CN211008469U - Pdc钻头自激动态平衡扭矩装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种PDC钻头自激动态平衡扭矩装置包括，上连接接头、蓄能筒体、弹簧、压缩活塞、压缩花键体、带导向槽导向体、钢丝绳；其中，带导向槽导向体下端为标准钻具扣型连接钻头，带导向槽导向体沟槽内布有高弹性钢丝绳，压缩活塞、上连接接头与隔离套形成空间内设有液体弹簧或橡胶弹簧，压缩花键体通过压缩带导向槽导向体沟槽内布有高弹性钢丝绳，破坏性能量存储在上部弹簧中，将引起钻头制动的钻进扭矩转化为BHA的一个轴向收缩，使钻头的钻压立刻降低，钻压的快速降低引起钻头切削齿吃入地层深度的减少，从而维持钻头继续旋转。本实用新型可改善卡—滑最严重的井眼钻井速度与效率。

Description

PDC钻头自激动态平衡扭矩装置

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻井、修井作业装置领域，尤其是一种PDC钻头钻进过程中扭矩自动平衡装置，属于钻井井下工具类。

背景技术

随着全球对石油资源需求的快速增长，钻井的深度与地层的复杂程度也越来越高，钻井速度慢，钻井成本高。在全球一些新探区，岩性变化大，地层软硬交错，钻井中易诱发井下钻具振动，钻头工作不稳定，PDC钻头粘滑振动，失效快，导致机械钻速慢，钻头寿命短，钻井周期长，钻井费用高；深井钻柱细长比大，井下振动波动剧烈，工具失效加速，风险高。在钻进软硬交错地层期间由钻头与地层间的作用引起的振动非常剧烈且通过钻头与钻进参数的选择来避免这样的振动难以做到。扭转振动可能来自钻柱与井壁之间的相互作用，这样的振动在碳酸盐之类的具有高摩擦系数的地层中会异常强烈，从而引起旋转角速度的剧烈变化，对来自MWD加速度计测量数据造成严重干扰，使测量数据质量大打折扣。

上述情形下，在底部钻柱受到压缩时便会出现最为严重的振动，其结果是无法分清振动是由钻头引起的还是由钻柱与井壁之间的摩擦引起的，两个振动源之间相互发生耦合作用，应力与振动在底部钻具组合（BHA）最底端积聚，而这个位置往往就是旋转导向工具所在的位置，这种情形下，输入给钻头的振荡能量不平稳，无法获得最佳的钻头破岩效率和最高的机械钻速。

检索“自激动态平衡扭矩装置”关键词，无符合条件的公开专利存在。

实用新型内容

本实用新型目的是基于改善钻具工作状态和辅助增加破岩能量的思路，以提高PDC钻头的工作稳定性、防止钻头损坏、延长钻头寿命和增加钻头破岩能量、提高钻头破岩效率为目的，提出一种PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，为现场提供钻井提速新技术，解决现场亟需的钻井提速技术难题，加快新探区勘探开发速度。

本实用新型为解决上述技术问题通过以下技术方案实现的：

一种PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，包括上连接接头、蓄能筒体、弹簧、压缩活塞、压缩花键体、带导向槽导向体和钢丝绳；其中：

压缩花键体、蓄能筒体与上连接接头自下而上依次固定连接构成外筒体，弹簧、压缩活塞、带导向槽导向体依次设置在上连接接头下方与外筒体的内腔，且压缩活塞、带导向槽导向体与外筒体构成轴向滑动密封配合，上连接接头与弹簧、压缩活塞、带导向槽导向体沿轴向构成钻井液流通的内孔；

压缩花键体内壁通过螺旋花键与带导向槽导向体连接；压缩花键体与蓄能筒体连接后对压缩活塞形成止推限位台阶；钢丝绳设置在带导向槽导向体沟槽内，钢丝绳两端分别固定在压缩花键体内壁和带导向槽导向体外壁上；带导向槽导向体上端固定连接压缩活塞，带导向槽导向体下端连接钻头。

