同直径的两个；
径向泄压孔(12)为圆形孔，其轴线垂直相交于回转轴(11)的轴线。
4.如权利要求1至3任一所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于在上静体(5)上设置限位销钉孔(20)，其中容纳限位销钉(21)；
在下动体(6)对应的位置设置限位槽(22)；
所述的限位销钉(21)插入限位槽(22)中；
所述的限位槽(22)沿轴向的尺寸小于2mm。
5.如权利要求4所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于：
在所述的回转轴(11)上设置回转轴挡耳(13)；
在所述的回转轴挡耳(13)上沿回转轴(11)轴向贯通地开有防限位射流孔(131)。
6.如权利要求5所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于沿回转轴挡耳(13)周向均布防限位射流孔(131)。
7.如权利要求5或6所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于：
所述的单个径向泄压孔(12)的通量是冲击流道(8)通量的70％-90％；
所述的回转轴(11)与回转腔(9)之间的环形液隙(91)的通量是冲击流道(8)通量的10％-30％；
所述的防限位射流孔(131)的通量是冲击流道(8)通量的10％-30％。
8.如权利要求7所述的一种自激发液击振动牙轮钻头，其特征在于所述的振动往复活塞体(7)表面、上静体(5)内表面与振动往复活塞体(7)接触处均焊接有耐磨层(23)。
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