CN112832687B - 一种能够调节切削深度的智能钻头及其工作原理 - Google Patents

一种能够调节切削深度的智能钻头及其工作原理 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种能够调节切削深度的智能钻头及其工作原理，它包括钻头体、中间短节、外接短节，钻头体顶部均布着钻头刀翼和水眼；主动螺杆前端通过刀翼螺孔，中段穿过密封舱室底部的钻头体螺孔，尾端连接小齿轮，小齿轮与内齿轮装置、外齿轮装置咬合相接，外齿轮装置下端穿过环形板的弧形滑道连接旋转叶片，旋转叶片安装在基座上，基座底部与环形布线板相连，环形布线板与电揽通道相通，电缆通道连通中间短节内部的声波测井仪，尾端连接外接短节的数据处理装置。本发明可以根据地层岩石的情况，自动调节钻头的切削深度，避免切削齿咬入地层过深，从而可以减少钻头的震动、粘滑和地层对钻头的冲击，从而大幅提高钻井速度。

Description

一种能够调节切削深度的智能钻头及其工作原理
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，具体涉及一种能够调节切削深度的智能钻头及其工作原理。
背景技术
传统的钻头往往只能针对某一种特殊的岩石而设计，而在实际钻井过程中，钻头往往需要穿透多种不同类型的岩石层，当地层岩性发生变化时，钻进速度会随之变化，容易引起钻头和井下组件的失效，导致由于井底复杂事故造成的钻井成本增加和效率降低，并且钻头还可能因切削太深，卡在岩石中停止转动，而钻杆仍继续旋转，导致钻头的加速磨损甚至设备损坏。
随着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转速下引起的扭转失稳，进而造成黏滑振动。
针对上述问题，有必要提供一种调节切削深度智能钻头，减少钻井时钻头的震动、黏滑和地层对钻头的冲击，以保证钻头能够更好的适应地层环境，提高钻头钻进效率，延长钻头寿命。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种能够调节切削深度的智能钻头，通过声波测井仪检测地层岩石的情况，能够调节钻头切削深度，减少钻井时钻头的震动、黏滑和地层对钻头的冲击，提高钻井速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：这种智能钻头包括半球形元件、钻头刀翼、钻头体、声波测井仪、外接短节、水眼、切削齿、中间短节、密封舱室、钻头体螺孔、耐温旋转密封圈、刀翼螺孔、主动锥形齿轮、主动螺杆、随动直齿轮、第一随动螺杆、第二随动螺杆、随动锥形齿轮、方形凸起、顶板螺孔、顶板、外齿轮装置、环形板、基座、环形布线板、内齿轮装置、小齿轮、弧形滑道、扭力弹簧、中间板、柱形电磁铁、旋转叶片、布线槽、衔铁片、挡板、直杆、电缆通道、数据处理装置、柱形凸起，钻头体上布置有钻头刀翼和水眼，钻头刀翼内部设置密封舱室，密封舱室内安装有主动螺杆、第一随动螺杆、第二随动螺杆、主动锥形齿轮、随动直齿轮和随动锥形齿轮，主动螺杆上端通过刀翼螺孔伸出钻头刀翼，主动螺杆下端穿过密封舱室底部的钻头体螺孔伸入到钻头体内，并通过顶板上的顶板螺孔与小齿轮固定连接，小齿轮与内齿轮装置、外齿轮装置相对应，内齿轮装置的内侧安装于基座中间侧壁上，内齿轮装置通过挡板与扭力弹簧相连，扭力弹簧下方设置中间板，中间板安装在基座中间侧壁上且位于旋转叶片上方，外齿轮装置底部直杆穿过环形板的弧形滑道嵌于旋转叶片上，旋转叶片安装于基座上且与柱形电磁铁相对应，基座壁上具有布线槽，布线槽通过基座内部指向环形布线板中的环形布线槽，环形布线板上的通孔与电揽通道相通，电缆通道穿过声波测井仪连接外接短节处的数据处理装置，声波测井仪置于中间短节壁上。
