CN116717186B - 一种具有岩层信息采集的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种具有岩层信息采集的PDC钻头。技术问题为：不同深度的岩屑容易相互混合，造成不同深度的岩屑掺杂难以分离，岩屑长时间与外界接触，使得岩屑样本被污染降低采样精度，进而导致岩层信息不准确，同时现有设备在采集岩屑的过程中，岩屑堆积造成采样口堵塞，阻碍采样仓采集岩屑，较大的岩屑进入采集仓后，增大岩屑与岩屑之间空隙，减少岩屑样本采集数量，降低样本的代表性。技术方案为：一种具有岩层信息采集的PDC钻头，包括有PDC钻头和罩壳等；PDC钻头上侧设置有罩壳。本发明实现了通过设置破碎叶片，使得岩屑被二次破碎成较小的形状，并且通过不断旋转带动岩屑向上方传输，便于岩屑采样收集。

Description

一种具有岩层信息采集的PDC钻头

技术领域

本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种具有岩层信息采集的PDC钻头。

背景技术

对于岩层信息的采集，通常是收集钻井返出的钻井液中所掺杂的岩屑，对其进行清洗、过滤、烘干等一系列工作后方可分析岩层信息，但不同深度的岩屑从钻井上返的过程中，容易相互混合，造成不同深度的岩屑掺杂难以分离，岩屑长时间与外界接触，使得岩屑样本被污染，降低采样精度，进而导致岩层信息不准确。

进一步的，在采集过程中岩屑容易堆积在采样口，造成采样口堵塞，从而阻碍采样仓采集岩屑，减少岩屑的采集数量，并且，较大的岩屑进入采集仓后，增大岩屑与岩屑之间的空隙，进一步减少岩屑样本采集的数量，降低样本的代表性。

发明内容

为了克服不同深度的岩屑容易相互混合，造成不同深度的岩屑掺杂难以分离，岩屑长时间与外界接触，使得岩屑样本被污染降低采样精度，进而导致岩层信息不准确，同时现有设备在采集岩屑的过程中，岩屑堆积造成采样口堵塞，从而阻碍采样仓采集岩屑，减少岩屑的采集数量，较大的岩屑进入采集仓后，增大岩屑与岩屑之间的空隙，进一步减少岩屑样本采集的数量，降低样本的代表性的缺点，本发明提供一种具有岩层信息采集的PDC钻头。

技术方案如下：一种具有岩层信息采集的PDC钻头，包括有PDC钻头和罩壳；PDC钻头上侧设置有罩壳；罩壳外侧开设有若干个用于采集岩屑的采样口，通过采样口对钻井内的岩屑进行采集；还包括有破碎叶片、采样仓、隔板和疏导系统；罩壳外侧呈环形设置有若干个对岩屑二次破碎的破碎叶片；罩壳内侧连接有上下移动用于储存岩屑的采样仓；采样仓内侧设置有若干个隔板，通过隔板将采样仓分隔为若干个相互独立的存储腔；每个存储腔外侧均设置有若干个便于岩屑进入存储腔的进料口；罩壳上设置有防止岩屑卡在采样口的疏导系统。

作为优选，疏导系统包括有第一限位块和第一挡板；采样仓外侧固接有若干个第一限位块；第一限位块分别设置在相邻进料口的上侧和下侧；罩壳上转动连接有将岩屑向外排出的第一挡板；第一挡板位于采样口下侧；第一挡板外侧高于内侧，罩壳与第一挡板通过扭力弹簧连接。

作为优选，疏导系统还包括有第二限位块和第二挡板；采样仓上固接有第二限位块；第二限位块分别位于进料口左右两侧；采样口上侧转动连接有避免第一挡板卡住的第二挡板，罩壳与第二挡板通过扭力弹簧连接。

