CN110617012B - 具有旋转振荡冲击功能的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，包括钻头静部、钻头、钻头动部和旋转体；钻头动部与钻头静部卡接并可周向旋转。旋转体上开设径向通孔，旋转体的旋转可周期性开、闭洗井液通道。快速旋转关闭洗井液通道，能够在钻杆管路中产生水击，利用水击而产生震荡力，推动周向变深槽的深槽底位置沿着周向运动，而钻进过程中的破岩切削反作用力又会使得钻头回转。如此在水击冲击力和破岩切削反作用力作用下，从而在轴向进给的同时，产生周向振荡而提高破岩效率。有益效果是：利用钻井液，可控水击产生周向振动，提高切向破岩的效率；增加了新钻头功能的多样性；有效利用动静钻头的内部空间；符合破岩过程中的切向破岩需求，提高破岩效率。

Description

具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种地质用牙轮钻头，具体说是具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头。

背景技术

牙轮钻头是使用最广泛的一种钻井钻头。当进入硬地层的时候，其岩石会对齿的反作用力增大，导致钻头出现崩齿现象，降低钻头破岩效率，使用寿命也会因此而降低。

目前，结合现有钻头设计技术方案与钻井工程实际情况，当钻头在硬地层或者研磨性较强的地层时，由于岩石的硬度大，钻头的破岩效率低。为了解决上述问题，通常在钻具组合中加入提速工具，辅助钻头破岩，但是现有的各类提速工具结构都较为复杂，且适用性不一定能够满足生产需求，并且由于加入提速工具，增加钻具组合长度，提速工具的工作参数对测井仪器的工作性能也会产生影响。

201420707866.1为提高井下动力马达的破岩效率，充分发挥轴向冲击在破岩方面的技术优势，同时增加振荡减阻作用，保护钻头，降低钻井综合成本，提出一种水力脉动振荡马达。

201910329215.0的射流振荡实现冲击破岩的PDC钻头，增加射流振荡短节结构，可以使钻头自身具备射流振荡功能，在实现钻头破岩功能的基础上使钻头在破岩过程中可以产生脉冲振荡，提高钻头破岩效率。

水击是在有压管道中，液体流速发生急剧变化所引起的压强大幅度波动的现象。管道系统中闸门急剧启闭，输水管水泵突然停机，水轮机启闭导水叶，室内卫生用具关闭水龙头，都会产生水击。200420038847.0专利即利用水击原理产生轴向运动来提高钻井效率。

PDC钻头的主要破岩方式为切向破岩，可以可控地利用水击产生的强大震荡力，设计一种产生周向振动破岩冲击力，来提高钻井效率的设备。

发明内容

为应对现有技术中存在不足与对现有技术进行优化，本发明提出具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头。

具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，包括钻头静部(1)和钻头(16)。

还包括钻头动部(9)和旋转体(17)；钻头动部(9)与钻头静部(1)之间在旋转卡扣(8)处活动卡接，钻头动部(9)相对钻头静部(1)可周向旋转一定角度。该类型的卡接为相互咬合，使得钻头动部(9)与钻头静部(1)能够相对周向运动一定角度，又不至于脱节。

钻头动部(9)与钻头(16)固定一体。

旋转体(17)上开设径向通孔(18)，旋转体(17)的旋转可周期性开、闭钻头动部(9)中的洗井液通道。开启洗井液通道，则泄压而压力降低，快速旋转关闭洗井液通道，能够在整个钻杆输送洗井液的管路中产生压力陡升的现象，即水击，利用水击压力的突然提升而产生震荡力。

钻头动部(9)中设置周向变深槽(10)，钻头静部(1)的静态流道(7)与浅槽底(12)位置相连通；使得静态流道(7)与周向变深槽(10)连通为贯通的盲孔。周向变深槽(10)也可为深度恒定的槽。

上面所述的震荡力，会推动周向变深槽(10)的深槽底(11)位置沿着周向运动，而钻进过程中的破岩切削反作用力又会使得钻头(16)逆时针回转。如此在水击冲击力和破岩切削反作用力作用下，从而在轴向进给的同时，产生周向振荡而提高破岩效率。

