CN116591612A - 一种防止卡钻的pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油钻探设备技术领域，本发明提供了一种防止卡钻的PDC钻头；钻头包括钻头本体和钻杆，钻头本体的端部设有变径切削组件；钻杆的旋转运动驱动切削直径的变化；钻头本体的侧壁上设有多组放置槽，每个槽内都设有滚轮组，滚轮组通过齿轮的啮合连接；钻杆上安装有滑套，滑套通过固定杆连接第一传动蜗轮的转轴；钻杆的外侧设有凸起，凸起上设有滑槽，滑槽内设有滑块；钻头本体的内壁上设有限位杆，限位杆下方连接有限位环，限位环上设有滑槽，滑槽内设有滑块；通过这些设计，钻头可以避免卡钻现象，提高钻头的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻探设备技术领域，具体而言，涉及一种防止卡钻的PDC钻头。
背景技术
PDC钻头常用于钻井挖矿，是聚晶金刚石复合片钻头的简称，主要由钻头体、切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成；常见的钻进深度有几百上千米。无论是在开发石油、天然气还是煤矿的钻井完成后，拉出钻头的过程中，当遇到较为破碎、容易垮塌的复杂地质环境时，PDC钻头中会出现卡钻的情况，原因在于：现有钻头中，切削齿的直径是最大的，其和接头的过渡段存在一个环空间，这是引发卡钻事故的地方。普通PDC钻头在易垮塌地质中，上层产生的掉块堆积在环空间内，而导致卡钻，因此延误工期，增加成本，造成较大的经济损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防止卡钻的PDC钻头，用以解决上述问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种防止卡钻的PDC钻头，包括：钻头本体，其内部设有钻杆，钻头本体的端部设有变径切削组件，钻杆的旋转运动用以驱动变径切削组件的切削直径的变化； 钻头本体的侧壁上设有若干组沿其轴线方向设置的放置槽，每个放置槽内都设有防卡组件，防卡组件包括：沿钻头本体轴线设置的若干个滚轮组，每个滚轮组包括：齿轮，所示齿轮的转轴的两端设有轴承，放置槽的侧壁沿钻头本体的轴线方向设有安装槽，安装槽内设有弹簧，弹簧的顶部连接轴承的外侧，位于最高处的滚轮组的转轴通过棘轮连接齿轮，且相邻滚轮组之间的齿轮相互啮合，每个滚轮组内的转轴上都设有抵接锥，从上到下，安装槽的长度逐渐递减；钻杆上通过滑键安装有滑套，滑套的外侧设有第一蜗杆螺纹，钻头本体的内部沿钻头本体的轴线方向设有若干组滑槽，每个滑槽内设有第一传动蜗轮，第一传动蜗轮啮合第一蜗杆螺纹设置，且滑套上设有绕其轴线旋转的旋转件，旋转件通过固定杆连接第一传动蜗轮的转轴，第一传动蜗轮的转轴沿滑槽滑动设置；第一传动蜗轮通过同步带传动连接位于最高处的滚轮组的转轴；滑套的顶部设有第一环形滑槽，第一环形滑槽内设有第一滑块，第一滑块通过弹簧连接钻头本体的内壁；滑套的底部设有第二环形滑槽，第二环形滑槽内设有第二滑块；钻杆的外侧设有凸起，凸起上设有第三环形滑槽，第三环形滑槽内设有第三滑块，钻头本体的内壁上设有若干组件限位杆，限位杆设置在凸起的下方，若干限位杆的端部连接有限位环，限位环上设有第四环形滑槽，第四环形滑槽内设有第四滑块，第二滑块、第四滑块第三滑块依次通过柔性线连接，柔性线在第四滑块上滑动设置。
进一步的，旋转件为轴承或者环形滑环。
进一步的，滚轮组至少设有4组。
进一步的，钻杆从上到下包括驱动杆和传动杆，驱动杆的底部设有多边形孔，且传动杆的顶部设有多边形凸起，多边形凸起配合多边形孔设置，传动杆上设有圆盘，钻头本体的内壁上设有限位槽，圆盘在限位槽内滑动设置，传动杆的底部设有第二蜗杆螺纹；变径切削组件包括：第二传动蜗轮和切削翼，切削翼为“L”形结构，且其内壁上设有齿槽，齿槽啮合第二传动蜗轮设置，切削翼沿垂直于钻头本体的轴线方向滑动设置；第二蜗杆螺纹啮合第二传动蜗轮设置。
