CN117588167A - 一种侧向切削性高的pdc钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种侧向切削性高的PDC钻头。要解决的技术问题是：当钻头钻进至溶洞时，钻头迅速下滑与岩层发生撞击，造成钻头损坏，并且，钻头表面温度高，加热溶洞内的易燃气体，从而引发爆炸，进一步地，岩屑进入钻头内部，从而堵塞排液孔，影响冷却液的排出。技术方案：一种侧向切削性高的PDC钻头，包括有套筒和钻头等；套筒上安装有钻头。本发明实现了当钻头钻进至溶洞时，通过支撑杆向外展开紧贴钻井内壁降低支撑杆与内壁之间的摩擦力，使套筒向下移动的速度减缓直至停止，避免钻头掉落至溶洞内与岩层发生撞击，造成钻头损坏，并通过冷却液从冷却孔排出，实现对钻头的冷却，避免溶洞内的气体受热发生爆炸。

Description

一种侧向切削性高的PDC钻头
技术领域
本发明涉及钻探工程领域，尤其涉及一种侧向切削性高的PDC钻头。
背景技术
PDC钻头具备高硬度、高耐磨的优良性能，因此适用于各类岩层的钻进，在钻进的过程中，通常需要向钻杆施加钻压，用于达到破碎岩层的效果，但地下岩层情况复杂，存在内部中空的溶洞，当钻头钻至溶洞处时，钻头底部无岩层支撑，使钻头以及钻杆在钻压下迅速向下滑动，从而使钻头与岩层发生撞击，造成钻头损坏，在此基础上，由于溶洞内存在瓦斯等易燃气体，且钻头表面温度较高，当钻头进入溶洞内加热溶洞内的易燃气体，从而引发爆炸。
进一步地，由于溶洞内的气压较高，气体通过钻头上的排液孔进入钻头内部，将岩屑带入进入钻头内部，从而堵塞排液孔，影响冷却液的排出。
发明内容
为了克服当钻头钻进至溶洞时，钻头迅速下滑与岩层发生撞击，造成钻头损坏，并且，钻头表面温度高，加热溶洞内的易燃气体，从而引发爆炸，进一步地，岩屑进入钻头内部，从而堵塞排液孔，影响冷却液的排出的缺点，本发明提供一种侧向切削性高的PDC钻头。
技术方案：一种侧向切削性高的PDC钻头，包括有套筒和钻头；套筒上安装有钻头；套筒上侧与钻杆连接；钻杆内流动有冷却液；钻头内侧设置有排水腔；钻头上开设有若干个排水通道；若干个排水通道均与排水腔连通；还包括有平键、支撑杆、排水管和防堵塞系统；钻头设置为在套筒内可伸缩移动；钻头上侧安装有若干个平键；套筒上活动连接有若干个防止钻头掉落的支撑杆；每个支撑杆均与相邻的平键滑动接触；套筒上安装有输送冷却液的排水管；排水管上端与钻杆内部连通；当钻头钻至溶洞内时，钻头向下移动，排水管下端与排水腔连通；钻头内安装有避免排水腔堵塞的防堵塞系统。
进一步的是，每个支撑杆下侧均设置有一个凹槽。
进一步的是，每个支撑杆上均设置有增大支撑杆与钻井接触面积的凸起。
进一步的是，每个凸起的宽度均设置为由下往上逐渐增大。
进一步的是，钻头上开设有若干个喷射冷却液的冷却孔；当钻头钻至溶洞时，钻头向下移动，若干个冷却孔与排水管处于连通状态。
进一步的是，冷却孔设置为向下倾斜状。
进一步的是，还包括有固定环、滑板和第一弹性件；钻头内侧固接有固定环；固定环上滑动连接有节约冷却液的滑板；滑板与固定环之间固接有若干个第一弹性件。
进一步的是，防堵塞系统包括有密封壳和支杆；钻头的排水腔内活动连接有阻挡岩屑进入排水腔内的密封壳；密封壳上开设有若干个通孔；密封壳上侧固接有支杆；支杆上设置有螺纹；滑板下侧设置有端盖；支杆与端盖之间通过螺纹连接。
进一步的是，还包括有切削齿；每个支撑杆上固接有若干个扩大钻井内径的切削齿。
进一步的是，同一个支撑杆上若干个的切削齿的转动半径设置为沿钻头径向方向逐渐增大。
有益效果为：
当钻头钻进至溶洞时，通过支撑杆向外展开紧贴钻井内壁降低支撑杆与内壁之间的摩擦力，使套筒向下移动的速度减缓直至停止，避免钻头掉落至溶洞内与岩层发生撞击，造成钻头损坏；
通过凹槽增大支撑杆与钻井内壁凸出岩块的接触面积，并避免支撑杆受到钻井内壁凸出岩块挤压后向内收缩，并通过凸起卡入钻井内壁从而增大支撑杆与钻井内壁的接触面积，增强支撑杆的减速效果；
