CN212272037U - 一种具有主动防卡功能的新型pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及石钻井PDC钻头技术领域，尤其涉及一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，包括设置有刀头的钻头本体，刀头上设置有若干条钻头刀翼，钻头刀翼之间构成刀头侧边的外流道，所述刀头和钻头本体内设置有连通的、供流体通过的内流道，流体自钻头本体末端流入所述内流道并经过钻头本体和刀头内后自刀头前端的出口流出；所述刀头的外流道中，设置有旋转破岩装置，所述旋转破岩装置包括底部用于设置在所述刀头的内流道中的叶轮，以及贯穿刀头侧边设置且尾部插接在所述叶轮中、头部露出在外流道的转动件，流体流过所述刀头的内流道时通过叶轮带动所述转动件转动。
Description
技术领域
本实用新型涉及钻井PDC钻头技术领域，尤其涉及一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头。
背景技术
在钻井过程中钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关，钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。
钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一，钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏，在选用钻井工艺方面起着非常重要的作用，特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响，PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破颜工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期。
PDC钻头即聚晶金刚石复合片钻头是一款复合片外形是圆形被镶焊在圆柱的切削具上，将切削具镶装在钻头体上，成为PDC钻头。PDC钻头远比天然金刚石钻头成本低，但是只适用于软到中硬地层。PDC钻头在20世纪70年代初制造和使用成功以后，得到迅速发展，它可用较低钻压和较高转速，钻头进尺高，单位进尺成本低。
目前，PDC钻头由于破岩效率高，钻速快，进尺多，可靠性高等特点，其被广泛应用于石油与地质领域，是在钻进过程中破碎岩石形成井眼的利器。而一些岩层由于存在微小的裂缝，且岩石脆性较大。钻头在水平钻进的过程中，常会出现井壁掉落岩块，塌井的现象，造成钻头被紧紧卡住，且掉落的岩块会降低钻井液移运岩屑的能力，使钻头与井壁之间的摩擦增加。需要经过复杂的操作才能将卡住钻头从从井内取出，在极端情况下甚至无法将钻头以及与钻头相连接的旋转导向装置取出，卡钻会降低钻井的效率，增加钻井的成本。但井壁岩层的掉落与井塌在现有的技术条件下是不能避免的，且现有的PDC钻头不足以应对卡钻的情况。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本实用新型旨在于提供一种在钻头体上设置有由钻头体里流道中的液体驱动、且头端位于钻头体的刀翼与刀翼之间的排屑槽的旋转破岩装置的新型防卡PDC钻头。
本实用新型的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，包括设置有刀头的钻头本体，刀头上设置有若干条钻头刀翼，钻头刀翼之间构成刀头侧边的外流道，其特征在于：所述刀头和钻头本体内设置有连通的、供流体通过的内流道，流体自钻头本体末端流入所述内流道并经过钻头本体和刀头内后自刀头前端的出口流出；所述刀头的外流道中，设置有旋转破岩装置，所述旋转破岩装置包括底部用于设置在所述刀头的内流道中的叶轮，以及贯穿刀头侧边设置且尾部插接在所述叶轮中、头部露出在外流道的转动件，流体流过所述刀头的内流道时通过叶轮带动所述转动件转动。