本发明的有益效果是：1、利用钻进过程中本有的钻井液为动力来源，利用水击原理产生周向振动，提高切向破岩的效率；2、在钻头本体中进行改造，不改变PDC钻头本身的设计，增加了新钻头功能的多样性；3、充分利用动静钻头部位的内部空间进行设计，有效利用空间；4、符合破岩过程中的切向破岩需求，有效提高破岩效率。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

各附图名称为:

图1：本发明的主视图。

图2：本发明的AA截面图。

图3：本发明的BB截面图。

图4：本发明的CC截面图。

图5：本发明的DD截面图。

图6：本发明的EE截面图。

图7：本发明的EE截面图局部1。

图8：本发明的EE截面图局部2。

图9：本发明的FF截面图。

图10：本发明的周向变深槽部位示意图。

图11：本发明的旋转体立体图。

其中：

1-钻头静部，2-钻杆连接部，3-主流道，4-水击激振腔，5-叶轮驱动孔，6-冲击孔，7-静态流道，8-旋转卡扣，9-钻头动部，10-周向变深槽，11-深槽底，12-浅槽底，13-泄流孔，14-泄流分流腔，15-分流洗井孔，16-钻头，17-旋转体，18-径向通孔，19-周向叶轮，20-旋转体支撑槽，21-驱动出水孔，22-卡接间隙。

具体实施方式

下面结合具体附图来说明本发明的典型实施方式。

如图1-11所示：

作为优选的实施方式二：所述的旋转体(17)的旋转动作，由驱动装置驱动。所述的驱动装置为外力驱动，可以如下文所述的电机，或者是液力驱动的泵等。

作为优选的实施方式三：所述的驱动装置为内置于钻头动部(9)内的电机，电机与流动于钻头动部(9)内部的液体相密封隔离。

作为优选的实施方式四：旋转体(17)上沿着其周向设置周向叶轮(19)。周向叶轮(19)的具体结构形式见图11。

钻头动部(9)上、平行于冲击孔(6)设置叶轮驱动孔(5)，叶轮驱动孔(5)正对周向叶轮(19)的边沿部位。当洗井液水流从叶轮驱动孔(5)中流出并流向周向叶轮(19)切向边沿时，水流的驱动力使得旋转体(17)旋转。从而使得径向通孔(18)与泄流孔(13)周期性地重合或断开。重合时，大流量的水流能够从径向通孔(18)流过；断开时，只有小流量的水流从叶轮驱动孔(5)中流过而仅能驱动旋转体(17)旋转。

通过设计叶轮驱动孔(5)和控制泄流孔(13)的直径比例，来调节旋转体(17)旋转速度与泄流孔(13)封堵产生的水击之间的关系。叶轮驱动孔(5)越大，则旋转体(17)旋转速度越大，泄流孔(13)封闭越快，则产生的水击现象越明显，则震荡力越明显，但同时会使得泄流孔(13)流量过小而降低水击的震荡力力度。

叶轮驱动孔(5)和控制泄流孔(13)的通量之比一般不超过1/4。

还设置驱动出水孔(21)，与叶轮驱动孔(5)分置周向叶轮(19)两侧并相正对。从叶轮驱动孔(5)流入周向叶轮(19)，最后流出的水流经由驱动出水孔(21)与泄流孔(13)合流于泄流分流腔(14)，最后排出，作为洗井液。钻头动部(9)与钻头(16)固定，其中的洗井液通道相通，洗井液通过钻头(16)排向切削区。

作为优选的实施方式五：周向变深槽(10)沿顺时针方向延伸，由浅入深；在钻头静部(1)和钻头动部(9)的轴向接触面处形成密封区域，即：周向变深槽(10)仅在静态流道(7)的下开口部位与静态流道(7)相通，其余部位与他处不相通。

顺时针的布局是为了匹配钻头一般情况下的旋转方向。当钻头顺时针破岩是，水击产生的震荡力，也顺时针驱动钻头动部(9)和钻头(16)旋转一定角度，从而在钻头(16)原有顺时针旋转的基础上，叠加震荡力，提升破岩效果。