当钻头伸长时，通过冷却液从冷却孔排出，进而使冷却液向下流动至钻头表面，实现对钻头的冷却，避免溶洞内的气体受热发生爆炸；
通过密封壳顺时针转动九十度，从而使阻断排水腔与排水通道之间的连通，从而避免岩屑堵塞排水腔；
当向上提升钻头时，通过切削齿切削钻井内壁，从而扩大钻井内壁直径，减少发生卡钻的现象。
附图说明
图1为本发明的侧向切削性高的PDC钻头立体结构示意图；
图2为本发明的套筒剖视图；
图3为本发明的钻头伸长状态图；
图4为本发明的图3中A处区域放大图；
图5为本发明的套筒和钻头组合剖视图；
图6为本发明的固定环和滑板贴合状态图；
图7为本发明的防堵塞系统立体结构示意图；
图8为本发明的防堵塞系统主视图；
图9为本发明的支撑杆和切削齿组合立体结构示意图。
以上附图中：1-套筒，2-钻头，2001-排水腔，2002-排水通道，2003-冷却孔，3-平键，4-支撑杆，4001-凹槽，4002-凸起，5-排水管，301-固定环，302-滑板，30201-端盖，303-第一弹性件，304-第二弹性件，401-密封壳，402-支杆，40201-螺纹，501-切削齿。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述。
实施例1
如图2-图6所示，一种侧向切削性高的PDC钻头，包括有套筒1和钻头2；套筒1上安装有钻头2；套筒1上侧与钻杆连接；钻杆内流动有冷却液；钻头2内侧设置有排水腔2001；钻头2上开设有若干个排水通道2002；若干个排水通道2002均与排水腔2001连通；
还包括有平键3、支撑杆4、排水管5和防堵塞系统；钻头2设置为在套筒1内可伸缩移动；钻头2上侧安装有四个呈环形布置的平键3；套筒1上活动连接有四个呈环形布置的支撑杆4；每个支撑杆4均与相邻的平键3滑动接触；套筒1上安装有排水管5；排水管5上端与钻杆内部连通；当钻头2钻至溶洞内时，钻头2向下移动，排水管5下端与排水腔2001连通，通过支撑杆4向外展开紧贴钻井内壁降低支撑杆4与内壁之间的摩擦力，使套筒1向下移动的速度减缓直至停止，避免钻头2掉落至溶洞内与岩层发生撞击，造成钻头2损坏；钻头2内安装有防堵塞系统，通过防堵塞系统防止岩屑进入排水腔2001，避免排水腔2001堵塞。
每个支撑杆4下侧均设置有一个凹槽4001，通过凹槽4001增大支撑杆4与钻井内壁凸出岩块的接触面积，并避免支撑杆4受到钻井内壁凸出岩块挤压后向内收缩。
每个支撑杆4上均设置有凸起4002，通过凸起4002刻入钻井内壁从而增大支撑杆4与钻井内壁的接触面积，增强支撑杆4对钻头2的减速效果。
每个凸起4002的宽度均设置为由下往上逐渐增大，从而使凸起4002上侧快速卡入凸起4002下侧刻出的凹痕内，进一步增强支撑杆4的减速效果。
钻头2上开设有若干个冷却孔2003；当钻头2钻至溶洞时，钻头2向下移动，若干个冷却孔2003与排水管5处于连通状态，从而使冷却液从冷却孔2003排出，进而使冷却液向下流动至钻头2表面，实现对钻头2的冷却，避免溶洞内的气体受热发生爆炸。
冷却孔2003设置为向下倾斜状，引导冷却液沿钻头2表面向下流动，使冷却液充分贴合钻头2，提高冷却效率。
还包括有固定环301、滑板302和第一弹性件303；钻头2内侧固接有固定环301；固定环301上滑动连接有滑板302；滑板302与固定环301之间固接有四个呈环形布置的第一弹性件303，第一弹性件303是弹簧，当钻头2伸长时，通过滑板302与固定环301贴合，阻断排水管5与排水腔2001的连通，从而阻挡冷却液从排水通道2002流出，避免冷却液浪费。
还包括有第二弹性件304；套筒1和钻头2之间固接有第二弹性件304，第二弹性件304是弹簧，当钻头2钻至溶洞时，通过第二弹性件304带动钻头2向下移动。