优选地，所述钻头本体内的内流道内径大于所述刀头内内流道的内径，即钻头本体内的内流道的流体在进入所述刀头内内流道时因为流量差异产生一定的压差，从而使进入刀头内内流道时具有较大的冲击力，更便于驱动所述旋转破岩装置，且所述钻头本体内的内流道位于钻头本体中轴线上，所述刀头内的内流道则自与钻头本体连接端起顺着刀头侧边的外流道方向布置，这样可以在钻头本体和刀头连接位置处的内流道形成一个有效的缓冲区域，避免压力过大，而刀头内的内流道贴近刀头侧边的外流道表面，更便于安装布置所述旋转破岩装置。
所述刀头内的内流道出口位于刀头顶部、靠近刀头侧边外流道的边缘，即流体的流出方向贴近外流道，便于排出。
所述转动件伸出外流道的长度小于等于所述钻头刀翼的保径的厚度。
所述旋转破岩装置还包括保护板和固定块，所述刀头侧边的外流道开设有用于安装所述旋转破岩装置安装孔，所述固定块安装在所述安装孔中将所述转动件的中部和其底部的叶轮限制在安装孔内，所述保护板上开又供所述转动件头部穿过的开孔，保护板安装在所述固定块上，且保护板上表面与所述刀头侧边的外流道表明平齐。
所述叶轮为中部设置有转动件固定插接口的圆柱形侧叶片微型叶轮，侧叶片与刀头内的内流道流体流动方向垂直，垂直方向可以最大限度的转换流体力为旋转驱动力。
所述转动件包括头部的锥形破碎体、中间的圆柱形轴体和底部形状与所述叶轮转动件固定插接口形状对应的插接座。
所述转动件固定插接口为十字型开口，且十字型开口的每个边均为远端尺寸大于近端尺寸的楔形，对应的，所述插接座也为远端尺寸大于近端尺寸的楔形十字座，即转动件固定插接口与插接座构成可拆分安装的十字花键结构，有足够的力矩传递旋转力，也便于插接安装。
进一步的，所述转动件纵截面上，所述插接座与圆柱形轴体之间构成一个倒T字型，倒梯形便于将转动件限制在内流道内。
所述固定块包括左、右两个半圆柱型块体，且两个半圆柱型块体中部位置对应的开始有尺寸对应所述转动件中间圆柱形轴体的开槽，且所述固定块的左、右两个半圆柱型块体合并之后构成的圆柱型外径尺寸大于所述刀头侧边的外流道的安装孔内径，即所述固定块与所述安装孔之间过盈配合安装。
又或者还可以选择将保护板和固定块都焊接在安装孔处。
与现有技术方案相比，本实用新型技术方案的有益效果如下：
本实用新型技术方案利用流体经由钻头体内部的微小流道，冲击叶轮使叶轮旋转，叶轮内部具有花键，叶轮通过花键联接的方式将叶轮上的动力传递到转动件上，使转动件旋转，这是现有技术所没有提出过的方案，现有技术中不论是以结构上设置破碎单元还是设计有内流道喷射流体，均没有涉及这种利用流体带动主动动作的转动件进行卡阻破碎的技术方案。
转动件上端的螺旋结构会钻进卡在流道中的岩石，在钻头钻进过程中由于流体的冲击和钻头的振动岩石在外流道中的位置并不固定，所以转动件上的破碎单元对岩块是非单点破碎，而是涡动破碎岩石，且由于螺旋结构整体呈现锥形，在钻进的过程中会对岩块产生向两侧的锲力，从而使岩石破碎。
附图说明
本实用新型的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为本发明的一种优选方案的安装结构示意图；
图2为本发明的一种优选方案的立体结构示意图；
图3为本发明的旋转破岩装置一种优选方案的结构示意图；
附图中：
1、刀头；2、钻头本体；3、钻头刀翼；4、外流道；5、内流道；6、出口；7、旋转破岩装置；7.1、叶轮；7.2、保护板；7.3、固定块；7.4、锥形破碎体；7.5、圆柱形轴体；7.6、插接座。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本实用新型目的技术方案，需要说明的是，本实用新型要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
作为本实用新型系统一种最基本的实施方案，如图1和2，公开了一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，包括设置有刀头1的钻头本体2，刀头1上设置有若干条钻头刀翼3，钻头刀翼3之间构成刀头1侧边的外流道4，所述刀头1和钻头本体2内设置有连通的、供流体通过的内流道5，流体自钻头本体2末端流入所述内流道5并经过钻头本体2和刀头1内后自刀头1前端的出口6流出；
如图3，所述刀头1的外流道4中，设置有旋转破岩装置7，所述旋转破岩装置7包括底部用于设置在所述刀头1的内流道5中的叶轮7.1，以及贯穿刀头1侧边设置且尾部插接在所述叶轮7.1中、头部露出在外流道4的转动件，流体流过所述刀头1的内流道5时通过叶轮7.1带动所述转动件转动。
