CN113914780B - 石油钻井用高速平衡pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井技术领域，特别公开了一种石油钻井用高速平衡pdc钻头。其技术方案是：上接头的下端通过对接头连接中心钻头，镗削钻头主体通过镗铣传送套驱动连接；在镗削钻头主体与中心钻头之间的空腔内设有多组铣削钻头主体，每个铣削钻头主体的外壁安设传速介轮，通过传速介轮与对接头外壁的齿牙和镗铣传送套内壁的齿牙啮合；铣削钻头主体设有传速轴承和传速压帽，镗铣传送套与上接头之间设有分级轴承；有益效果是：本发明的中心钻头可以向下钻进，铣削钻头主体可以实现自转和绕着中心钻头做公转的旋转钻进功能，镗削钻头主体绕着中心钻头旋转，降低了镗削钻头主体的旋转速度，减少了外径部位的烧钻现象，提高了钻头的使用寿命。

Description

石油钻井用高速平衡pdc钻头

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种石油钻井用高速平衡pdc钻头。

背景技术

在石油的开采过程中，钻井是一个重要环节，在目前的钻井过程中，提高钻具的性能是各个钻具企业一直在努力的方向，而现有的钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一，钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏，在选用钻井工艺方面起着非常重要的作用，特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响，PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破岩工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期；pdc钻头主要有四个组成部分，即金刚石复合片、喷嘴、胎体以及钻头体，其存在的问题是：在钻井时，pdc钻头下入井下在钻杆的带动下旋转，从而实现钻进，一直在金刚石复合片磨光或者损坏时，就无法继续进行钻井，只能上提钻杆来更换新的钻头；在钻较浅的油井时，更换钻头的时间还比较短，可以接受；但是当钻几千米的深井时，在需要更换钻头时，需要一根一根的将钻杆上提，现有的钻杆一般的长度为7-13米左右，5000米井深就需要500根左右的钻杆，这样的上提和下入，会造成大量的时间浪费在起下钻杆上，造成钻井的成本大幅度攀升，形成巨额的钻井费用，因此，如何能提高pdc钻头的使用寿命，其具有重要的意义。

另外，在需要钻井的孔径较大时，就需要直径较大的pdc钻头，但是直径越大，就带来一个问题，钻头下端的中心位置的旋转的线速度与钻头外径部位的线速度差别非常大，也就是说中心位置与外径部位的旋转的角速度在钻杆的带动下是相同的，但是旋转的线速度却差别很大，这就造成大直径的钻头的外径，会快速的出现烧钻的情况，降低了钻头的硬度，导致钻头会快速的损失性能，降低使用寿命，从而只能频繁的更换钻头，造成钻井成本的成倍增加。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种石油钻井用高速平衡pdc钻头，通过设计中心钻头、铣削钻头主体和镗削钻头主体，中心钻头可以向下钻进，铣削钻头主体可以实现自转和绕着中心钻头做公转的旋转钻进功能，镗削钻头主体绕着中心钻头旋转，降低了镗削钻头主体的旋转速度，减少了外径部位的烧钻现象，提高了钻头的使用寿命。

本发明提到的一种石油钻井用高速平衡pdc钻头，其技术方案是：包括上接头、中心钻头和对接头，所述的上接头的下端通过对接头连接中心钻头的上端，其中，还包括分级轴承、传速压帽、传速轴承、铣削钻头主体、传速介轮、镗铣传送套和镗削钻头主体，所述的中心钻头为圆柱形结构，所述镗削钻头主体为圆筒形结构，位于中心钻头的最外圈，镗削钻头主体的上端通过镗铣传送套驱动连接；在镗削钻头主体与中心钻头之间的空腔内设有多组铣削钻头主体，每个铣削钻头主体的外壁安设传速介轮，通过传速介轮与对接头外壁的齿牙和镗铣传送套内壁的齿牙啮合；每个铣削钻头主体的顶部设有传速轴承和传速压帽，所述的镗铣传送套的上端与上接头之间设有分级轴承，分级轴承上部设有轴承压帽；所述上接头带动对接头旋转，对接头带动多个铣削钻头主体旋转，铣削钻头主体形成自转和绕中心钻头公转的运动，镗削钻头主体在镗铣传送套的带动下做旋转运动；所述的铣削钻头主体、镗削钻头主体和中心钻头的内壁中依次镶嵌焊接多个聚晶金刚石复合刀头。