作为优选，疏导系统还有包括有凸杆；第二挡板下侧固接有若干个防止粒径过大的岩屑进入采样仓的凸杆，凸杆之间有一定间隙。

作为优选，还包括有冷却系统，冷却系统包括有输水管；罩壳内侧安装有输水管；输水管内输送有冷却水；PDC钻头下侧设置有若干个用于喷射冷却水的水眼，输水管与水眼连通。

作为优选，冷却系统还包括有冷凝组件、出水管和回流管；罩壳内侧安装有用于冷凝空气中水蒸气的冷凝组件；冷凝组件与采样仓上侧之间连通有出水管；采样仓下侧与输水管之间连通有回流管；出水管与回流管通过采样仓连通。

作为优选，冷凝组件包括有扇叶、冷却仓、冷凝管、冷凝主机和储水仓；罩壳外侧设置有进气孔；罩壳内侧上部转动连接有用于吸气的扇叶；罩壳内侧固接有用于引导空气和冷凝水流动方向的冷却仓；冷却仓位于扇叶下方；冷却仓内侧安装有对水蒸气进行冷凝的冷凝管；冷凝管内流动有冷凝液；冷却仓外侧固接有使冷凝液在冷凝管内循环的冷凝主机；冷却仓下侧连通有储存冷却水储水仓；储水仓与出水管连通。

作为优选，采样仓上下两侧各开设有一个分散或归集水流的空腔；采样仓外壁开设有若干个用于对岩屑进行散热的排水管道；空腔与排水管道连通；位于采样仓上侧的空腔与出水管连通；位于采样仓下侧空腔与回流管连通。

作为优选，冷却系统还包括有排气管；冷却仓下侧连通有排出气流的排气管；PDC钻头下侧设置有若干个防止水眼堵塞的出气口；排气管与水眼之间通过出气口连通。

作为优选，冷却系统还包括有导流板；罩壳外侧固接有防止岩屑堵塞进气孔的导流板；导流板下侧设置为弧形，内部与进气孔连通。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明实现的有益效果如下：

通过设置破碎叶片，使得岩屑被二次破碎成较小的形状，并且通过不断旋转带动岩屑向上方传输，便于岩屑采样收集；

通过设置采样仓和隔板，实现一次钻井工作开展的同时，完成对不同深度岩屑样本的独立采样，同时确保岩屑样本不受外界污染，避免不同深度的岩屑相互混合，确保采集准确；

通过第一挡板，避免岩屑在采样口堆积，阻碍采样仓采集岩屑，减少岩屑的采集数量；同时通过设置转动的第二挡板和凸杆，避免岩屑堆积过多导致第一挡板无法转动，配合凸杆将粒径过大的岩屑排出，提高排出岩屑的效率；

通过扇叶、冷却仓、冷凝管、冷凝主机和储水仓相互配合，对空气中水蒸气进行冷凝并储存，实现冷却水回收再利用，提高冷却水的利用率；

通过导流板，阻挡岩屑直接与进气孔接触，从而避免进气孔堵塞，保证冷凝水的产生速度。

附图说明

图1本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的仰视图；

图3为本发明的第一种部分剖视图；

图4为本发明的第二种部分剖视图；

图5为本发明的第三种部分剖视图；

图6为本发明的疏导系统立体结构示意图；

图7为本发明的图6中A处区域放大图；

图8为本发明的第二挡板和凸杆组合立体结构示意图；

图9为本发明的冷却系统立体结构示意图；

图10为本发明的冷却系统第一种部分剖视图；

图11为本发明的冷却系统第二种部分剖视图；

图12为本发明的冷却系统第三种部分剖视图；

图13为本发明的导流板剖视图。

附图标记说明：1-PDC钻头，1001-水眼，1002-出气口，2-罩壳，2001-采样口，2002-进气孔，3-破碎叶片，4-采样仓，4001-进料口，4002-空腔，4003-排水管道，5-隔板，201-驱动件，301-第一限位块，302-第一挡板，303-第二限位块，304-第二挡板，305-凸杆，401-输水管，402-扇叶，403-冷却仓，404-冷凝管，405-冷凝主机，406-储水仓，407-出水管，408-排气管，409-回流管，501-导流板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1