上述方案进一步包括：

所述压缩花键体下端还固定连接有密封接头，密封接头与带导向槽导向体下端部构成轴向滑动密封配合。

所述密封接头、压缩花键体、蓄能筒体与上连接接头自下而上依次通过螺纹连接；所述带导向槽导向体上端通过螺纹连接压缩活塞。

所述上连接接头与蓄能筒体之间设有O形密封圈，蓄能筒体与压缩花键体之间设有O形密封圈，压缩花键体与密封接头之间设有O形密封圈，压缩活塞与压缩花键体之间设有O形密封圈。

所述弹簧为液体弹簧；在上连接接头与压缩活塞的内衬套装有隔离套；隔离套对液体弹簧构成密封。

所述上连接接头与隔离套、隔离套与压缩活塞之间设有双向配置的Y形密封圈和Y形密封圈

所述弹簧为刚性弹簧或橡胶弹簧。

所述带导向槽导向体与密封接头间设有防尘圈、卡尔斯密封和Y形密封圈。

钻井、修井作业中，作为底部钻具组合（BHA）的一个组成部分，PDC钻头自激动态平衡扭矩装置可以快速持续地阻止钻头卡滑蹩跳，从而限制严重井下有害振动的形成。这种井下工具的工作原理是将增大的将引起钻头制动的钻进扭矩转化为BHA的一个轴向收缩，使钻头的钻压立刻降低，钻压的快速降低引起钻头切削齿吃入地层深度的减少，从而维持钻头继续旋转。轴向收缩转化是通过一个压缩花键体、带导向槽导向体和钢丝绳组合实现的，抛光镀铬伸缩心轴部分在轴向长度变短，收缩的同时，位于蓄能筒体内的液体弹簧或橡胶弹簧会被压缩，之后弹簧吸收的能量会反馈给系统，从而维持一个恒定的扭转载荷。这种能够吸收与释放能量的系统可以实现连续不断地工作，而不需要中途调整。

在底部钻柱受到压缩时便会出现最为严重的振动，其结果是无法分清振动是由钻头引起的还是由钻柱与井壁之间的摩擦引起的，如果在这种情况下应用PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，自激动态平衡扭矩技术的闭环作用便会解除上述两个振动源之间的相互耦合作用，这可防止应力与振动在底部钻具组合（BHA）最底端的积聚，而这个位置往往就是旋转导向工具所在的位置，这种情形下，PDC钻头自激动态平衡扭矩装置能够使输入给钻头的振荡能量更加平稳，从而获得最佳的钻头破岩效率和最高的机械钻速。

本实用新型的优点是：PDC钻头自激动态平衡扭矩装置可以快速持续地阻止钻头卡滑蹩跳，从而限制严重井下有害振动的形成。本实用新型可用于钻井、修井作业中提高机械钻速，改善钻头蹩跳蹦齿严重的井眼钻进效果，提高钻井速度与效率。

附图说明

图1为本实用新型的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置结构示意图。

图中：1.上连接接头，2.隔离套， 3. Y形密封圈，4. O形密封圈，5.蓄能筒体，6.弹簧，7 .Y形密封圈，8 .Y形密封圈，9. 压缩活塞，10. O形密封圈，11.O形密封圈，12.压缩花键体，13.带导向槽导向体，14.O形密封圈，15.钢丝绳，16.密封接头，17.防尘圈，18.卡尔斯密封，19. Y形密封圈。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步描述。

实施例1

一种PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，包括上连接接头1、蓄能筒体5、弹簧6、压缩活塞9、压缩花键体12、带导向槽导向体13和钢丝绳15；其中：

压缩花键体12、蓄能筒体5与上连接接头1自下而上依次固定连接构成外筒体，弹簧6、压缩活塞9、带导向槽导向体13依次设置在上连接接头1下方与外筒体的内腔，且压缩活塞9、带导向槽导向体13与外筒体构成轴向滑动密封配合，上连接接头1与弹簧6、压缩活塞9、带导向槽导向体13沿轴向构成钻井液流通的内孔；