上述方案中所述第一随动螺杆、第二随动螺杆与主动螺杆顶端嵌入半球形元件，第一随动螺杆、第二随动螺杆与主动螺杆上端固定着耐温旋转密封圈。
上述方案中所述主动锥形齿轮固定在主动螺杆上，随动直齿轮安装在第一随动螺杆上与主动锥形齿轮相对应，随动锥形齿轮固定在第二随动螺杆上与随动直齿轮相对应，第一随动螺杆与第二随动螺杆上端通过刀翼螺孔伸出钻头刀翼，下端连接钻头体螺孔。
上述方案中所述外接短节、中间短节、基座与水眼形成钻井液通道。
上述方案中所述顶板、环形板、基座和环形布线槽外壁均布着方形凸起，镶嵌在钻头体内壁上。
上述方案中所述扭力弹簧上端与基座中间侧壁上柱形凸起相连接，扭力弹簧下端与挡板相嵌合。
上述方案中所述旋转叶片上嵌入衔铁，基座上安装有24个由线圈和铁芯组成的柱形电磁铁。
上述方案中所述声波测井仪块用于获取钻头所处地层岩性，以调节所述柱形电磁铁的通电数量，使得当前的主动螺杆伸出长度位于规定范围内。
上述方案中所述柱形电磁铁不通电设为一档，应对中硬地层；前四排柱形电磁铁通电设为二档，应对中中软地层；全部柱形电磁铁通电设为三挡，应对较软地层。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1.本发明克服了传统切削深度控制技术的局限，不需要固定的切削深度控制预设计，钻头可以根据变化的钻井环境随时调节切削深度，有利于提高机械转速。
2.本发明通过声波测井仪检测底层环境，电磁控制旋转叶片转动，实现钻头的智能化。
3.本发明通过控制半球形元件与切削齿的高度差，可以保证最好的切削深度，提高工作效率，保证最优的钻井速度。
4.本发明在刀翼螺孔内部安装耐温旋转密封圈起到了防水、防砂的作用，保护钻头内部装置。
5.本发明通过档位的设置，减小操作难度，提高控制精度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的整体剖面示意图。
图3是本发明的钻头体顶部剖面示意图。
图4是本发明的主动螺杆、钻头刀翼、第一随动螺杆、第二随动螺杆剖面示意图。
图5是本发明的主动螺杆、顶板、外齿轮装置、环形板、基座、环形布线板位置示意图。
图6是本发明中小齿轮与内外齿轮装置、外齿轮装置的关系示意图。
图7是本发明的环形板与扭力弹簧、中间板的结构示意图。
图8是本发明的基座和旋转叶片、柱形电磁铁的结构示意图。
图9是本发明的外齿轮装置与旋转叶片关系示意图。
图10是本发明的中间短节结构示意图。
图11是本发明的外接短节结构示意图。
图12是本发明的环形布线板接结构示意图。
图13是本发明的柱形电磁铁结构示意图。
图中：1.半球形元件；2.钻头刀翼；3.钻头体；4.声波测井仪；5.外接短节；6.水眼；7.切削齿；8.中间短节；9.密封舱室；10.钻头体螺孔；11.耐温旋转密封圈；12.刀翼螺孔；13.主动锥形齿轮；14.主动螺杆；15.随动直齿轮；16.第一随动螺杆；17.第二随动螺杆；18.随动锥形齿轮；19.方形凸起；20.顶板螺孔；21.顶板；22.外齿轮装置；23.环形板；24.基座；25.环形布线板；26.内齿轮装置；27.小齿轮；28.弧形滑道；29.扭力弹簧；30.中间板；31.柱形电磁铁；32.旋转叶片；33.布线槽；34.衔铁片；35.挡板；36.直杆；37.电缆通道；38.数据处理装置；39.柱形凸起；40.环形布线槽；41.通孔；42.线圈；43.铁芯。