如图3-图5所示，一种具有岩层信息采集的PDC钻头，包括有PDC钻头1和罩壳2；PDC钻头1上侧设置有罩壳2；罩壳2外侧开设有至少四个采样口2001，通过采样口2001对钻井内的岩屑进行采集；

还包括有破碎叶片3、采样仓4、隔板5和疏导系统；罩壳2外侧呈环形设置有至少三个破碎叶片3，通过破碎叶片3使得岩屑二次破碎，便于采集；罩壳2内侧连接有采样仓4；采样仓4内侧设置有至少两个隔板5，通过隔板5将采样仓4分隔为若干个相互独立的存储腔；每个存储腔外侧均设置有至少四个进料口4001，通过采样仓4向上移动使进料口4001与采样口2001连通，实现对岩屑的采集，并且相互独立的存储腔便于储存不同深度的岩屑，确保采集准确；罩壳2上设置有疏导系统，通过疏导系统使得在采样仓4移动时，避免岩屑卡在进料口4001与采样口2001之间，阻碍采样仓4采集岩屑，减少岩屑的采集数量。

还包括有驱动件201；罩壳2下侧固接有驱动件201，驱动件201是电动推杆；驱动件201伸缩端与采样仓4固接，通过驱动件201带动采样仓4在罩壳2内上下移动。

下面对采样过程进行详细描述：对于岩层信息的采集，通常是收集钻井液中所掺杂的岩屑，但不同深度的岩屑从钻井上返的过程中，容易相互混合，造成不同深度的岩屑掺杂难以分离，降低采样精度，进而导致最终的岩层信息不准确，为此，在进行岩屑采集时，在钻杆末端安装PDC钻头1，通过持续旋转的钻杆带动PDC钻头1对岩层进行破碎，进而持续向地底钻进，直至采样深度，控制钻头停止向下钻进，此时钻井底部堆积有大小不一的岩屑，当PDC钻头1原地钻动时，罩壳2同步转动，进而带动三个环形布置的破碎叶片3旋转，岩屑在PDC钻头1的引导下不断向破碎叶片3传输，进而在破碎叶片3挤压下，引导岩屑与钻井内壁碰撞，同时通过破碎叶片3与钻井内壁配合对岩屑碾压，使得岩屑被二次破碎，防止岩屑过大，不便于岩屑采样收集，并且在破碎叶片3带动下，使岩屑向破碎叶片3上方传输，此时，通过驱动件201带动采样仓4向上移动，使得存储腔外侧设置的四个进料口4001与罩壳2外侧设置的四个采样口2001连通，岩屑通过进料口4001进入存储腔，实现对特定深度岩屑的采样，随后采样仓4向上移动，使存储腔密封，确保岩屑样本不受外界污染，此时控制PDC钻头1继续向下钻动至下一采样深度，按上述方式将不同深度的岩屑存储至不同的存储腔内，实现一次钻井工作开展的同时，完成对不同深度岩屑样本的独立采样，避免不同深度的岩屑相互混合，确保采集准确度。

实施例2

在实施例1的基础上，如图6-图8所示，取样完成后进料口4001处堆积有岩屑，造成采样口2001堵塞，从而阻碍采样仓4采集岩屑，减少岩屑的采集数量，为此，疏导系统包括有第一限位块301和第一挡板302；采样仓4外侧固接有若干个第一限位块301；第一限位块301分别设置在相邻进料口4001的上侧和下侧；罩壳2上转动连接有第一挡板302；第一挡板302位于采样口2001下侧；第一挡板302外侧高于内侧，罩壳2与第一挡板302通过扭力弹簧连接，进行采样时，由于第一挡板302外侧高于内侧，在重力作用下，使得岩屑快速通过采样口2001进入进料口4001，提高采样速度，当前深度岩屑采样完成后，采样仓4向上移动，带动第一限位块301向上移动，使得第一限位块301与第一挡板302接触，第一挡板302在第一限位块301推动下，以从右向左为基准，逆时针向外转动，此时第一挡板302内侧高于外侧，通过第一挡板302阻挡岩屑进入采样口2001，并且使第一挡板302残留的岩屑在重力作用下向外排出，避免岩屑在采样口2001堆积，从而避免岩屑卡在进料口4001与采样口2001之间，确保采样仓4不受损伤，同时扭力弹簧受力，在采样仓4进行下次采样时，便于第一挡板302恢复原状。

