CN111364917B - 利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，包括上接头、涡轮总成、齿轮减速器、冲击总成、抗冲击钻头总成。所述的冲击总成前端连接抗冲击钻头总成，后端连接齿轮减速器，减速器由涡轮总成驱动。当高压钻井液进入到上接头内部通道中，钻井液驱动涡轮高速转动，经齿轮减速器后，减速到适合冲击筒振动冲击的频率，通过销钉与冲击筒的滑道配合，提升冲击筒并压缩弹簧，当销钉运动到冲击筒滑道的上极限位置时，销钉滑落到冲击筒底端，弹簧释放压力，冲击筒撞击冲击接头，实现钻头的轴向冲击功能。本发明可以实现钻头周期性的轴向冲击，钻头刀翼上镶有圆锥形复合片，能减小冲击对钻头造成的损伤，延长钻头的使用寿命，提高破岩效率。

Description

利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井、矿山开采、地质钻探等领域中利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头。
背景技术
随着陆地上在浅层中的石油资源日渐枯竭，钻井工程则逐渐向深井、超深井等环境条件严峻和复杂的领域发展，并且井深的增加也会导致岩石破碎的难度随之相应的增大，从而使钻头破岩效率变低，钻井速度也会下降，提高硬地层转速是世界公认的难题之一。在传统的旋转钻井方式中如果钻至硬地层时，钻速下降，钻井效率降低，钻井周期更长，成本更高，而钻井速度的提高关键在于如何提高钻头的破岩效率。如果将一定周期性的轴向振动与冲击施加于钻头上，则能够极大地提高钻头在硬地层中的破岩效率并提高机械转速。
基于此，为了有效地提高钻头机械转速，提高破岩效率，我们提出了一种利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头。
发明内容
为了进一步提高深井、硬地层的钻井速度，提高破岩效率，降低钻井周期和成本，提高钻头使用寿命，本发明提出了一种利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头。本发明的钻头在工作时，高压钻井液进入到上接头内部通道中，钻井液驱动涡轮高速转动，经齿轮减速器后，减速到适合冲击筒振动冲击的频率，通过销钉与冲击筒的滑道配合，提升冲击筒并压缩弹簧，当销钉运动到冲击筒滑道的上极限位置时，销钉滑落到冲击筒底端，弹簧释放压力，冲击筒撞击冲击接头，实现钻头的轴向冲击功能。
本发明的技术方案是：利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，其特征在于：所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头从后端到前端依次为上接头、涡轮总成、齿轮减速器、冲击总成、抗冲击钻头总成，上接头通过螺纹链接在抗冲击钻头总成上端；所述涡轮总成包括上支撑架、轴承a、密封圈a、开口销、涡轮、转轴、圆头平键、上导流套、密封圈b、轴承b，所述齿轮减速器包括主动齿轮、从动齿轮、齿圈、轮系保持架、外筒体，所述冲击总成包括弹簧、冲击筒、销钉、下导流套、冲击接头，所述抗冲击钻头总成包括钻头体、圆锥复合片；转轴从上到下依次安装上支撑架、轴承a、密封圈a、开口销、涡轮、上导流套、密封圈b、轴承b，上支撑架与上接头内壁采用阶梯与型面配合；齿轮减速器从内到外依次是主动齿轮、从动齿轮、轮系保持架、齿圈、外筒体，主动齿轮安装在转轴的末端，齿圈固定在外筒体的内壁；弹簧安装在轮系保持架的转轴上，从上往下依次安装冲击筒、销钉、密封圈c、下导流套、冲击接头、钻头体，冲击接头下端有四个沿周向均布的凸台，嵌入钻头体内壁底部的4个沿周向均布的凹槽；所述利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头的涡轮总成与齿轮减速器为组合式，工作时，泥浆进入上接头内部，驱动涡轮带动转轴与齿轮减速器转动，经齿轮减速器减速后，轮系保持架转动，使销钉与冲击筒内壁的滑道配合运动，销钉从滑道底部运动至滑道上极限位置，弹簧被压缩，随后销钉滑至滑道底部，弹簧释放压力，冲击筒撞击下导流套与冲击接头，实现钻头周期性的轴向振动与冲击，调节钻井液压力，可改变涡轮的转速，进而可调节轴向冲击的频率；上支撑架设有4个环形流道；密封圈a、密封圈b和密封圈c均采用O型密封圈，涡轮周向均布12个叶片，上导流套和下导流套周向均布6个导流片，冲击筒与下导流套通过滑键配合实现周向定位，外筒体与上导流套和下导流套通过螺纹连接，冲击接头内部设有环形流道与6个导流孔，钻头体的每片刀翼上镶有2个圆锥复合片。
本发明的效益是：(1)通过销钉与冲击筒内壁滑道的配合运动，利用弹簧的压缩与回复，冲击筒冲击下分流套和冲击接头，产生周期性的轴向振动和冲击，提高破岩效率；(2)通过上导流套、外筒体和下导流套的连接配合，使泥浆无法进入齿轮减速器，保证钻头工作时的可靠性，延长使用寿命；(3)通过在钻头的刀翼上镶嵌圆锥复合片，可减小冲击时岩石对钻头牙齿的损耗，延长钻头的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明图1中的A-A截面图。
图3是本发明图1中的B-B截面图。
图4是本发明中上支撑架的结构示意图。
图5是本发明中上导流套的接头示意图。
图6是本发明中轮系支撑架的结构示意图。
图7是本发明中冲击锤的结构示意图。
图8是本发明中冲击接头的示意图。
图9是本发明中抗冲击钻头总成的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参见附图1，利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，其特征在于：所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头从后端到前端依次为上接头1、涡轮总成、齿轮减速器、冲击总成、抗冲击钻头总成，上接头1通过螺纹链接在抗冲击钻头总成上端；所述涡轮总成包括上支撑架2、轴承a3、密封圈a4、开口销5、涡轮6、转轴7、圆头平键8、上导流套9、密封圈b10、轴承b11，所述齿轮减速器包括主动齿轮12、从动齿轮13、齿圈14、轮系保持架15、外筒体17，所述冲击总成包括弹簧16、冲击筒18、销钉19、下导流套21、冲击接头22，所述抗冲击钻头总成包括钻头体23、圆锥复合片24；转轴7从上到下依次安装上支撑架2、轴承a3、密封圈a4、开口销5、涡轮6、上导流套9、密封圈b10、轴承b11，上支撑架2与上接头1内壁采用阶梯与型面配合；齿轮减速器从内到外依次是主动齿轮12、从动齿轮13、轮系保持架15、齿圈14、外筒体17，主动齿轮12安装在转轴7的末端，齿圈14固定在外筒体17的内壁；弹簧16安装在轮系保持架15的转轴上，从上往下依次安装冲击筒18、销钉19、密封圈c20、下导流套21、冲击接头22、钻头体23，冲击接头22下端有四个沿周向均布的凸台，嵌入钻头体23内壁底部的4个沿周向均布的凹槽；上支撑架2设有4个环形流道；密封圈a4、密封圈b10和密封圈c20均采用O型密封圈；涡轮6周向均布12个叶片，上导流套9和下导流套21周向均布6个导流片，冲击筒18与下导流套21通过滑键配合实现周向定位，外筒体17与上导流套9和下导流套21通过螺纹连接，冲击接头22内部设有环形流道与6个导流孔，钻头体23的每片刀翼上镶有2个圆锥复合片24。
所述利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头的涡轮总成与齿轮减速器为组合式，工作时，泥浆进入上接头1内部，驱动涡轮6带动转轴7与齿轮减速器转动，经齿轮减速器减速后，轮系保持架15转动，使销钉19与冲击筒18内壁的滑道配合运动，销钉19从滑道底部运动至滑道上极限位置，弹簧16被压缩，随后销钉19滑至滑道底部，弹簧16释放压力，冲击筒18撞击下导流套21与冲击接头22，实现钻头周期性的轴向振动与冲击，调节钻井液压力，可改变涡轮6的转速，进而可调节轴向冲击的频率。