进一步的，切削翼上设有第五滑块，钻头本体的内部设有第五滑槽，第五滑槽沿垂直钻头本体的轴线方向设置，第五滑块在第五滑槽内滑动设置。
进一步的，驱动杆设有多段，且每段通过球铰连接。
进一步的，钻杆从上到下包括驱动杆和传动杆，驱动杆的底部设有多边形孔，且传动杆的顶部设有多边形凸起，多边形凸起配合多边形孔设置，传动杆上设有圆盘，钻头本体的内壁上设有限位槽，圆盘在限位槽内滑动设置，传动杆的底部设有第二齿轮；
变径切削组件包括：切削翼，切削翼为“L”形结构，且其内壁上设有齿槽，所示齿槽啮合第二齿轮设置，切削翼沿垂直于钻头本体的轴线方向滑动设置。
本发明至少具有如下优点和有益效果：通过设置多个滚轮组、钻杆、滑套和传动蜗轮，利用钻杆来驱动多个滚轮组旋转，从而使抵接锥往复的从放置槽内伸出和收回，往复抵接在井壁上，实现推动整个钻头本体向上的运动，提供了一种解决卡钻工况的实际办法，并且该办法相对于震动、套铣等现有办法，更为有效和快捷，同时工程经济成本小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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发明的某些实施例，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为实施例一提供的一种防止卡钻的PDC钻头的示意图；
图2为实施例一提供的一种防止卡钻的PDC钻头的断面结构示意图；
图3为实施例一提供的一种防止卡钻的PDC钻头中滚轮组的结构示意图；
图4为实施例一提供的一种防止卡钻的PDC钻头中滑套运动示意图；
图5为实施例一提供的一种防止卡钻的PDC钻头中棘轮的结构示意图；
图标：1-钻头本体，2-钻杆，3-切削翼，4-放置槽，5-滚轮组，51-第一滚轮组，52-第二滚轮组，53-第三滚轮组，54-第四滚轮组，6-安装槽，7-棘轮，8-抵接锥，9-滑套，10-第一蜗杆螺纹，11-滑槽，12-第一传动蜗轮，13-同步带，14-第一滑块，15-第二滑块，16-第三滑块，17-第四滑块，18-限位杆，19-限位环，20-柔性线，21-驱动杆，22-传动杆，23-第二蜗杆螺纹，24-第二传动蜗轮，25-齿槽，26-第五滑块，27-齿轮，28-固定杆，29-旋转件，30-多边形凸起，31-圆盘，71-外轮，72-内轮，73-棘爪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，在本实施例中，主要公开了一种防止卡钻的PDC钻头，用以解决卡钻的问题，主要通过有两个动作来解决卡在，1：实现变径切削直径的变化，保证用大直径的切削翼3来钻井，用小直径的切削翼3来取钻；2：通过设置攀爬结构来实现在卡钻的时候，钻头能实现自己向上攀爬和破碎侧面碎岩，使破碎后的侧面碎岩能从变径后的钻头和井壁之间的缝隙通过，解决卡钻的问题。
对于第一个动作而言，如图2所示，具体包括以下结构：钻头本体1，其内部设有钻杆2，钻头本体1的端部设有变径切削组件，钻杆2的旋转运动用以驱动变径切削组件的切削直径的变化；在本实施例中，钻杆2从上到下包括驱动杆21和传动杆22，其中驱动杆21由外界的动力源驱动，可以设置多节配合球铰的方式连接；驱动杆21的底部设有多边形孔，且传动杆22的顶部设有多边形凸起30，多边形凸起30配合多边形孔设置，传动杆22的中部设有圆盘31，钻头本体1的内壁上设有限位槽，圆盘31在限位槽内滑动设置，也就是说，传动杆22绕自身轴线做旋转运动，外界的动力源带动驱动杆21旋转，驱动杆21的多边形孔和多边形凸起30啮合后，驱动杆21带动传动杆22旋转，当驱动杆21向上拔的时候，使多边形孔和多边形凸起30分开，从而驱动杆21就不会发生旋转运动；传动杆22的底部设有第二蜗杆螺纹23。在这里解释说明了，在本发明中，蜗杆螺纹就是指传统蜗轮蜗杆中蜗杆的外螺纹；相适应的传动蜗轮就是指传统蜗轮蜗杆中的蜗轮；这里蜗轮螺纹和传动蜗轮泛指第一、二蜗杆螺纹和第一、二传动蜗轮等。