压缩花键体12内壁通过螺旋花键与带导向槽导向体13连接；压缩花键体12与蓄能筒体5连接后对压缩活塞9形成止推限位台阶；钢丝绳15设置在带导向槽导向体13沟槽内，钢丝绳15两端分别固定在压缩花键体12内壁和带导向槽导向体13外壁上；带导向槽导向体13上端固定连接压缩活塞9，带导向槽导向体13下端连接钻头。

实施例2

在实施例1的基础上进一步包括：

所述压缩花键体12下端还固定连接有密封接头16，密封接头16与带导向槽导向体13下端部构成轴向滑动密封配合。

所述密封接头16、压缩花键体12、蓄能筒体5与上连接接头1自下而上依次通过螺纹连接；所述带导向槽导向体13上端通过螺纹连接压缩活塞9。

所述上连接接头1与蓄能筒体5之间设有O形密封圈4，蓄能筒体5与压缩花键体12之间设有O形密封圈11，压缩花键体12与密封接头16之间设有O形密封圈14，压缩活塞9与压缩花键体12之间设有O形密封圈10。

实施例3

在实施例1或2的基础上，所述弹簧6为液体弹簧；在上连接接头1与压缩活塞9的内衬套装有隔离套2；隔离套2对液体弹簧6构成密封。

所述上连接接头1与隔离套2、隔离套2与压缩活塞9之间设有双向配置的Y形密封圈3和Y形密封圈8

实施例4

在实施例1或2的基础上，所述弹簧6为刚性弹簧或橡胶弹簧。

所述带导向槽导向体13与密封接头16间设有防尘圈17、卡尔斯密封18和Y形密封圈19。

典型实施例5

参照附图1，PDC钻头自激动态平衡扭矩装置包括，上连接接头1、隔离套2、蓄能筒体5、弹簧6、压缩活塞9、压缩花键体12、带导向槽导向体13、钢丝绳15、密封接头16、Y形密封圈3、O形密封圈4、Y形密封圈7、Y形密封圈8、O形密封圈10、O形密封圈11、O形密封圈14、卡尔斯密封18、Y形密封圈19和防尘圈17。

密封接头16、压缩花键体12、蓄能筒体5与上连接接头1自下而上依次通过螺纹连接，上连接接头1、隔离套2、弹簧6、压缩活塞9与带导向槽导向体13形成工具钻井液流通的内孔。隔离套2内衬套装在上连接接头1与压缩活塞9的内孔内，压缩活塞9、蓄能筒体5、上连接接头1与隔离套2之间形成的空间内设有弹簧6，弹簧6为液体弹簧或橡胶弹簧。

带导向槽导向体13上套装有密封接头16，压缩花键体12通过螺旋花键与带导向槽导向体13连接，压缩花键体12下端与密封接头16上端通过螺纹连接。压缩花键体12上端通过螺纹连接蓄能筒体5，两者连接后对压缩活塞9形成止推限位台阶。带导向槽导向体13沟槽内布设有高弹性钢丝绳15，高弹性钢丝绳15两端分别固定在压缩花键体12和带导向槽导向体13上。带导向槽导向体13上端通过螺纹连接压缩活塞9，带导向槽导向体13下端为标准钻具扣型连接钻头。

上连接接头1与蓄能筒体5、蓄能筒体5与压缩花键体12、压缩花键体12与密封接头16、压缩活塞9与压缩花键体12之间设有O形密封圈，上连接接头1与隔离套2、隔离套2与压缩活塞9之间设有双向配置的Y形密封圈3和Y形密封圈8，带导向槽导向体13与密封接头16间设有防尘圈17、卡尔斯密封18和Y形密封圈19。