由于存在采样口2001处堆积过多岩屑，导致第一挡板302无法转动的情况，疏导系统还包括有第二限位块303和第二挡板304；采样仓4上固接有第二限位块303；第二限位块303分别位于进料口4001左右两侧；采样口2001上侧转动连接有第二挡板304，罩壳2与第二挡板304通过扭力弹簧连接，当采样仓4向上移动时，带动第二限位块303移动向上移动，第二限位块303与第二挡板304接触，使得第二挡板304先于第一挡板302逆时针转动，此时第二挡板304内侧高于外侧，增大岩屑在采样口2001的可移动空间，避免岩屑堆积过多导致第一挡板302无法转动，进而采样仓4继续向上运动，第二限位块303与第二挡板304分离，在扭力弹簧的作用下，第二挡板304顺时针转动归位，同时推动第二挡板304下侧的岩屑向外侧排出，提高排出岩屑的效率。

疏导系统还有包括有凸杆305；第二挡板304下侧固接有若干个凸杆305，凸杆305之间有一定间隙，当岩屑进入采样口2001时，粒径大于相邻凸杆305间隙的岩屑被凸杆305阻挡，从而避免粒径过大的岩屑的进入采样仓4，导致浪费大量的存储容积，减少岩屑样本采集的数量，并且当第二挡板304顺时针转动归位时，凸杆305同步向外转动，将粒径过大的岩屑排出，进一步提高排出岩屑的效率。

凸杆305设置为楔形，使得凸杆305向外推动岩屑时，能将岩屑从中心向左右两侧分散，确保凸杆305受力均衡；并且凸杆305与第二挡板304的夹角呈四十五度，相比较于凸杆305在第二挡板304上垂直设置，能够最大程度的增大凸杆305与岩屑的接触面积，提高凸杆305排出岩屑的效率。

实施例3

在实施例1或2的基础上，如图1、图2和图9-图13所示，PDC钻头1在钻动中会产生大量热量，进而使得PDC钻头1表面温度升高，加快PDC钻头1磨损，为此，还包括有冷却系统，冷却系统包括有输水管401；罩壳2内侧安装有输水管401；输水管401内输送有冷却水；PDC钻头1下侧设置有至少三个水眼1001，输水管401与水眼1001连通，冷却水通过输水管401流至PDC钻头1下侧，进而通过三个水眼1001喷射至钻孔内，对PDC钻头1表面进行冷却，实现对PDC钻头1的降温。

由于PDC钻头1表面温度较高，冷却水接触PDC钻头1后，吸收热量转化为水蒸气，因此需要不断提供冷却水对PDC钻头1冷却，造成冷却水需求量较大，为提高冷却水的利用率，冷却系统还包括有冷凝组件、出水管407和回流管409；罩壳2内侧安装有冷凝组件，通过冷凝组件对空气中水蒸气进行冷凝并储存；冷凝组件与采样仓4上侧之间连通有出水管407；采样仓4下侧与输水管401之间连通有回流管409；出水管407与回流管409通过采样仓4连通，通过冷凝组件将空气中的水蒸气冷凝为冷却水，并储存在其内部，进行冷却时，冷却水通过出水管407流经采样仓4，进而流入回流管409，最终回流至输水管401，实现冷却水回收再利用，提高冷却水的利用率。