变径切削组件包括：第二传动蜗轮24和切削翼3，切削翼3为“L”形结构，且其内壁上设有齿槽25，齿槽25啮合第二传动蜗轮24设置，切削翼3沿垂直于钻头本体1的轴线方向滑动设置；第二传动蜗轮24的旋转轴旋转固定在钻头本体1的内部，第二蜗杆螺纹23啮合第二传动蜗轮24设置，通过驱动杆21带动传动杆22旋转，传动杆22带动第二蜗杆螺纹23旋转，第二蜗杆螺纹23带动第二传动蜗轮24旋转，第二传动蜗轮24带动切削翼3滑动，实现变直径的目的，需要强调的是，当需要旋转钻井的时候，只需要驱动钻头本体1即可，一般钻头本体1设有连接头连接套筒，都属于现有技术，就不详细说明了。
对于第二个动作，也就是攀爬机构而言，如图2所示，具体包括以下结构：钻头本体1的侧壁上设有若干组沿其轴线方向设置的放置槽4，每个放置槽4内都设有防卡组件，防卡组件包括：
沿钻头本体1轴线设置的4个滚轮组5，从上到下为第一滚轮组51、第二滚轮组52、第三滚轮组53和第四滚轮组54；如图3所示，每个滚轮组5都包括：齿轮27，所示齿轮27的转轴的两端设有轴承，放置槽4的侧壁沿钻头本体1的轴线方向设有安装槽6，安装槽6内设有弹簧，弹簧的顶部连接轴承的外侧，且弹簧位于齿轮27的转轴的下方，在弹簧的作用下，齿轮27的转轴会保证位于安装槽6中间的位置；位于最高处的滚轮组5的转轴通过棘轮7连接齿轮27，也就是说第一滚轮组51的转轴通过棘轮7连接齿轮27，这里的棘轮7，如图5所示，包括外轮71和内轮72，内轮72和外轮71之间通过棘爪73连接，内轮72带动外轮71逆时针转动，外轮71逆时针转动的时候，并不会带动内轮72逆时针旋转；相邻滚轮组5之间的齿轮27相互啮合设置，但是在弹簧的自然作用下，每个滚轮组5之间的齿轮27都不会啮合；每个滚轮组5内的转轴上都设有抵接锥8，从上到下，安装槽6的长度逐渐递减；其目的在于，有且只有当第一滚轮组51向下滑动的时候，挤压弹簧从而通过齿轮27抵接第二滚轮组52中的齿轮27，依次类推，4个滚轮组5的齿轮27全部啮合，就可以实现第一滚轮组51带动第二滚轮组52、第三滚轮组53、第四滚轮组54旋转的动作了，另外的，当在弹簧的自然状态下，四个滚轮组5中的齿轮27不接触，此时，第二滚轮组52、第三滚轮组53、第四滚轮组54中的齿轮27都可以自由活动。
如图2所示，钻杆2上通过滑键安装有滑套9，滑套9的外侧设有第一蜗杆螺纹10，钻头本体1的内部沿钻头本体1的轴线方向设有4组滑槽11，一个滑槽11对应一个放置槽4设置，每个滑槽11内设有第一传动蜗轮12，具体的，第一传动蜗轮12的转轴在滑槽11内滑动，进一步的，滑槽11和安装槽6的方向一致；第一传动蜗轮12啮合第一蜗杆螺纹10设置，且滑套9上设有旋转件29，这里旋转件为轴承，轴承的外侧通过固定杆28连接第一传动蜗轮12的转轴，内侧固定在滑套9上；第一传动蜗轮12通过同步带13传动连接位于最高处的滚轮组5的转轴，也就是说第一传动蜗轮12通过同步带13连接第一滚轮组51，由于滑槽11和安装槽6的滑动方向一致，同步带13采用不可形变的材料制作而成，或者采用链条和链轮的配合，当第一传动蜗轮12沿着滑槽11下降的时候，通过同步带13带动第一滚轮组51沿着安装槽6滑动；滑套9的顶部设有第一环形滑槽，第一环形滑槽内设有第一滑块14，第一滑块14通过弹簧连接钻头本体1的内壁，这里的弹簧主要目的是复位。
滑套9的底部设有第二环形滑槽，第二环形滑槽内设有第二滑块15；钻杆2的外侧设有凸起，凸起上设有第三环形滑槽，第三环形滑槽内设有第三滑块16，钻头本体1的内壁上设有若干组件限位杆18，限位杆18设置在凸起的下方，若干限位杆18的端部连接有限位环19，限位环19上设有第四环形滑槽，第四环形滑槽内设有第四滑块17，如图4所示，第二滑块15、第四滑块17、第三滑块16依次通过柔性线20连接；柔性线20在第四滑块17上滑动设置；通过第二滑块15、第三滑块16和第四滑块17的结构来保证柔性线20能随着驱动杆21转动，同时在驱动杆21向上提起的过程中，通过柔性线20能带动滑套9向下滑动。