优选的，上述的中心钻头包括钻具本体、排屑螺旋槽、中心循环孔、刀头镶嵌孔、上连接外螺纹、出水孔和中心钻硬质合金刀头，所述钻具本体的底部为锥形结构，上端设有上连接外螺纹，在钻具本体外侧设有排屑螺旋槽，在钻具本体的中心设有中心循环孔，且连通多个出水孔；所述的钻具本体内依次设有多个倾斜设置的刀头镶嵌孔，在刀头镶嵌孔内镶嵌焊接中心钻硬质合金刀头。

优选的，上述的铣削钻头主体包括铣削主体和传动主体，所述铣削主体为圆柱形结构，且依次镶嵌焊接铣削硬质合金刀头；铣削主体的上部为传动主体，所述传动主体的外径小于铣削主体的外径，且传动主体的中部设有凹槽，凹槽内设有扭矩键，通过扭矩键连接传速介轮；在传动主体的上端安装传速轴承，传速轴承的上方通过螺纹安装传速压帽。

优选的，上述的镗削钻头主体的顶部设有内螺纹，镗削钻头主体的下部为圆筒形，且圆筒形上依次分布有斜孔，在每个斜孔内镶嵌焊接镗削硬质合金刀头；所述的镗削钻头主体的顶部通过内螺纹连接镗铣传送套。

优选的，上述的镗铣传送套包括圆筒形套体、传速内齿轮、下轴承台、上轴承台、传扭延长距，所述的圆筒形套体的底部内壁安设传速内齿轮，用于与传速介轮啮合，外壁设有外接螺纹；圆筒形套体的中部为传扭延长距，圆筒形套体的上端内壁设有下轴承台和上轴承台，下轴承台的内径小于上轴承台的内径；所述下轴承台用于安装第一压力轴承、第二压力轴承和传速轴承；上轴承台用于安装分级轴承。

优选的，上述的对接头的下端外侧设有外齿轮，用于与传速介轮啮合；对接头的下端内壁设有中心钻头对接螺纹，用于与中心钻头连接；所述对接头的顶部设有动力对接螺纹，用于与上接头的下端连接。

优选的，上述的传速轴承的安装在第一压力轴承和第二压力轴承之间，通过第一压力轴承和第二压力轴承推动传速轴承形成向下的压力，从而推动铣削钻头主体向下钻动。

优选的，上述的上接头的外壁设有轴承径向间隔套，轴承径向间隔套外壁套有分级轴承，在分级轴承的上侧设有轴承压帽，并且通过连接螺钉固定在镗铣传送套的顶端。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

一、本发明通过设计中心钻头、铣削钻头主体和镗削钻头主体，中心钻头可以向下自转实现钻进，多个铣削钻头主体可以实现自转和绕着中心钻头做公转的钻进功能，镗削钻头主体绕着中心钻头旋转，由于设计了对接头、传速介轮和镗铣传送套，可以平衡三个钻头的线速度，降低了铣削钻头主体的公转速度，也降低了镗削钻头主体的转动速度，减少了烧钻的情况，高速运行平稳，延长了整个钻头的使用寿命；

二、本发明的铣削钻头主体模拟了机械上的铣削动作，铣削钻头主体不仅自身做旋转运动，而且还在移动，绕着中心钻头与圆筒形的镗削钻头主体形成的圆环形缝隙做圆周移动，这样，提高了整个钻头的钻进效率，减少了卡钻的情况；而圆筒形的镗削钻头主体仅做圆周运动，在自身上镶嵌焊接镗削硬质合金刀头，模拟了镗削动作，提高了大孔井的钻进效率。