冷凝组件包括有扇叶402、冷却仓403、冷凝管404、冷凝主机405和储水仓406；罩壳2外侧设置有进气孔2002；罩壳2内侧上部转动连接有扇叶402；罩壳2内侧固接有冷却仓403；冷却仓403位于扇叶402下方，通过扇叶402转动持续向冷却仓403内输送空气；冷却仓403内侧安装有冷凝管404；冷凝管404内流动有冷凝液，通过冷凝液对空气中的水蒸气进行冷凝；冷却仓403外侧固接有冷凝主机405；冷却仓403下侧连通有储水仓406；储水仓406与出水管407连通，通过罩壳2不断旋转，带动扇叶402转动，使得扇叶402产生向下的吸力，使得罩壳2外的空气通过进气孔2002流入冷却仓403内，由于冷凝主机405不断循环冷凝管404内的冷凝液，使得冷凝管404表面温度较低，进而使空气中的水蒸气在冷凝管404表面凝结为冷却水，由于冷却仓403呈漏斗状，通过冷却仓403使得冷却水沿冷却仓403内壁向下汇聚流动，进而流入储水仓406内储存，实现对空气中的水蒸气进行冷凝并储存。

采样仓4上下两侧各开设有一个空腔4002；采样仓4外壁开设有若干个排水管道4003；空腔4002与排水管道4003连通；位于采样仓4上侧的空腔4002与出水管407连通；位于采样仓4下侧空腔4002与回流管409连通，当冷却水流经采样仓4时，冷却水由出水管407流入采样仓4上侧的空腔4002，通过空腔4002将水流分散至若干个排水管道4003中，水流通过排水管道4003，同时将采样仓4外壁的热量带走，进而实现对采样仓4内岩屑的降温，避免岩屑因温度过高而开裂，影响岩屑的采集质量，水流通过排水管道4003后流至采样仓4下侧的空腔4002，通过该空腔4002将若干个排水管道4003的水流归集后，最终流入回流管409。

PDC钻头1在钻动过程中，岩屑飞溅容易堵塞在水眼1001内，进而导致冷却水喷射受阻，影响PDC钻头1散热，为此，冷却系统还包括有排气管408；冷却仓403下侧连通有排气管408；PDC钻头1下侧设置有至少三个出气口1002；排气管408与水眼1001之间通过出气口1002连通，当扇叶402向冷却仓403输送空气时，冷凝后的空气经过排气管408向下排出，最后从三个出气口1002喷出，利用气流将岩屑从水眼1001内吹离，实现对水眼1001的清理，保证PDC钻头1正常散热。

为避免在钻动过程中，岩屑堵塞进气孔2002，使得进入罩壳2内的水蒸气减少，降低冷凝水的产生速度，冷却系统还包括有导流板501；罩壳2外侧固接有导流板501；导流板501下侧设置为弧形，内部与进气孔2002连通，气流经过导流板501的弧形引导向上侧流动，进而流入进气孔2002，阻挡岩屑直接与进气孔2002接触，从而避免进气孔2002堵塞，保证冷凝水的产生速度。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有岩层信息采集的PDC钻头，包括有PDC钻头（1）和罩壳（2）；PDC钻头（1）上侧设置有罩壳（2）；罩壳（2）外侧开设有若干个用于采集岩屑的采样口（2001），通过采样口（2001）对钻井内的岩屑进行采集；其特征在于，还包括有破碎叶片（3）、采样仓（4）、隔板（5）和疏导系统；罩壳（2）外侧呈环形设置有若干个对岩屑二次破碎的破碎叶片（3）；罩壳（2）内侧连接有上下移动用于储存岩屑的采样仓（4）；采样仓（4）内侧设置有若干个隔板（5），通过隔板（5）将采样仓（4）分隔为若干个相互独立的存储腔；每个存储腔外侧均设置有若干个便于岩屑进入存储腔的进料口（4001）；罩壳（2）上设置有防止岩屑卡在采样口（2001）的疏导系统；

