CN117449770A - 减应力旋构装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探技术领域，具体为减应力旋构装置，包括上接头、外壳体、外保径体、牙掌、聚晶金刚石复合片、射流孔道、内保径体、牙轮、流道、锁紧模块、排屑孔、排屑槽；所述外壳体上部一体式连接有上接头，所述外壳体下部的外侧一体式连接有外保径体，所述外壳体内侧一体式连接有内保径体；所述内保径体、外保径体、外壳体下端面均安装聚晶金刚石复合片，所述外壳体内部开设有射流孔道。本申请是一种既能充分发挥现有PDC钻头和牙轮钻头破岩优势，又能改善井底岩石应力场，大幅降低岩石内应力，减小抗破碎强度的减应力旋构装置。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探技术领域，尤其是涉及减应力旋构装置。
背景技术
在油气钻井与地质钻探领域，钻头是钻井施工过程中必不可少的井下工具。通过钻头破碎地层岩石并由此钻进，从而形成井眼。钻头的设计与选择是提高复杂地层破岩效率、提高钻井速度和降低钻井成本的关键。因此一个井眼的好坏、钻进所用时间的长短均与钻头的结构和性能有着密不可分的联系。
目前常用两种钻头是牙轮钻头和PDC钻头；牙轮钻头的破岩原理是冲击、压碎。
现有的钻井施工钻头在使用过程中存在井底岩石应力场较大，碎裂强度高，并且在岩土钻进过程中排屑槽容易堵塞，不利于钻头的使用，降低钻头钻进的效率。
为此，提出减应力旋构装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种既能充分发挥现有PDC钻头和牙轮钻头破岩优势，又能改善井底岩石应力场，大幅降低岩石内应力，减小抗破碎强度减应力旋构装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：减应力旋构装置，包括上接头、外壳体、外保径体、牙掌、聚晶金刚石复合片、射流孔道、内保径体、牙轮、流道、锁紧模块、排屑孔、排屑槽；
所述外壳体上部一体式连接有上接头，所述外壳体下部的外侧一体式连接有外保径体，所述外壳体内侧一体式连接有内保径体；
所述内保径体、外保径体、外壳体下端面均安装聚晶金刚石复合片，所述外壳体内部开设有射流孔道，所述外壳体内壁一体式连接有牙掌，所述牙轮固定安装在牙掌上，所述牙轮表面开设有流道，所述牙轮的端部安装锁紧模块，所述外壳体上开设有排屑孔，所述外壳体的下部开设有排屑槽，所述射流孔道与排屑槽连通，所述排屑孔与外壳体中心孔连通。
优选的，所述牙轮中心轴倾斜向上，所述牙轮的数量至少为两组，两组所述牙轮均分布在外壳体内部。
优选的，所述外保径体表面安装保径齿。
优选的，所述内保径体表面安装防磨片。
优选的，所述聚晶金刚石复合片所在刀翼至少为三组，且均匀分布。
优选的，每组所述聚晶金刚石复合片的刀翼对应一个射流孔道。
优选的，所述排屑孔采用梯形结构设计，且排屑孔的数量至少设计为两组并均匀分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本申请减应力旋构装置的工作液，能够直接冲刷牙轮与岩心柱的破碎面，无需喷嘴装置，因此较常规喷嘴装置清洗面积更大、效果更好，进而也就克服了常规喷嘴易冲蚀、加工难度大、成本高、安装不便的问题；
2.同时牙轮表面加工流道，进一步扩大了牙轮的冷却面积。牙掌在减应力旋构装置内部向上倾斜；
（1）能够进一步提高牙轮切削齿的冷却效率和清洗效率；
（2）能够进一步提高牙轮破碎岩心柱中心区岩石的效率，从而大幅提高减应力旋构装置的钻进效率；
（3）较常规牙掌下倾设计，更有利于切削齿在牙轮表面的布齿设计与安装；减应力旋构装置形成的岩心柱的外径小于牙轮破岩区的直径，因此牙轮能够在岩石内应力更低的条件下以更快的速度压碎岩心柱，并且排屑孔正对牙轮的破岩面，排屑效率更高；射流孔道的入口位于牙轮的上部，避免了牙轮破岩形成的岩屑进入而发生堵塞的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明的多级减应力旋构装置图；
图2为本发明的单级减应力旋构装置A-A截面示意图。
附图标记说明：
1、上接头；2、外壳体；3、外保径体；4、牙掌；5、聚晶金刚石复合片；6、射流孔道；7、内保径体；8、牙轮；9、流道；10、锁紧模块；11、排屑孔；12、排屑槽。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：
减应力旋构装置，包括上接头1、外壳体2、外保径体3、牙掌4、聚晶金刚石复合片5、射流孔道6、内保径体7、牙轮8、流道9、锁紧模块10、排屑孔11、排屑槽12；
所述外壳体2上部一体式连接有上接头1，所述外壳体2下部的外侧一体式连接有外保径体3，所述外壳体2内侧一体式连接有内保径体7；
