CN116696241B - 一种在线监测型pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻头领域，尤其涉及一种在线监测型PDC钻头。要解决的技术问题是：PDC钻头在石油钻井过程，其强烈的撞击导致钻头更换更加频繁，不仅严重影响钻井进度，还造成资源极大的消耗，增加工作人员工作量，同时更换钻头过程，极易导致井喷事故发生。技术方案：一种在线监测型PDC钻头，包括有钻头体和接头等；钻头体上侧连接有上下振动用于带动钻头体转动的接头。本发明实现了通过接头向上移动将大单向阀打开，减弱向缓冲腔内补充钻井液的压力，以减少冲击岩层接触面，使钻头体与岩层接触面保持紧贴状态，减少钻头体振动的磨损，并且通过切削齿的倾斜状刃背增大刀翼对切削齿的支撑力，避免刀翼安装切削齿处形变严重。
Description
技术领域
本发明涉及钻头领域，尤其涉及一种在线监测型PDC钻头。
背景技术
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是地质钻探行业常用的一种钻井工具，传统PDC钻头在进行钻孔的过程中，接触到岩层时会产生撞击，导致钻头顶端脱离岩层，随后再次快速接触岩层，由于钻头转速极快，导致钻头顶端将与岩层产生快速且强烈的撞击，从而对钻头刀翼及钻头上的切削齿造成极大的损伤，导致钻头寿命降低，同时，由于PDC钻头在石油钻井过程，每隔一段时间就需要更换钻头，其强烈的撞击导致钻头更换更加频繁，不仅严重影响钻井进度，还造成资源极大的消耗，增加工作人员工作量，同时，在更换钻头的过程中，极易导致井喷事故的发生。
发明内容
为了克服PDC钻头在石油钻井过程，其强烈的撞击导致钻头更换更加频繁，不仅严重影响钻井进度，还造成资源极大的消耗，增加工作人员工作量，同时更换钻头过程，极易导致井喷事故发生的缺点，本发明提供一种在线监测型PDC钻头。
技术方案：一种在线监测型PDC钻头，包括有钻头体、接头和切削齿；钻头体上侧连接有上下振动用于带动钻头体转动的接头；钻头体上设置有若干个用于喷出钻井液的喷嘴；钻头体上设置有若干个刀翼；每个刀翼上均安装有若干个用于切削岩层的切削齿；还包括有大单向阀；钻头体内部设置若干个有用于使钻井液喷向岩层的第一流道槽；接头内部设置有第二流道槽，且第一流道槽与第二流道槽连通；第二流道槽下端安装有向下打开用于流通钻井液的大单向阀；钻头体内部设置有用于缓存钻井液的缓冲腔，且接头在缓冲腔内进行上下振动；缓冲腔与第一流道槽连通。
可选地，大单向阀设置有中部通孔结构，且该通孔与第一流道槽等径。
可选地，还包括有小单向阀；小单向阀覆盖于大单向阀的中部通孔结构，小单向阀与大单向阀通路相反。
可选地，切削齿的刃背设置为倾斜状。
可选地，还包括有连接块、固定块、旋转片、传动杆和滑动环；钻头体上侧固接有连接块，且连接块与接头滑动连接；连接块外侧固接有若干个固定块；每个固定块上均转动连接有一个旋转用于防止钻头体脱离岩层的旋转片；每个旋转片上均转动连接有一个传动杆；连接块上滑动连接有用于限制旋转片倾斜角度的滑动环，滑动环位于连接块上方，且滑动环与若干个传动杆转动连接。
可选地，旋转片设置为搅拌刀片状。
可选地，还包括阻挡系统，阻挡系统包括有挡板、受压块和第一弹性件；接头外壁固接有六个挡板；连接块上开设有三个用于放置挡板的放置槽，且每个放置槽两侧各与一个挡板滑动连接；相邻两个挡板之间设置有一个活动的受压块，且若干个受压块均位于滑动环内侧；每个受压块与接头之间均固接有一个第一弹性件；受压块下端与接头外壁转动连接，受压块上端通过第一弹性件在挡板之间进行缩进与伸出。
可选地，还包括有防护罩；每两个挡板与相邻受压块之间均固接有一个防护罩，且防护罩具有一定弹性。
可选地，还包括有回收系统，回收系统包括有固定柱和第二弹性件；连接块外壁上固接有若干个固定柱；滑动环下侧与每个固定柱内顶壁之间均固接有一个第二弹性件。
可选地，回收系统还包括有活动柱；滑动环下侧固接有若干个上下活动的活动柱，且每个活动柱均与相邻的固定柱滑动连接；每个第二弹性件均位于一个活动柱内。
本发明的有益效果为：本发明实现了通过接头向上移动将大单向阀打开，减弱向缓冲腔内补充钻井液的压力，以减少冲击岩层接触面，使钻头体与岩层接触面保持紧贴状态，减少钻头体振动的磨损；
通过切削齿的倾斜状刃背增大刀翼对切削齿的支撑力，有效防止因岩层阻力导致切削齿向外翻，进而避免刀翼安装切削齿处形变严重，减少钻头体的磨损；
通过旋转片向外撑开并接触到井壁，从而阻挡钻头体继续向上运动，防止钻头体脱离岩层，进而有效避免钻头体由于不断冲击岩层导致损伤；