疏导系统包括有第一限位块（301）和第一挡板（302）；采样仓（4）外侧固接有若干个第一限位块（301）；第一限位块（301）分别设置在相邻进料口（4001）的上侧和下侧；罩壳（2）上转动连接有将岩屑向外排出的第一挡板（302）；第一挡板（302）位于采样口（2001）下侧；第一挡板（302）外侧高于内侧，罩壳（2）与第一挡板（302）通过扭力弹簧连接；

疏导系统还包括有第二限位块（303）和第二挡板（304）；采样仓（4）上固接有第二限位块（303）；第二限位块（303）分别位于进料口（4001）左右两侧；采样口（2001）上侧转动连接有避免第一挡板（302）卡住的第二挡板（304），罩壳（2）与第二挡板（304）通过扭力弹簧连接；

还包括有驱动件（201）；罩壳（2）下侧固接有驱动件（201），驱动件（201）伸缩端与采样仓（4）固接，通过驱动件（201）带动采样仓（4）在罩壳（2）内上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，疏导系统还有包括有凸杆（305）；第二挡板（304）下侧固接有若干个防止粒径过大的岩屑进入采样仓（4）的凸杆（305），凸杆（305）之间有一定间隙。

3.根据权利要求1所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，还包括有冷却系统，冷却系统包括有输水管（401）；罩壳（2）内侧安装有输水管（401）；输水管（401）内输送有冷却水；PDC钻头（1）下侧设置有若干个用于喷射冷却水的水眼（1001），输水管（401）与水眼（1001）连通。

4.根据权利要求3所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，冷却系统还包括有冷凝组件、出水管（407）和回流管（409）；罩壳（2）内侧安装有用于冷凝空气中水蒸气的冷凝组件；冷凝组件与采样仓（4）上侧之间连通有出水管（407）；采样仓（4）下侧与输水管（401）之间连通有回流管（409）；出水管（407）与回流管（409）通过采样仓（4）连通。

5.根据权利要求4所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，冷凝组件包括有扇叶（402）、冷却仓（403）、冷凝管（404）、冷凝主机（405）和储水仓（406）；罩壳（2）外侧设置有进气孔（2002）；罩壳（2）内侧上部转动连接有用于吸气的扇叶（402）；罩壳（2）内侧固接有用于引导空气和冷凝水流动方向的冷却仓（403）；冷却仓（403）位于扇叶（402）下方；冷却仓（403）内侧安装有对水蒸气进行冷凝的冷凝管（404）；冷凝管（404）内流动有冷凝液；冷却仓（403）外侧固接有使冷凝液在冷凝管（404）内循环的冷凝主机（405）；冷却仓（403）下侧连通有储存冷却水储水仓（406）；储水仓（406）与出水管（407）连通。

6.根据权利要求4所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，采样仓（4）上下两侧各开设有一个分散或归集水流的空腔（4002）；采样仓（4）外壁开设有若干个用于对岩屑进行散热的排水管道（4003）；空腔（4002）与排水管道（4003）连通；位于采样仓（4）上侧的空腔（4002）与出水管（407）连通；位于采样仓（4）下侧空腔（4002）与回流管（409）连通。

7.根据权利要求5所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，冷却系统还包括有排气管（408）；冷却仓（403）下侧连通有排出气流的排气管（408）；PDC钻头（1）下侧设置有若干个防止水眼（1001）堵塞的出气口（1002）；排气管（408）与水眼（1001）之间通过出气口（1002）连通。

8.根据权利要求5所述的一种具有岩层信息采集的PDC钻头，其特征在于，冷却系统还包括有导流板（501）；罩壳（2）外侧固接有防止岩屑堵塞进气孔（2002）的导流板（501）；导流板（501）下侧设置为弧形，内部与进气孔（2002）连通。