在对岩层进行钻进时，先将钻头2安装在钻杆末端，然后控制钻杆不断旋转，使钻头2不断对岩层的切削，并通过对钻杆施加向下的钻压，使钻头2紧贴岩层不断向下钻进，并通过钻杆向排水管5内输送冷却液，冷却液通过排水管5进入排水腔2001内，随后从排水通道2002排出，实现对钻头2表面的冷却，与此同时，第二弹性件304在钻压下处于压缩状态，钻头2处于收缩状态，当钻头2向下钻进至溶洞时，此时钻头2下侧无岩层支撑，第二弹性件304推动钻头2向下移动至溶洞内，钻头2处于伸长状态，同时钻头2带动平键3向下移动，从而使平键3挤压支撑杆4，以左侧所述的支撑杆4为例进行详细描述，以从前向后看为基准，使支撑杆4顺时针转动，从而使支撑杆4向外展开紧贴钻井内壁，通过支撑杆4与内壁之间的摩擦力降低套筒1向下移动的速度直至停止，避免钻头2掉落至溶洞内与岩层发生撞击，造成钻头2损坏，在此基础上，当支撑杆4展开时，通过凹槽4001增大支撑杆4与钻井内壁凸出岩块的接触面积，并避免支撑杆4受到钻井内壁凸出岩块挤压后向内收缩，进一步地，当支撑杆4紧贴钻井内壁向下移动时，通过凸起4002刻入钻井内壁从而增大支撑杆4与钻井内壁的接触面积，增强支撑杆4的减速效果，在此基础上，由于凸起4002的宽度设置为由下往上逐渐变宽，从而使凸起4002上侧卡在凸起4002下侧刻出的凹痕内，进一步增强支撑杆4的减速效果，在此基础上，由于溶洞内存在瓦斯等易燃气体，当钻头2伸入溶洞内时，由于钻头2底部没有岩层支撑，从而排水通道2002喷射出的冷却液难以接触钻头2表面，此时钻头2表面的温度高，从而使溶洞内的气体受热发生爆炸，造成严重的安全事故，为此，当钻头2伸长时，钻头2的冷却孔2003与排水管5连通，从而使冷却液从冷却孔2003排出，进而使冷却液向下流动至钻头2表面，实现对钻头2的冷却，在此基础上，冷却孔2003设置呈向下倾斜状态，从而便于冷却液沿钻头2表面向下流动，使冷却液充分贴合钻头2，提高冷却效率，进一步地，当钻头2伸长时，滑板302与排水管5脱离，滑板302在第一弹性件303的作用下向上移动，从而使滑板302与固定环301贴合，阻断排水管5与排水腔2001的连通，从而阻挡冷却液从排水通道2002流出，避免冷却液浪费。
实施例2
在实施例1的基础上，如图7-图8所示，防堵塞系统包括有密封壳401和支杆402；钻头2的排水腔2001内活动连接有密封壳401；密封壳401上开设有若干个通孔；密封壳401上侧固接有支杆402；支杆402上设置有螺纹40201；滑板302下侧设置有端盖30201；支杆402与端盖30201之间通过螺纹40201连接。
当溶洞处于地热能丰富的区域时，溶洞内温度高，气压较大，溶洞内的气体通过排水通道2002进入排水腔2001，从而带动钻头2表面的岩屑进入排水腔2001内，造成排水腔2001堵塞，为此，当滑板302向上移动时，带动端盖30201同步上升，由于端盖30201与支杆402之间通过螺纹40201滑动连接，从而使支杆402发生转动，以从上向下看为基准，使支杆402顺时针转动，进而带动密封壳401顺时针转动九十度，从而使阻断排水腔2001与排水通道2002之间的连通，从而避免岩屑堵塞排水腔2001。
实施例3
在实施例1和2的基础上，如图1和图9所示，还包括有切削齿501；每个支撑杆4上固接有三个切削齿501，通过切削齿501切削钻井内壁，从而扩大钻井内壁直径，减少发生卡钻的现象。
以从上向下为基准，同一个支撑杆4上三个的切削齿501的转动半径设置为沿钻头2径向方向逐渐增大，避免切削齿501切削钻井内壁时，切削深度过大导致切削齿501损坏。
在钻进过程中，存在钻井缩径卡钻的情况，即钻井内壁形成一层厚的岩屑混合物，从而使钻头2在提升过程中被卡住，为此，在提升钻头2时，以从上向下看为基准，通过钻杆带动支撑杆4顺时针旋转，从而带动切削齿501顺时针转动，通过切削齿501切削钻井内壁，从而扩大钻井内壁直径，减少发生卡钻的现象，在此基础上，切削齿501的转动半径设置为沿钻头2径向方向逐渐变大，从而使切削齿501的切削量由上至下逐渐增大，避免切削齿501切削钻井内壁时，切削深度过大导致切削齿501损坏。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应理解本发明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应给予最宽泛的解释，以便涵盖所有的变型以及等同的结构和功能。