通过受压块使旋转片保持倾斜状态，防止旋转片被钻井液冲击导致无法与井壁接触，进一步避免钻头体由于不断冲击岩层导致损伤；
通过防护罩阻挡岩屑进入受压块与挡板之间的空隙中，确保受压块正常伸出对滑动环进行限位，使旋转片始终保持倾斜状态，进一步确保钻头体紧贴岩层，避免造成钻头损坏。
附图说明
图1为本发明的在线监测型PDC钻头立体结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的钻头体、接头和切削齿组合立体结构示意图；
图4为本发明的钻头体和接头组合结构剖视图；
图5为本发明的钻头体、接头和大单向阀组合结构剖视图；
图6为本发明的刀翼和切削齿组合剖视图；
图7为本发明的钻头体、接头、旋转片和连接块组合立体结构示意图；
图8为本发明的固定块、旋转片、传动杆和滑动环组合立体结构示意图；
图9为本发明的阻挡系统第一种部分立体结构示意图；
图10为本发明的阻挡系统第二种部分立体结构示意图；
图11为本发明的受压块、第一弹性件和防护罩组合立体结构示意图；
图12为本发明的回收系统第一种立体结构示意图；
图13为本发明的回收系统第二种立体结构示意图。
附图中的标记：1-钻头体，1001-喷嘴，1002-刀翼，1003-缓冲腔，1004-第一流道槽，2-接头，2001-第二流道槽，3-切削齿，4-大单向阀，5-小单向阀，101-连接块，10101-放置槽，102-固定块，103-旋转片，104-传动杆，105-滑动环，10501-弧形边，201-挡板，202-受压块，203-第一弹性件，204-防护罩，301-活动柱，302-固定柱，303-第二弹性件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图3-图6所示，以钻头的钻进方向为下，一种在线监测型PDC钻头，包括有钻头体1、接头2和切削齿3；钻头体1上侧连接有上下接头2；钻头体1上设置有若干个喷嘴1001；钻头体1上设置有若干个刀翼1002；每个刀翼1002上均安装有切削齿3；通过接头2带动钻头体1转动，进而带动切削齿3对岩层进行切削，从而实现钻孔；
还包括有大单向阀4；钻头体1内部设置若干个有第一流道槽1004；接头2内部设置有第二流道槽2001，且第一流道槽1004与第二流道槽2001连通；第二流道槽2001下端安装有下大单向阀4；钻头体1内部设置有缓冲腔1003，且接头2在缓冲腔1003内进行上下振动；缓冲腔1003与第一流道槽1004连通；在钻孔过程中，当接头2向下移动时，大单向阀4关闭，缓冲腔1003的容积减小导致缓冲腔1003内压强增大，缓冲腔1003内的钻井液通过第一流道槽1004从喷嘴1001喷出；当接头2向上移动时，采用大单向阀4打开，缓冲腔1003的内径大于接头2内水路的内径，直径增大、流速减小的变直径方式，减弱向缓冲腔1003内补充钻井液的压力，以减少冲击岩层接触面，使钻头体1与岩层接触面保持紧贴状态，减少钻头体1振动的磨损。
实施例2
在实施例1的基础上，如图5所示，大单向阀4设置有中部通孔结构，且该通孔与第一流道槽1004等径；在钻孔过程中，当接头2向下移动时，保持第一流道槽1004与第二流道槽2001连通，此时接头2向第一流道槽1004外挤出缓冲腔1003内的钻井液，该钻井液喷出为增压形式增量喷出。
实施例3
在实施例2的基础上，如图5所示，还包括有小单向阀5；小单向阀5覆盖于大单向阀4的中部通孔结构，小单向阀5与大单向阀4通路相反；在钻孔过程中，当接头2向上移动时，为避免大单向阀4仅有中部通孔结构，依旧冲击岩层接触面，对钻头体1造成反冲顶起，故采用本具体实施方式的结构，来达到与大单向阀4非开设通孔结构相同的变直径方式，减少钻头体1振动的磨损。
切削齿3的刃背设置为倾斜状；有效增大刀翼1002对切削齿3的支撑力，在钻头体1带动切削齿3钻动并对岩层进行切削时，有效防止因岩层阻力导致切削齿3向外翻，进而避免刀翼1002安装切削齿3处形变严重，减少钻头体1的磨损。
通过地面上的钻井液性能检测仪器对循环后的钻井液性能进行实时检测，提醒工作人员及时对钻井液性能作出调整，防止钻井液无法平衡井壁岩石侧压力，保证固井质量，避免井洞坍塌。
实施例4