Claims (4)

1.利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，其特征在于：所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头从后端到前端依次为上接头(1)、涡轮总成、齿轮减速器、冲击总成、抗冲击钻头总成，上接头通过螺纹链接在抗冲击钻头总成上端；所述涡轮总成包括上支撑架(2)、轴承a(3)、密封圈a(4)、开口销(5)、涡轮(6)、转轴(7)、圆头平键(8)、上导流套(9)、密封圈b(10)、轴承b(11)，所述齿轮减速器包括主动齿轮(12)、从动齿轮(13)、齿圈(14)、轮系保持架(15)、外筒体(17)，所述冲击总成包括弹簧(16)、冲击筒(18)、销钉(19)、下导流套(21)、冲击接头(22)，所述抗冲击钻头总成包括钻头体(23)、圆锥复合片(24)；转轴(7)从上到下依次安装上支撑架(2)、轴承a(3)、密封圈a(4)、开口销(5)、涡轮(6)、上导流套(9)、密封圈b(10)、轴承b(11)，上支撑架(2)与上接头(1)内壁采用阶梯与型面配合；齿轮减速器从内到外依次是主动齿轮(12)、从动齿轮(13)、轮系保持架(15)、齿圈(14)、外筒体(17)，主动齿轮(12)安装在转轴(7)的末端，齿圈(14)固定在外筒体(17)的内壁；弹簧(16)安装在轮系保持架(15)的转轴上，从上往下依次安装冲击筒(18)、销钉(19)、密封圈c(20)、下导流套(21)、冲击接头(22)、钻头体(23)，冲击接头(22)下端有四个沿周向均布的凸台，嵌入钻头体(23)内壁底部的4个沿周向均布的凹槽。
2.根据权利要求1所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，其特征在于：所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头的涡轮总成与齿轮减速器为组合式，在工作时，泥浆进入上接头内部，驱动涡轮(6)带动转轴(7)与齿轮减速器转动，经齿轮减速器减速后，轮系保持架(15)转动，使销钉(19)与冲击筒(18)内壁的滑道配合运动，销钉(19)从滑道底部运动至滑道上极限位置，弹簧(16)被压缩，随后销钉滑至滑道底部，弹簧(16)释放压力，冲击筒(18)冲击下导流套(21)与冲击接头(22)，实现钻头周期性的轴向振动与冲击，调节钻井液压力，可改变涡轮(6)的转速，进而可调节轴向冲击的频率。
3.根据权利要求1所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，其特征在于：上支撑架(2)设有4个环形流道，密封圈a(4)、密封圈b(10)和密封圈c(20)均采用O型密封圈，涡轮(6)周向均布12个叶片，上导流套(9)和下导流套(21)周向均布6个导流片，冲击接头(22)内部设有环形流道与6个导流孔。
4.根据权利要求1所述的利用涡轮和齿轮实现轴向冲击功能的钻头，其特征在于：冲击筒(18)与下导流套(21)通过滑键配合实现周向定位，外筒体(17)与上导流套(9)和下导流套(21)通过螺纹连接，钻头体(23)的每片刀翼上镶有2个圆锥复合片(24)。
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