第二个动作的具体过程为：当需要执行第二个动作，首先将驱动杆21相对于传动杆22提起，此时由于第四滑块17不会发生轴向位移，所以随着驱动杆21的提起，第三滑块16向上运动，通过柔性线20，带动滑套9向下滑动，从而滑套9带动第一传动蜗轮12向下滑动，第一传动蜗轮12通过不可形变的同步带13带动第一滚轮组51向下运动，从而若干个滚轮组5中的齿轮27完全啮合，然后通过外界驱动源驱动驱动杆21旋转，驱动杆21带动滑套9旋转，滑套9带动第一传动蜗轮12旋转，第一传动蜗轮12带动若干个滚轮组5中旋转，从而若干个抵接锥8就会往复的从放置槽4内伸出，抵接井壁或者碎岩，实现钻头本体1自己向上运动，并且利用抵接锥8的尖锐端部破碎碎岩，解决卡钻的问题，需要说明的是，抵接锥8设有两个，在不使用的时候，抵接锥8会藏在放置槽4内，避免影响正常钻井，其过程为：当不使用的时候，驱动杆21和传动杆22啮合，此时若干个滚轮组5分离，随着钻头本体1的钻井动作，抵接锥8没有任何阻尼会自由旋转，从而随着钻头本体1的运动就会被动藏在放置槽4内。还需要说明的是，在调节切削翼3的时候，通过驱动驱动杆21旋转，带动传动杆22旋转，传动杆22驱动第二传动蜗轮24旋转，从而带动切削翼3伸出或者收回，进行调节，然后驱动整个钻头本体1旋转即可完成钻井动作；在驱动杆21带动传动杆22旋转的过程中，会带动第一滚轮组51旋转，但是由于钻井动作是向下的，以如图2中左侧的滚轮组5为例说明，其中，拔钻的时候，需要滚轮组5逆时针转动，此时可能存在抵接锥8卡在井壁上，此时只需要将在驱动杆21微微上提，使滚轮组5中齿轮27自身逆时针转动，由于棘轮7的存在，不会带动第一传动蜗轮12转动，这样，抵接锥8就会藏在放置槽4内，然后在使驱动杆21下降，啮合传动杆22，调节切削翼3，完成钻井动作。
另外的，如图2所示，切削翼3上设有第五滑块26，钻头本体1的内部设有第五滑槽，第五滑槽沿垂直钻头本体1的轴线方向设置，第五滑块26在第五滑槽内滑动设置；保证切削翼3的平滑伸出和收回。
实施例二
在本实施例中，主要结构和实施例一完全一致，区别点在于，在本实施例中，驱动切削直径变化的结构不同，具体的，钻杆2从上到下包括驱动杆21和传动杆22，驱动杆21的底部设有多边形孔，且传动杆22的顶部设有多边形凸起30，多边形凸起30配合多边形孔设置，传动杆22上设有圆盘31，钻头本体1的内壁上设有限位槽，圆盘31在限位槽内滑动设置，传动杆22的底部设有第二齿轮；
变径切削组件包括：切削翼3，切削翼3为“L”形结构，且其内壁上设有齿槽25，所示齿槽25啮合第二齿轮设置，切削翼3沿垂直于钻头本体1的轴线方向滑动设置；通过第二齿轮直接调节切削翼3的伸出和收回。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，包括：钻头本体(1)，其内部设有钻杆(2)，所述钻头本体(1)的端部设有变径切削组件，所述钻杆(2)的旋转运动用以驱动所述变径切削组件的切削直径的变化；
所述钻头本体(1)的侧壁上设有若干组沿其轴线方向设置的放置槽(4)，每个所述放置槽(4)内都设有防卡组件，所述防卡组件包括：
沿所述钻头本体(1)轴线设置的若干个滚轮组(5)，每个所述滚轮组(5)包括：齿轮(27)，所示齿轮(27)的转轴的两端设有轴承，所述放置槽(4)的侧壁沿钻头本体(1)的轴线方向设有安装槽(6)，所述安装槽(6)内设有弹簧，所述弹簧的顶部连接所述轴承的外侧，位于最高处的滚轮组(5)的转轴通过棘轮(7)连接所述齿轮(27)，且相邻所述滚轮组(5)之间的齿轮(27)相互啮合，每个所述滚轮组(5)内的转轴上都设有抵接锥(8)，从上到下，所述安装槽(6)的长度逐渐递减；