附图说明

图1是本发明的正面结构示意图；

图2是图1的A-A截面示意图；

图3是中心钻头的结构示意图；

图4是铣削钻头主体的结构示意图；

图5是镗削钻头主体的结构示意图；

图6是镗铣传送套的结构示意图；

图7是图6的B-B的截面示意图；

图8是对接头的结构示意图；

图9是对接头的C-C结构示意图；

上图中：上接头1、轴承压帽2、连接螺钉3、轴承径向间隔套4、分级轴承5、第一压力轴承6、第二压力轴承7、传速压帽8、传速轴承9、铣削钻头主体10、铣削硬质合金刀头11、传速介轮12、镗铣传送套13、镗削钻头主体14、镗削硬质合金刀头15、中心钻头16、对接头17；

铣削主体10.1、传动主体10.2、扭矩键10.2.1、圆筒形套体13.1、传速内齿轮13.2、下轴承台13.3、上轴承台13.4、传扭延长距13.5、外接螺纹13.6、内螺纹14.1、钻具本体16.1、排屑螺旋槽16.2、中心循环孔16.3、刀头镶嵌孔16.4、上连接外螺纹16.5、出水孔16.6、中心钻硬质合金刀头16.7、外齿轮17.1、中心钻头对接螺纹17.2、动力对接螺纹17.3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照图1-2，本发明提到的一种石油钻井用高速平衡pdc钻头，包括上接头1、分级轴承5、传速压帽8、传速轴承9、铣削钻头主体10、传速介轮12、镗铣传送套13、镗削钻头主体14、中心钻头16和对接头17，所述的上接头1的下端通过对接头17连接中心钻头16的上端，所述的中心钻头16为圆柱形结构；所述镗削钻头主体14为圆筒形结构，位于中心钻头16的最外圈，镗削钻头主体14的上端通过镗铣传送套13驱动连接；在镗削钻头主体14与中心钻头16之间的空腔内设有多组铣削钻头主体10，每个铣削钻头主体10的外壁安设传速介轮12，通过传速介轮12与对接头17外壁的齿牙和镗铣传送套13内壁的齿牙啮合；每个铣削钻头主体10的顶部设有传速轴承9和传速压帽8，所述的镗铣传送套13的上端与上接头1之间设有分级轴承5，分级轴承5上部设有轴承压帽2；所述上接头1带动对接头17旋转，对接头17带动多个铣削钻头主体10旋转，铣削钻头主体10形成自转和绕中心钻头16公转的运动，镗削钻头主体14在镗铣传送套13的带动下做旋转运动；所述的铣削钻头主体10、镗削钻头主体14和中心钻头16的内壁中依次镶嵌焊接多个聚晶金刚石复合刀头。

参照图3，本发明的中心钻头16包括钻具本体16.1、排屑螺旋槽16.2、中心循环孔16.3、刀头镶嵌孔16.4、上连接外螺纹16.5、出水孔16.6和中心钻硬质合金刀头16.7，所述钻具本体16.1的底部为锥形结构，上端设有上连接外螺纹16.5，在钻具本体16.1外侧设有排屑螺旋槽16.2，便于碎石屑能够排出，在钻具本体16.1的中心设有中心循环孔16.3，且连通多个出水孔16.6，钻井时连通钻井泥浆液；所述的钻具本体16.1内依次设有多个倾斜设置的刀头镶嵌孔16.4，在刀头镶嵌孔16.4内镶嵌焊接中心钻硬质合金刀头16.7。

参照图4，本发明的铣削钻头主体10包括铣削主体10.1和传动主体10.2，所述铣削主体10.1为圆柱形结构，且依次镶嵌焊接铣削硬质合金刀头11；铣削主体10.1的上部为传动主体10.2，所述传动主体10.2的外径小于铣削主体10.1的外径，且传动主体10.2的中部设有凹槽，凹槽内设有扭矩键10.2.1，通过扭矩键10.2.1连接传速介轮12；在传动主体10.2的上端安装传速轴承9，传速轴承9的上方通过螺纹安装传速压帽8。

参照图5，本发明的镗削钻头主体14的顶部设有内螺纹14.1，镗削钻头主体14的下部为圆筒形，且圆筒形上依次分布有斜孔，在每个斜孔内镶嵌焊接镗削硬质合金刀头15；所述的镗削钻头主体14的顶部通过内螺纹14.1连接镗铣传送套13。