作为优选的实施方式六：所述的沿顺时针方向延伸，其延伸的角度跨度范围为45°-80°。

作为优选的实施方式七：所述的周向变深槽(10)为关于钻头动部(9)中心线对称的两个；同时，静态流道(7)也为对应的两个。对称的设计方式，能够使得激振力是沿轴线平衡分布，以使得钻头(16)的顺时针激振力为平衡的。

作为优选的实施方式八：所述的钻头动部(9)与钻头静部(1)之间在旋转卡扣(8)处活动卡接，两者之间相对旋转的角度限定在0-5°范围。旋转的角度不易过大，控制活动卡接处的圆周边沿部位的相对位移两在2mm以内为佳。控制在毫米级范围，是为了使得在尺寸量级上与破岩的滑移距离相匹配。位移的控制主要依靠活动卡接处的卡接间隙(22)值来保证。

当然即使预留的活动卡接部位间隙较大，也并不能使得钻头动部(9)相对钻头静部(1)有较大的位移，因为在钻头正常破岩的过程中岩石的反作用力存在。

作为优选的实施方式九：在钻头动部(9)的旋转体支撑槽(20)中，设置滚动轴承，支撑旋转体(17)的旋转，减小摩擦力。

作为优选的实施方式十：所述的旋转体支撑槽(20)内部与旋转体(17)之间为间隙配合，最大间隙不大于0.5mm。

另外，本发明的实施方式是表示本发明的内容的一例，可以进一步与其它的公知技术组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内省略一部分等进行变更来构成。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，包括钻头静部（1）和钻头（16），其特征在于还包括钻头动部（9）和旋转体（17）；

钻头动部（9）与钻头静部（1）之间在旋转卡扣（8）处活动卡接，钻头动部（9）相对钻头静部（1）可周向旋转一定角度；

旋转体（17）上开设径向通孔（18），旋转体（17）的旋转可周期性开、闭钻头动部（9）中的洗井液通道；

钻头动部（9）中设置周向变深槽（10），钻头静部（1）的静态流道（7）与浅槽底（12）位置相连通；使得静态流道（7）与周向变深槽（10）连通为贯通的盲孔。

2.如权利要求1所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于：所述的旋转体（17）的旋转动作，由驱动装置驱动。

3.如权利要求2所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于所述的驱动装置为内置于钻头动部（9）内的电机，电机与流动于钻头动部（9）内部的液体相密封隔离。

4.如权利要求1所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于：旋转体（17）上沿着其周向设置周向叶轮（19）；钻头动部（9）上、平行于冲击孔（6）设置叶轮驱动孔（5），叶轮驱动孔（5）正对周向叶轮（19）的边沿部位；还设置驱动出水孔（21），与叶轮驱动孔（5）分置周向叶轮（19）两侧并相正对；驱动出水孔（21）与泄流孔（13）合流于泄流分流腔（14）。

5.如权利要求1或4所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于周向变深槽（10）沿顺时针方向延伸，由浅入深；在钻头静部（1）和钻头动部（9）的轴向接触面处形成密封区域，即：周向变深槽（10）仅在静态流道（7）的下开口部位与静态流道（7）相通，其余部位与他处不相通。

6.如权利要求5所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于所述的沿顺时针方向延伸，其延伸的角度跨度范围为45°-80°。

7.如权利要求5所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于所述的周向变深槽（10）为关于钻头动部（9）中心线对称的两个；同时，静态流道（7）也为对应的两个。

8.如权利要求7所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于所述的钻头动部（9）与钻头静部（1）之间在旋转卡扣（8）处活动卡接，两者之间相对旋转的角度限定在0-5°范围。

9.如权利要求8所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于在钻头动部（9）的旋转体支撑槽（20）中，设置滚动轴承，支撑旋转体（17）的旋转。

10.如权利要求9所述的具有旋转振荡冲击功能的PDC钻头，其特征在于在所述的旋转体支撑槽（20）内部与旋转体（17）之间为间隙配合，最大间隙不大于0.5mm。

Images