所述内保径体7、外保径体3、外壳体2下端面均安装聚晶金刚石复合片5，所述外壳体2内部开设有射流孔道6，所述外壳体2内壁一体式连接有牙掌4，所述牙轮8固定安装在牙掌4上，所述牙轮8表面开设有流道9，所述牙轮8的端部安装锁紧模块10，所述外壳体2上开设有排屑孔11，所述外壳体2的下部开设有排屑槽12，所述射流孔道6与排屑槽12连通，所述排屑孔11与外壳体2中心孔连通，所述牙轮8中心轴倾斜向上，所述牙轮8的数量至少为两组，两组所述牙轮8均分布在外壳体2内部，所述外保径体3表面安装保径齿，所述内保径体7表面安装防磨片，所述聚晶金刚石复合片5所在刀翼至少为三组，且均匀分布，每组所述聚晶金刚石复合片5的刀翼对应一个射流孔道6，所述排屑孔11采用梯形结构设计，且排屑孔11的数量至少设计为两组并均匀分布。
工作原理：减应力旋构装置安装在钻具组合的最下端，钻井时，地面机泵提供的工作液经过钻具组合进入减应力旋构装置内部，一部分工作液经过排屑孔11进入井眼环空，另一部分工作液经过射流孔道6进入排屑槽12，然后再进入井眼环空，当减应力旋构装置接触井底岩石并在动力装置驱动下旋转，此时减应力旋构装置下部的聚晶金刚石复合片5先进行破岩，工作液经射流孔道6射出，冷却聚晶金刚石复合片5的同时，携带切削形成的岩屑经排屑槽12进入井眼环空，上返至地面，随着破岩过程的持续，在井底岩石会形成环形槽，并且也会形成一个岩心柱并进入减应力旋构装置内部，即井底呈“凸”形。当岩心柱接触牙轮8时，在牙轮8旋转作用下，岩心柱被破碎，形成的岩屑由工作液携带经排屑孔11进入井眼环空，上返至地面。进入减应力旋构装置的工作液，能够直接冲刷牙轮8与岩心柱的破碎面，无需喷嘴装置，因此较常规喷嘴装置清洗面积更大、效果更好，进而也就克服了常规喷嘴易冲蚀、加工难度大、成本高、安装不便的问题，同时牙轮8表面加工流道9，进一步扩大了牙轮8的冷却面积。
牙掌4在减应力旋构装置内部向上倾斜：（1）能够进一步提高牙轮8切削齿的冷却效率和清洗效率；（2）能够进一步提高牙轮8破碎岩心柱中心区岩石的效率，从而大幅提高减应力旋构装置的钻进效率；（3）较常规牙掌4下倾设计，更有利于切削齿在牙轮8表面的布齿设计与安装；减应力旋构装置形成的岩心柱的外径小于牙轮8破岩区的直径，因此牙轮8能够在岩石内应力更低的条件下以更快的速度压碎岩心柱，并且排屑孔11正对牙轮8的破岩面，排屑效率更高；射流孔道6的入口位于牙轮8的上部，避免了牙轮8破岩形成的岩屑进入而发生堵塞的风险；减应力旋构装置下部的聚晶金刚石复合片5切削井底岩石形成环形槽，由于破岩面积小、破岩体积少，因而破岩效率更高，且有利于延长复合片的使用寿命；每组复合片所在刀翼均有射流孔道6对应，能够进行定向冷却和清洗；减应力旋构装置能够通过减小岩石内应力的方式，降低岩石抗破碎强度，大幅提高超深井超高应力地层的破岩效率，并且能够充分发挥牙轮8破岩和聚晶金刚石复合片5破岩的技术优势，对于我国深地能源的高效钻探开发和绿色应用具有重要的经济价值和社会价值。
现场试验结果表明，钻头安装减应力旋构装置后，钻井效率得到显著提升，且钻头使用寿命能够完全满足工程技术要求。
同时，减应力旋构装置还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便、使用寿命长等特点，便于大范围推广使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.减应力旋构装置，其特征在于：包括上接头（1）、外壳体（2）、外保径体（3）、牙掌（4）、聚晶金刚石复合片（5）、射流孔道（6）、内保径体（7）、牙轮（8）、流道（9）、锁紧模块（10）、排屑孔（11）、排屑槽（12）；
所述外壳体（2）上部一体式连接有上接头（1），所述外壳体（2）下部的外侧一体式连接有外保径体（3），所述外壳体（2）内侧一体式连接有内保径体（7）；
所述内保径体（7）、外保径体（3）、外壳体（2）下端面均安装聚晶金刚石复合片（5），所述外壳体（2）内部开设有射流孔道（6），所述外壳体（2）内壁一体式连接有牙掌（4），所述牙轮（8）固定安装在牙掌（4）上，所述牙轮（8）表面开设有流道（9），所述牙轮（8）的端部安装锁紧模块（10），所述外壳体（2）上开设有排屑孔（11），所述外壳体（2）的下部开设有排屑槽（12），所述射流孔道（6）与排屑槽（12）连通，所述排屑孔（11）与外壳体（2）中心孔连通。
2.根据权利要求1所述的减应力旋构装置，其特征在于：所述牙轮（8）中心轴倾斜向上，所述牙轮（8）的数量至少为两组，两组所述牙轮（8）均分布在外壳体（2）内部。
3.根据权利要求1所述的减应力旋构装置，其特征在于：所述外保径体（3）表面安装保径齿。
4.根据权利要求1所述的减应力旋构装置，其特征在于：所述内保径体（7）表面安装防磨片。
5.根据权利要求1所述的减应力旋构装置，其特征在于：所述聚晶金刚石复合片（5）所在刀翼至少为三组，且均匀分布。
6.根据权利要求1所述的减应力旋构装置，其特征在于：每组所述聚晶金刚石复合片（5）的刀翼对应一个射流孔道（6）。
7.根据权利要求1所述的减应力旋构装置，其特征在于：所述排屑孔（11）采用梯形结构设计，且排屑孔（11）的数量至少设计为两组并均匀分布。
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