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1-图13所示，这种智能钻头包括半球形元件1、钻头刀翼2、钻头体3、声波测井仪4、外接短节5、水眼6、切削齿7、中间短节8、密封舱室9、钻头体螺孔10、耐温旋转密封圈11、刀翼螺孔12、主动锥形齿轮13、主动螺杆14、随动直齿轮15、第一随动螺杆16、第二随动螺杆17、随动锥形齿轮18、方形凸起19、顶板螺孔20、顶板21、外齿轮装置22、环形板23、基座24、环形布线板25、内齿轮装置26、小齿轮27、弧形滑道28、扭力弹簧29、中间板30、柱形电磁铁31、旋转叶片32、布线槽33、衔铁片34、挡板35、直杆36、电缆通道37、数据处理装置38、柱形凸起39、环形布线槽40、通孔41、线圈42、铁芯43，钻头体3上布置有钻头刀翼2和水眼6，钻头刀翼2内部设置密封舱室9，密封舱室9内安装有主动螺杆14、第一随动螺杆16、第二随动螺杆17、主动锥形齿轮13、随动直齿轮15和随动锥形齿轮18，主动螺杆14上端通过刀翼螺孔12伸出钻头刀翼2，主动螺杆14下端穿过密封舱室9底部的钻头体螺孔10伸入到钻头体3内，并通过顶板21上的顶板螺孔20与小齿轮27固定连接，小齿轮27与内齿轮装置26、外齿轮装置22相对应，内齿轮装置26的内侧安装于基座24中间侧壁上，内齿轮装置26通过挡板35与扭力弹簧29相连，扭力弹簧29下方设置中间板30，中间板30安装在基座24中间侧壁上且位于旋转叶片32上方，外齿轮装置22底部直杆穿过环形板23的弧形滑道28嵌于旋转叶片32上，旋转叶片32安装于基座24上且与柱形电磁铁31相对应，基座24壁上具有布线槽33，布线槽33通过基座24内部指向环形布线板25中的环形布线槽40，环形布线板25上的通孔41与电缆通道37相通，电缆通道37穿过声波测井仪4连接外接短节5处的数据处理装置38，声波测井仪4置于中间短节8壁上。
本实施方式中第一随动螺杆16、第二随动螺杆17与主动螺杆14顶端嵌入半球形元件1，第一随动螺杆16、第二随动螺杆17与主动螺杆14上端固定着耐温旋转密封圈11；主动锥形齿轮13固定在主动螺杆14上，随动直齿轮15安装在第一随动螺杆16上与主动锥形齿轮13相对应，随动锥形齿轮18固定在第二随动螺杆17上与随动直齿轮15相对应，第一随动螺杆16与第二随动螺杆17上端通过刀翼螺孔12伸出钻头刀翼2，下端连接钻头体螺孔10。
本实施方式中外接短节5、中间短节8、基座24与水眼6形成钻井液通道；顶板21、环形板23、基座24和环形布线板25外壁均布着方形凸起，镶嵌在钻头体3内壁上；扭力弹簧29上端与基座24中间侧壁上柱形凸起39相连接，扭力弹簧29下端与挡板35相嵌合。
本实施方式中旋转叶片32上嵌入衔铁片34，基座24上安装有24个由线圈42和铁芯43组成的柱形电磁铁31；声波测井仪4用于获取钻头所处地层岩性，以调节所述柱形电磁铁31的通电数量，使得当前的主动螺杆14伸出长度与切削齿7形成一定的高度差；柱形电磁铁31不通电设为一档，应对中硬地层；前四排柱形电磁铁31通电设为二档，应对中软地层；全部柱形电磁铁31通电设为三挡，应对较软地层。

Claims (9)

1.一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：这种智能钻头包括半球形元件（1）、钻头刀翼（2）、钻头体（3）、声波测井仪（4）、外接短节（5）、水眼（6）、切削齿（7）、中间短节（8）、密封舱室（9）、钻头体螺孔（10）、耐温旋转密封圈（11）、刀翼螺孔（12）、主动锥形齿轮（13）、主动螺杆（14）、随动直齿轮（15）、第一随动螺杆（16）、第二随动螺杆（17）、随动锥形齿轮（18）、方形凸起（19）、顶板螺孔（20）、顶板（21）、外齿轮装置（22）、环形板（23）、基座（24）、环形布线板（25）、内齿轮装置（26）、小齿轮（27）、弧形滑道（28）、扭力弹簧（29）、中间板（30）、柱形电磁铁（31）、旋转叶片（32）、布线槽（33）、衔铁片（34）、挡板（35）、直杆（36）、电缆通道（37）、数据处理装置（38）、柱形凸起（39）、环形布线槽（40）、通孔（41）、线圈（42）、铁芯（43），钻头体（3）上布置有钻头刀翼（2）和水眼（6），钻头刀翼（2）内部设置密封舱室（9），密封