本技术方案利用流体经由钻头体内部的微小流道，冲击叶轮7.1使叶轮7.1旋转，叶轮7.1通过联接的方式将叶轮7.1上的动力传递到转动件上，使转动件旋转，这是现有技术所没有提出过的方案，现有技术中不论是以结构上设置破碎单元还是设计有内流道5喷射流体，均没有涉及这种利用流体带动主动动作的转动件进行卡阻破碎的技术方案。
实施例2
作为本实用新型系统一种优选地实施方案，在上述实施例1的技术方案基础上，优选地，如图1，所述钻头本体2内的内流道5内径大于所述刀头1内内流道5的内径，即钻头本体2内的内流道5的流体在进入所述刀头1内内流道5时因为流量差异产生一定的压差，从而使进入刀头1内内流道5时具有较大的冲击力，更便于驱动所述旋转破岩装置7，且所述钻头本体2内的内流道5位于钻头本体2中轴线上，所述刀头1内的内流道5则自与钻头本体2连接端起顺着刀头1侧边的外流道4方向布置，这样可以在钻头本体2和刀头1连接位置处的内流道5形成一个有效的缓冲区域，避免压力过大，而刀头1内的内流道5贴近刀头1侧边的外流道4表面，更便于安装布置所述旋转破岩装置7。
进一步的，所述刀头1内的内流道5出口6位于刀头1顶部、靠近刀头1侧边外流道4的边缘，即流体的流出方向贴近外流道4，便于排出。所述转动件伸出外流道4的长度小于等于所述钻头刀翼3的保径的厚度。
优选地，所述旋转破岩装置7还包括保护板7.2和固定块7.3，所述刀头1侧边的外流道4开设有用于安装所述旋转破岩装置7安装孔，所述固定块7.3安装在所述安装孔中将所述转动件的中部和其底部的叶轮7.1限制在安装孔内，所述保护板7.2上开又供所述转动件头部穿过的开孔，保护板7.2安装在所述固定块7.3上，且保护板7.2上表面与所述刀头1侧边的外流道4表明平齐。
优选地，所述叶轮7.1为中部设置有转动件固定插接口的圆柱形侧叶片微型叶轮7.1，侧叶片与刀头1内的内流道5流体流动方向垂直，垂直方向可以最大限度的转换流体力为旋转驱动力。
对应的，所述转动件包括头部的锥形破碎体7.4、中间的圆柱形轴体7.5和底部形状与所述叶轮7.1转动件固定插接口形状对应的插接座7.6。所述转动件固定插接口为十字型开口，且十字型开口的每个边均为远端尺寸大于近端尺寸的楔形，对应的，所述插接座7.6也为远端尺寸大于近端尺寸的楔形十字座，即转动件固定插接口与插接座7.6构成可拆分安装的十字花键结构，有足够的力矩传递旋转力，也便于插接安装。
进一步的，所述转动件纵截面上，所述插接座7.6与圆柱形轴体7.5之间构成一个倒T字型，倒T字型便于将转动件限制在内流道5内。
优选地，所述固定块7.3包括左、右两个半圆柱型块体，且两个半圆柱型块体中部位置对应的开始有尺寸对应所述转动件中间圆柱形轴体7.5的开槽，且所述固定块7.3的左、右两个半圆柱型块体合并之后构成的圆柱型外径尺寸大于所述刀头1侧边的外流道4的安装孔内径，即所述固定块7.3与所述安装孔之间过盈配合安装。
又或者还可以选择将保护板7.2和固定块7.3都焊接在安装孔处。
所述转动件上用于破碎岩石的部分也同样需要采用高强度的合金，以抵抗岩石的冲击和流体的冲蚀。
Claims (10)
1.一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，包括设置有刀头（1）的钻头本体（2），刀头（1）上设置有若干条钻头刀翼（3），钻头刀翼（3）之间构成刀头（1）侧边的外流道（4），其特征在于：所述刀头（1）和钻头本体（2）内设置有连通的、供流体通过的内流道（5），流体自钻头本体（2）末端流入所述内流道（5）并经过钻头本体（2）和刀头（1）内后自刀头（1）前端的出口（6）流出；所述刀头（1）的外流道（4）中，设置有旋转破岩装置（7），所述旋转破岩装置（7）包括底部用于设置在所述刀头（1）的内流道（5）中的叶轮（7.1），以及贯穿刀头（1）侧边设置且尾部插接在所述叶轮（7.1）中、头部露出在外流道（4）的转动件，流体流过所述刀头（1）的内流道（5）时通过叶轮（7.1）带动所述转动件转动。