另外，通过中心钻头16上的中心循环孔16.3和出水孔16.6，以及中心钻头16、铣削钻头主体10与镗削钻头主体14之间形成的缝隙，达到将钻井的泥浆替出的目的。

参照图6-7，本发明的镗铣传送套13包括圆筒形套体13.1、传速内齿轮13.2、下轴承台13.3、上轴承台13.4、传扭延长距13.5，所述的圆筒形套体13.1的底部内壁安设传速内齿轮13.2，用于与传速介轮12啮合，外壁设有外接螺纹13.6；圆筒形套体13.1的中部为传扭延长距13.5，圆筒形套体13.1的上端内壁设有下轴承台13.3和上轴承台13.4，下轴承台13.3的内径小于上轴承台13.4的内径；所述下轴承台13.3用于安装第一压力轴承6、第二压力轴承7和传速轴承9；上轴承台13.4用于安装分级轴承5。

参照图8-9，本发明的对接头17的下端外侧设有外齿轮17.1，用于与传速介轮12啮合；对接头17的下端内壁设有中心钻头对接螺纹17.2，用于与中心钻头16连接；所述对接头17的顶部设有动力对接螺纹17.3，用于与上接头1的下端连接。

其中，上述的传速轴承9的安装在第一压力轴承6和第二压力轴承7之间，通过第一压力轴承6和第二压力轴承7推动传速轴承9形成向下的压力，从而推动铣削钻头主体10向下钻动。

另外，上述的上接头1的外壁设有轴承径向间隔套4，轴承径向间隔套4外壁套有分级轴承5，在分级轴承5的上侧设有轴承压帽2，并且通过连接螺钉3固定在镗铣传送套13的顶端。

本发明提到的石油钻井用高速平衡pdc钻头的使用方法，包括以下过程：

一、将上接头1连接钻杆及泥浆液，钻杆带动上接头1旋转，在上接头1的带动下，对接头17以相同的角速度旋转，对接头17的下端连接中心钻头16，所以带动中心钻头16旋转，中心钻头16下端为锥形结构，且中心钻头16上分布有中心钻硬质合金刀头16.7，实现中心钻头16的钻进功能；

二、由于对接头17的下端外侧设有外齿轮17.1，用于与各个铣削钻头主体10外侧的传速介轮12啮合，并且，传速介轮12还与镗铣传送套13内壁的传速内齿轮13.2啮合，从而带动各个铣削钻头主体10在进行自转的同时，还沿着传速内齿轮13.2移动形成绕对接头17的公转，因为每个铣削钻头主体10的下端设有铣削主体10.1，并且依次镶嵌焊接铣削硬质合金刀头11，而且，在铣削钻头主体10的传动主体10.2的上端安装传速轴承9，传速轴承9在第一压力轴承6和第二压力轴承7的下压力的推动下，形成向下钻进的功能；

三、在传速介轮12与镗铣传送套13内壁的传速内齿轮13.2啮合的作用下，带动镗削钻头主体14做降速的旋转运动，镗铣传送套13的顶部通过分级轴承5和轴承径向间隔套4与上接头1配合转动，镗削钻头主体14的下部外壁设有依次排列镶嵌焊接的镗削硬质合金刀头15，实现井下钻进的功能。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种石油钻井用高速平衡pdc钻头，包括上接头（1）、中心钻头（16）和对接头（17），所述的上接头（1）的下端通过对接头（17）连接中心钻头（16）的上端，其特征是：还包括分级轴承（5）、传速压帽（8）、传速轴承（9）、铣削钻头主体（10）、传速介轮（12）、镗铣传送套（13）和镗削钻头主体（14），所述的中心钻头（16）为圆柱形结构；所述镗削钻头主体（14）为圆筒形结构，位于中心钻头（16）的最外圈，镗削钻头主体（14）的上端通过镗铣传送套（13）驱动连接；在镗削钻头主体（14）与中心钻头（16）之间的空腔内设有多组铣削钻头主体（10），每个铣削钻头主体（10）的外壁安设传速介轮（12），通过传速介轮（12）与对接头（17）外壁的齿牙和镗铣传送套（13）内壁的齿牙啮合；每个铣削钻头主体（10）的顶部设有传速轴承（9）和传速压帽（8），所述的镗铣传送套（13）的上端与上接头（1）之间设有分级轴承（5），分级轴承（5）上部设有轴承压帽（2）；所述上接头（1）带动对接头（17）旋转，对接头（17）带动多个铣削钻头主体（10）旋转，铣削钻头主体（10）形成自转和绕中心钻头（16）公转的运动，镗削钻头主体（14）在镗铣传送套（13）的带动下做旋转运动；所述的铣削钻头主体（10）、镗削钻头主体（14）和中心钻头（16）的内壁中依次镶嵌焊接多个聚晶金刚石复合刀头。