所述钻杆(2)上通过滑键安装有滑套(9)，所述滑套(9)的外侧设有第一蜗杆螺纹(10)，所述钻头本体(1)的内部沿钻头本体(1)的轴线方向设有若干组滑槽(11)，每个所述滑槽(11)内设有第一传动蜗轮(12)，所述第一传动蜗轮(12)啮合所述第一蜗杆螺纹(10)设置，且所述滑套(9)上设有绕其轴线旋转的旋转件(29)，所述旋转件(29)通过固定杆(28)连接所述第一传动蜗轮(12)的转轴，所述第一传动蜗轮(12)的转轴沿所述滑槽(11)滑动设置；所述第一传动蜗轮(12)通过同步带(13)传动连接所述位于最高处的滚轮组(5)的转轴；所述滑套(9)的顶部设有第一环形滑槽，所述第一环形滑槽内设有第一滑块(14)，所述第一滑块(14)通过弹簧连接所述钻头本体(1)的内壁；
所述滑套(9)的底部设有第二环形滑槽，所述第二环形滑槽内设有第二滑块(15)；所述钻杆(2)的外侧设有凸起，所述凸起上设有第三环形滑槽，所述第三环形滑槽内设有第三滑块(16)，所述钻头本体(1)的内壁上设有若干组件限位杆(18)，所述限位杆(18)设置在所述凸起的下方，若干所述限位杆(18)的端部连接有限位环(19)，所述限位环(19)上设有第四环形滑槽，所述第四环形滑槽内设有第四滑块(17)，所述第二滑块(15)、第四滑块(17)第三滑块(16)依次通过柔性线(20)连接，所述柔性线(20)在所述第四滑块(17)上滑动设置。
2.如权利要求1所述的防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，所述旋转件(29)为轴承或者环形滑环。
3.如权利要求2所述的防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，所述滚轮组(5)至少设有4组。
4.如权利要求3所述的防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，所述钻杆(2)从上到下包括驱动杆(21)和传动杆(22)，所述驱动杆(21)的底部设有多边形孔，且所述传动杆(22)的顶部设有多边形凸起(30)，所述多边形凸起(30)配合所述多边形孔设置，所述传动杆(22)上设有圆盘(31)，所述钻头本体(1)的内壁上设有限位槽，所述圆盘(31)在所述限位槽内滑动设置，所述传动杆(22)的底部设有第二蜗杆螺纹(23)；
所述变径切削组件包括：第二传动蜗轮(24)和切削翼(3)，所述切削翼(3)为“L”形结构，且其内壁上设有齿槽(25)，所述齿槽(25)啮合所述第二传动蜗轮(24)设置，所述切削翼(3)沿垂直于所述钻头本体(1)的轴线方向滑动设置；
所述第二蜗杆螺纹(23)啮合所述第二传动蜗轮(24)设置。
5.如权利要求4所述的防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，所述切削翼(3)上设有第五滑块(26)，所述钻头本体(1)的内部设有第五滑槽，所述第五滑槽沿垂直钻头本体(1)的轴线方向设置，所述第五滑块(26)在所述第五滑槽内滑动设置。
6.如权利要求5所述的防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，所述驱动杆(21)设有多段，且每段通过球铰连接。
7.如权利要求3所述的防止卡钻的PDC钻头，其特征在于，所述钻杆(2)从上到下包括驱动杆(21)和传动杆(22)，所述驱动杆(21)的底部设有多边形孔，且所述传动杆(22)的顶部设有多边形凸起(30)，所述多边形凸起(30)配合所述多边形孔设置，所述传动杆(22)上设有圆盘(31)，所述钻头本体(1)的内壁上设有限位槽，所述圆盘(31)在所述限位槽内滑动设置，所述传动杆(22)的底部设有第二齿轮(27)；
所述变径切削组件包括：切削翼(3)，所述切削翼(3)为“L”形结构，且其内壁上设有齿槽(25)，所示齿槽(25)啮合所述第二齿轮(27)轮设置，所述切削翼(3)沿垂直于所述钻头本体(1)的轴线方向滑动设置。
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