2.如权利要求1所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述钻头本体（2）内的内流道（5）内径大于所述刀头（1）内内流道（5）的内径，且所述钻头本体（2）内的内流道（5）位于钻头本体（2）中轴线上，所述刀头（1）内的内流道（5）则自与钻头本体（2）连接端起顺着刀头（1）侧边的外流道（4）方向布置。
3.如权利要求1或2所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述刀头（1）内的内流道（5）出口（6）位于刀头（1）顶部、靠近刀头（1）侧边外流道（4）的边缘。
4.如权利要求1所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述转动件伸出外流道（4）的长度小于等于所述钻头刀翼（3）的保径的厚度。
5.如权利要求1所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述旋转破岩装置（7）还包括保护板（7.2）和固定块（7.3），所述刀头（1）侧边的外流道（4）开设有用于安装所述旋转破岩装置（7）安装孔，所述固定块（7.3）安装在所述安装孔中将所述转动件的中部和其底部的叶轮（7.1）限制在安装孔内，所述保护板（7.2）上开又供所述转动件头部穿过的开孔，保护板（7.2）安装在所述固定块（7.3）上，且保护板（7.2）上表面与所述刀头（1）侧边的外流道（4）表明平齐。
6.如权利要求1或5所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述叶轮（7.1）为中部设置有转动件固定插接口的圆柱形侧叶片微型叶轮（7.1），侧叶片与刀头（1）内的内流道（5）流体流动方向垂直。
7.如权利要求6所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述转动件包括头部的锥形破碎体（7.4）、中间的圆柱形轴体（7.5）和底部形状与所述叶轮（7.1）转动件固定插接口形状对应的插接座（7.6）。
8.如权利要求7所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述转动件固定插接口为十字型开口，且十字型开口的每个边均为远端尺寸大于近端尺寸的楔形，对应的，所述插接座（7.6）也为远端尺寸大于近端尺寸的楔形十字座。
9.如权利要求7所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述转动件纵截面上，所述插接座（7.6）与圆柱形轴体（7.5）之间构成一个倒T字型。
10.如权利要求5所述的一种具有主动防卡功能的新型PDC钻头，其特征在于：所述固定块（7.3）包括左、右两个半圆柱型块体，且两个半圆柱型块体中部位置对应的开始有尺寸对应所述转动件中间圆柱形轴体（7.5）的开槽，且所述固定块（7.3）的左、右两个半圆柱型块体合并之后构成的圆柱型外径尺寸大于所述刀头（1）侧边的外流道（4）的安装孔内径，即所述固定块（7.3）与所述安装孔之间过盈配合安装。
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Cited By (1)
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| CN113107373A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-13 | 西南石油大学 | 一种提升携岩能力的流线型pdc钻头及其设计方法 |
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| CN113107373A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-07-13 | 西南石油大学 | 一种提升携岩能力的流线型pdc钻头及其设计方法 |
| CN113107373B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-04-08 | 西南石油大学 | 一种提升携岩能力的流线型pdc钻头及其设计方法 |
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