在实施例1的基础上，如图7和图8所示，还包括有连接块101、固定块102、旋转片103、传动杆104和滑动环105；钻头体1上侧固接有连接块101，且连接块101与接头2滑动连接；连接块101外侧固接有至少六个固定块102；每个固定块102上均转动连接有一个旋转片103；每个旋转片103上均转动连接有一个传动杆104；连接块101上滑动连接有滑动环105，滑动环105位于连接块101上方，且滑动环105与若干个传动杆104转动连接；钻孔时，当接头2带动钻头体1旋转时，钻头体1带动固定块102转动，进而带动旋转片103以及滑动环105旋转，由于离心力的作用，旋转片103逐渐向外撑开呈倾斜状，此时滑动环105逐渐向下滑动，当钻头体1向上脱离岩层时，钻头体1带动旋转片103向上运动，由于旋转片103向外撑开，旋转片103末端接触到井壁上，从而阻挡钻头体1继续向上运动，防止钻头体1脱离岩层，进而有效避免钻头体1由于不断冲击岩层导致损伤。
旋转片103设置为搅拌刀片状，在钻井过程中，旋转片103旋转时对岩块进行破碎，有效防止携带岩块的循环钻井液对旋转片103造成损伤。
实施例5
在实施例1-3的基础上，如图9-图11所示，还包括阻挡系统，阻挡系统包括有挡板201、受压块202和第一弹性件203；接头2外壁固接有六个挡板201；连接块101上开设有三个放置槽10101，且每个放置槽10101两侧各与一个挡板201滑动连接；相邻两个挡板201之间设置有一个受压块202，且若干个受压块202均位于滑动环105内侧；每个受压块202与接头2之间均固接有一个第一弹性件203，第一弹性件203为弹簧；受压块202下端与接头2外壁转动连接，受压块202上端通过第一弹性件203在挡板201之间进行缩进与伸出；当钻头体1带动旋转片103进行旋转时，钻头外围的钻井液夹带岩屑向钻井洞口排出，对旋转片103产生挤压，进而带动传动杆104和滑动环105向上运动，通过第一弹性件203对受压块202提供的支撑力，阻挡滑动环105继续向上滑动，同时滑动环105对受压块202进行挤压，当接头2向上运动时，带动受压块202向上运动，此时滑动环105对受压块202施加的压力逐渐减小，直至第一弹性件203不受挤压，进而带动受压块202逐渐向外挤出，从而使得滑动环105向下滑动，使旋转片103保持倾斜状态，防止旋转片103受循环后的钻井液冲击而无法与井壁接触，从而确保钻头体1紧贴岩层，避免造成钻头损坏。
还包括有防护罩204；每两个挡板201与相邻受压块202之间均固接有一个防护罩204，且防护罩204具有一定弹性；当受压块202在挡板201之间进行缩进与伸出时，受压块202与挡板201之间存在空隙，当钻井液携带岩屑向钻井洞口涌出时，通过防护罩204阻挡岩屑进入受压块202与挡板201之间的空隙中，防止第一弹性件203伸缩时被岩屑卡死，确保受压块202正常伸出对滑动环105进行限位，使旋转片103始终保持倾斜状态，进一步确保钻头体1紧贴岩层，避免造成钻头损坏。
滑动环105内侧上部设置有弧形边10501，在接头2带动受压块202向下运动时，使滑动环105更加顺利地沿受压块202斜面向下运动，同时，在滑动环105与受压块202接触时，有效防止岩屑堆积在滑动环105与受压块202接触面之间。
实施例6
在实施例3的基础上，如图1、图2、图12和图13所示，还包括有回收系统，回收系统包括有固定柱302和第二弹性件303；连接块101外壁上固接有至少六个固定柱302；滑动环105下侧与每个固定柱302内顶壁之间均固接有一个第二弹性件303，第二弹性件303是弹簧；当旋转片103向外撑开呈倾斜状时，带动滑动环105向下滑动，此时第二弹性件303被压缩；当钻头停止旋转时，由于旋转片103失去离心力的作用，带动滑动环105向上滑动，此时第二弹性件303失去压力从而恢复原状，进而对滑动环105施加向上的压力，使滑动环105越过受压块202，从而使旋转片103向内收拢，便于工作人员从孔洞内升起钻头，防止向外撑开的旋转片103阻碍钻头升起。
回收系统还包括有活动柱301；滑动环105下侧固接有至少六个上下活动柱301，且每个活动柱301均与相邻的固定柱302滑动连接；每个第二弹性件303均位于一个活动柱301内；通过活动柱301阻挡岩屑进入固定柱302内部，防止第二弹性件303伸缩时被岩屑卡死，确保滑动环105顺利越过受压块202，保证旋转片103向内收拢，防止向外撑开的旋转片103阻碍钻头升起。
应当理解，以上的描述仅仅用于示例性目的，并不意味着限制本发明。本领域的技术人员将会理解，本发明的变型形式将包含在本文的权利要求的范围内。
Claims (8)