2.根据权利要求1所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的中心钻头（16）包括钻具本体（16.1）、排屑螺旋槽（16.2）、中心循环孔（16.3）、刀头镶嵌孔（16.4）、上连接外螺纹（16.5）、出水孔（16.6）和中心钻硬质合金刀头（16.7），所述钻具本体（16.1）的底部为锥形结构，上端设有上连接外螺纹（16.5），在钻具本体（16.1）外侧设有排屑螺旋槽（16.2），在钻具本体（16.1）的中心设有中心循环孔（16.3），且连通多个出水孔（16.6）；所述的钻具本体（16.1）内依次设有多个倾斜设置的刀头镶嵌孔（16.4），在刀头镶嵌孔（16.4）内镶嵌焊接中心钻硬质合金刀头（16.7）。

3.根据权利要求1所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的铣削钻头主体（10）包括铣削主体（10.1）和传动主体（10.2），所述铣削主体（10.1）为圆柱形结构，且依次镶嵌焊接铣削硬质合金刀头（11）；铣削主体（10.1）的上部为传动主体（10.2），所述传动主体（10.2）的外径小于铣削主体（10.1）的外径，且传动主体（10.2）的中部设有凹槽，凹槽内设有扭矩键（10.2.1），通过扭矩键（10.2.1）连接传速介轮（12）；在传动主体（10.2）的上端安装传速轴承（9），传速轴承（9）的上方通过螺纹安装传速压帽（8）。

4.根据权利要求1所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的镗削钻头主体（14）的顶部设有内螺纹（14.1），镗削钻头主体（14）的下部为圆筒形，且圆筒形上依次分布有斜孔，在每个斜孔内镶嵌焊接镗削硬质合金刀头（15）；所述的镗削钻头主体（14）的顶部通过内螺纹（14.1）连接镗铣传送套（13）。

5.根据权利要求1所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的镗铣传送套（13）包括圆筒形套体（13.1）、传速内齿轮（13.2）、下轴承台（13.3）、上轴承台（13.4）、传扭延长距（13.5），所述的圆筒形套体（13.1）的底部内壁安设传速内齿轮（13.2），用于与传速介轮（12）啮合，外壁设有外接螺纹（13.6）；圆筒形套体（13.1）的中部为传扭延长距（13.5），圆筒形套体（13.1）的上端内壁设有下轴承台（13.3）和上轴承台（13.4），下轴承台（13.3）的内径小于上轴承台（13.4）的内径；所述下轴承台（13.3）用于安装第一压力轴承（6）、第二压力轴承（7）和传速轴承（9）；上轴承台（13.4）用于安装分级轴承（5）。

6.根据权利要求1所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的对接头（17）的下端外侧设有外齿轮（17.1），用于与传速介轮（12）啮合；对接头（17）的下端内壁设有中心钻头对接螺纹（17.2），用于与中心钻头（16）连接；所述对接头（17）的顶部设有动力对接螺纹（17.3），用于与上接头（1）的下端连接。

7.根据权利要求5所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的传速轴承（9）的安装在第一压力轴承（6）和第二压力轴承（7）之间，通过第一压力轴承（6）和第二压力轴承（7）推动传速轴承（9）形成向下的压力，从而推动铣削钻头主体（10）向下钻动。

8.根据权利要求5所述的石油钻井用高速平衡pdc钻头，其特征是：所述的上接头（1）的外壁设有轴承径向间隔套（4），轴承径向间隔套（4）外壁套有分级轴承（5），在分级轴承（5）的上侧设有轴承压帽（2），并且通过连接螺钉（3）固定在镗铣传送套（13）的顶端。

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