钻井、修井作业中，作为底部钻具组合（BHA）的一个组成部分，PDC钻头自激动态平衡扭矩装置可以快速持续地阻止钻头卡滑蹩跳，从而限制严重井下有害振动的形成。

本实用新型的工作原理是：压缩花键体12通过高弹性钢丝绳15向带导向槽导向体13传递扭矩，压缩花键体12转动时高弹性钢丝绳15收紧压缩的同时将扭矩传递给带导向槽导向体13。由于压缩花键体12和带导向槽导向体13的螺旋花键配合，带导向槽导向体13向上运动并压缩位于蓄能筒体5内的弹簧6，破坏性能量存储在上部弹簧6中，将增大的会引起钻头制动的钻进扭矩转化为BHA的一个轴向收缩，使钻头的钻压立刻降低，钻压的快速降低引起钻头切削齿吃入地层深度的减少，从而维持钻头继续旋转。之后弹簧6吸收的能量会通过螺旋花键配合反馈给带导向槽导向体13，从而维持一个恒定的扭转载荷。这种能够吸收与释放能量的系统可以实现连续不断地工作，而不需要中途调整。

本实用新型克服了现有技术中的不足，通过橡胶弹簧或液体弹簧、弹性钢丝绳导向结构来减少工具长度。该工具有能力为钻头提供一个更加稳定的扭转载荷，只在钻头切削齿即将发生制动的那一刻才开始工作，通过这种方式持续地对扭矩的稳定性进行优化，这可给钻进速度带来相当可观的提高，改善那些卡—滑最严重的井眼钻井速度与效率。

Claims (9)

1.一种PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：包括上连接接头、蓄能筒体、弹簧、压缩活塞、压缩花键体、带导向槽导向体和钢丝绳；其中：

压缩花键体、蓄能筒体与上连接接头自下而上依次固定连接构成外筒体，弹簧、压缩活塞、带导向槽导向体依次设置在上连接接头下方与外筒体的内腔，且压缩活塞、带导向槽导向体与外筒体构成轴向滑动密封配合，上连接接头与弹簧、压缩活塞、带导向槽导向体沿轴向构成钻井液流通的内孔；

压缩花键体内壁通过螺旋花键与带导向槽导向体连接；压缩花键体与蓄能筒体连接后对压缩活塞形成止推限位台阶；钢丝绳设置在带导向槽导向体沟槽内，钢丝绳两端分别固定在压缩花键体内壁和带导向槽导向体外壁上；带导向槽导向体上端固定连接压缩活塞，带导向槽导向体下端连接钻头。

2.根据权利要求1所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：所述压缩花键体下端还固定连接有密封接头，密封接头与带导向槽导向体下端部构成轴向滑动密封配合。

3.根据权利要求2所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：所述密封接头、压缩花键体、蓄能筒体与上连接接头自下而上依次通过螺纹连接；所述带导向槽导向体上端通过螺纹连接压缩活塞。

4.根据权利要求2或3所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：所述上连接接头与蓄能筒体之间设有O形密封圈，蓄能筒体与压缩花键体之间设有O形密封圈，压缩花键体与密封接头之间设有O形密封圈，压缩活塞与压缩花键体之间设有O形密封圈。

5.根据权利要求4所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：所述弹簧为液体弹簧；在上连接接头与压缩活塞的内衬套装有隔离套；隔离套对液体弹簧构成密封。

6.根据权利要求5所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：所述上连接接头与隔离套、隔离套与压缩活塞之间设有双向配置的Y形密封圈。

7.根据权利要求6所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于： 所述带导向槽导向体与密封接头间设有防尘圈、卡尔斯密封和Y形密封圈。

8.根据权利要求4所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于：所述弹簧为刚性弹簧或橡胶弹簧。

9.根据权利要求8所述的PDC钻头自激动态平衡扭矩装置，其特征在于： 所述带导向槽导向体与密封接头间设有防尘圈、卡尔斯密封和Y形密封圈。

Images