1.一种在线监测型PDC钻头，包括有钻头体（1）、接头（2）和切削齿（3）；钻头体（1）上侧连接有上下振动用于带动钻头体（1）转动的接头（2）；钻头体（1）上设置有若干个用于喷出钻井液的喷嘴（1001）；钻头体（1）上设置有若干个刀翼（1002）；每个刀翼（1002）上均安装有若干个用于切削岩层的切削齿（3）；其特征是：还包括有大单向阀（4）；钻头体（1）内部设置若干个有用于使钻井液喷向岩层的第一流道槽（1004）；接头（2）内部设置有第二流道槽（2001），且第一流道槽（1004）与第二流道槽（2001）连通；第二流道槽（2001）下端安装有向下打开用于流通钻井液的大单向阀（4）；钻头体（1）内部设置有用于缓存钻井液的缓冲腔（1003），且接头（2）在缓冲腔（1003）内进行上下振动；缓冲腔（1003）与第一流道槽（1004）连通；
在钻孔过程中，当接头（2）向下移动时，大单向阀（4）关闭，缓冲腔（1003）的容积减小导致缓冲腔（1003）内压强增大，缓冲腔（1003）内的钻井液通过第一流道槽（1004）从喷嘴（1001）喷出；当接头（2）向上移动时，采用大单向阀（4）打开，缓冲腔（1003）的内径大于接头（2）内水路的内径，直径增大、流速减小的变直径方式，减弱向缓冲腔（1003）内补充钻井液的压力，以减少冲击岩层接触面，使钻头体（1）与岩层接触面保持紧贴状态，减少钻头体（1）振动的磨损;
还包括有连接块（101）、固定块（102）、旋转片（103）、传动杆（104）和滑动环（105）；钻头体（1）上侧固接有连接块（101），且连接块（101）与接头（2）滑动连接；连接块（101）外侧固接有若干个固定块（102）；每个固定块（102）上均转动连接有一个旋转用于防止钻头体（1）脱离岩层的旋转片（103）；每个旋转片（103）上均转动连接有一个传动杆（104）；连接块（101）上滑动连接有用于限制旋转片（103）倾斜角度的滑动环（105），滑动环（105）位于连接块（101）上方，且滑动环（105）与若干个传动杆（104）转动连接;
还包括阻挡系统，阻挡系统包括有挡板（201）、受压块（202）和第一弹性件（203）；接头（2）外壁固接有六个挡板（201）；连接块（101）上开设有三个用于放置挡板（201）的放置槽（10101），且每个放置槽（10101）两侧各与一个挡板（201）滑动连接；相邻两个挡板（201）之间设置有一个活动的受压块（202），且若干个受压块（202）均位于滑动环（105）内侧；每个受压块（202）与接头（2）之间均固接有一个第一弹性件（203）；受压块（202）下端与接头（2）外壁转动连接，受压块（202）上端通过第一弹性件（203）在挡板（201）之间进行缩进与伸出。
2.根据权利要求1所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：大单向阀（4）设置有中部通孔结构，且该通孔与第一流道槽（1004）等径。
3.根据权利要求2所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：还包括有小单向阀（5）；小单向阀（5）覆盖于大单向阀（4）的中部通孔结构，小单向阀（5）与大单向阀（4）通路相反。
4.根据权利要求1所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：切削齿（3）的刃背设置为倾斜状。
5.根据权利要求1所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：旋转片（103）设置为搅拌刀片状。
6.根据权利要求1所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：还包括有防护罩（204）；每两个挡板（201）与相邻受压块（202）之间均固接有一个防护罩（204），且防护罩（204）具有一定弹性。
7.根据权利要求1所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：还包括有回收系统，回收系统包括有固定柱（302）和第二弹性件（303）；连接块（101）外壁上固接有若干个固定柱（302）；滑动环（105）下侧与每个固定柱（302）内顶壁之间均固接有一个第二弹性件（303）。
8.根据权利要求7所述的一种在线监测型PDC钻头，其特征是：回收系统还包括有活动柱（301）；滑动环（105）下侧固接有若干个上下活动的活动柱（301），且每个活动柱（301）均与相邻的固定柱（302）滑动连接；每个第二弹性件（303）均位于一个活动柱（301）内。
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