舱室（9）内安装有主动螺杆（14）、第一随动螺杆（16）、第二随动螺杆（17）、主动锥形齿轮（13）、随动直齿轮（15）和随动锥形齿轮（18），主动螺杆（14）上端通过刀翼螺孔（12）伸出钻头刀翼（2），主动螺杆（14）下端穿过密封舱室（9）底部的钻头体螺孔（10）伸入到钻头体（3）内，并通过顶板（21）上的顶板螺孔（20）与小齿轮（27）固定连接，小齿轮（27）与内齿轮装置（26）、外齿轮装置（22）相对应，内齿轮装置（26）的内侧安装于基座（24）中间侧壁上，内齿轮装置（26）通过挡板（35）与扭力弹簧（29）相连，扭力弹簧（29）下方设置中间板（30），中间板（30）安装在基座（24）中间侧壁上且位于旋转叶片（32）上方；外齿轮装置（22）底部直杆穿过环形板（23）的弧形滑道（28）嵌于旋转叶片（32）上，旋转叶片（32）安装于基座（24）上且与柱形电磁铁（31）相对应，基座（24）壁上具有布线槽（33），布线槽（33）通过基座（24）内部指向环形布线板（25）中的环形布线槽（40），环形布线板（25）上的通孔（41）与电缆通道（37）相通，电缆通道（37）穿过声波测井仪（4）连接外接短节（5）处的数据处理装置（38），声波测井仪（4）置于中间短节（8）壁上。
2.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述第一随动螺杆（16）、第二随动螺杆（17）与主动螺杆（14）顶端嵌入半球形元件（1），第一随动螺杆（16）、第二随动螺杆（17）与主动螺杆（14）上端固定着耐温旋转密封圈（11）。
3.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述主动锥形齿轮（13）固定在主动螺杆（14）上，随动直齿轮（15）安装在第一随动螺杆（16）上与主动锥形齿轮（13）相对应，随动锥形齿轮（18）固定在第二随动螺杆（17）上与随动直齿轮（15）相对应，第一随动螺杆（16）与第二随动螺杆（17）上端通过刀翼螺孔（12）伸出钻头刀翼（2），下端连接钻头体螺孔（10）。
4.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述外接短节（5）、中间短节（8）、基座（24）与水眼（6）形成钻井液通道。
5.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述顶板（21）、环形板（23）、基座（24）和环形布线板（25）外壁均布着方形凸起，镶嵌在钻头体（3）内壁上。
6.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述扭力弹簧（29）上端与基座（24）中间侧壁上柱形凸起（39）相连接，扭力弹簧（29）下端与挡板（35）相嵌合。
7.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述旋转叶片（32）上嵌入衔铁片（34），基座（24）上安装有24个由线圈（42）和铁芯（43）组成的柱形电磁铁（31）。
8.根据权利要求1所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述声波测井仪（4）用于获取钻头所处地层岩性，以调节所述柱形电磁铁（31）的通电数量，使得当前的主动螺杆（14）伸出长度与切削齿（7）形成一定的高度差。
9.根据权利要求8所述的一种能够调节切削深度的智能钻头，其特征在于：所述柱形电磁铁（31）不通电设为一档，应对中硬地层；前四排柱形电磁铁（31）通电设为二档，应对中软地层；全部柱形电磁铁（31）通电设为三挡，应对较软地层。
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