Claims (10)

1.一种侧向切削性高的PDC钻头，包括有套筒（1）和钻头（2）；套筒（1）上安装有钻头（2）；套筒（1）上侧与钻杆连接；钻杆内流动有冷却液；钻头（2）内侧设置有排水腔（2001）；钻头（2）上开设有若干个排水通道（2002）；若干个排水通道（2002）均与排水腔（2001）连通；其特征是：还包括有平键（3）、支撑杆（4）、排水管（5）和防堵塞系统；钻头（2）设置为在套筒（1）内可伸缩移动；钻头（2）上侧安装有若干个平键（3）；套筒（1）上活动连接有若干个防止钻头（2）掉落的支撑杆（4）；每个支撑杆（4）均与相邻的平键（3）滑动接触；套筒（1）上安装有输送冷却液的排水管（5）；排水管（5）上端与钻杆内部连通；当钻头（2）钻至溶洞内时，钻头（2）向下移动，排水管（5）下端与排水腔（2001）连通；钻头（2）内安装有避免排水腔（2001）堵塞的防堵塞系统。
2.按照权利要求1所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：每个支撑杆（4）下侧均设置有一个凹槽（4001）。
3.按照权利要求2所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：每个支撑杆（4）上均设置有增大支撑杆（4）与钻井接触面积的凸起（4002）。
4.按照权利要求3所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：每个凸起（4002）的宽度均设置为由下往上逐渐增大。
5.按照权利要求1所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：钻头（2）上开设有若干个喷射冷却液的冷却孔（2003）；当钻头（2）钻至溶洞时，钻头（2）向下移动，若干个冷却孔（2003）与排水管（5）处于连通状态。
6.按照权利要求5所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：冷却孔（2003）设置为向下倾斜状。
7.按照权利要求5所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：还包括有固定环（301）、滑板（302）和第一弹性件（303）；钻头（2）内侧固接有固定环（301）；固定环（301）上滑动连接有节约冷却液的滑板（302）；滑板（302）与固定环（301）之间固接有若干个第一弹性件（303）。
8.按照权利要求7所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：防堵塞系统包括有密封壳（401）和支杆（402）；钻头（2）的排水腔（2001）内活动连接有阻挡岩屑进入排水腔（2001）内的密封壳（401）；密封壳（401）上开设有若干个通孔；密封壳（401）上侧固接有支杆（402）；支杆（402）上设置有螺纹（40201）；滑板（302）下侧设置有端盖（30201）；支杆（402）与端盖（30201）之间通过螺纹（40201）连接。
9.按照权利要求3所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：还包括有切削齿（501）；每个支撑杆（4）上固接有若干个扩大钻井内径的切削齿（501）。
10.按照权利要求9所述的一种侧向切削性高的PDC钻头，其特征是：同一个支撑杆（4）上若干个的切削齿（501）的转动半径设置为沿钻头（2）径向方向逐渐增大。
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