防卡滑pdc鉆頭的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種防卡滑PDC鉆頭，應(yīng)用于鉆井領(lǐng)域。主要由鉆鋌接頭、異型鉆頭、封蓋、沖擊錘、換向器組成，與常規(guī)鉆頭一樣安裝在鉆柱下面。本發(fā)明將流體驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器與PDC鉆頭一體化設(shè)計(jì)，二者之間無(wú)中間環(huán)節(jié)，是一種有扭轉(zhuǎn)沖擊破巖能量的PDC鉆頭。利用鉆井液驅(qū)動(dòng)沖擊錘對(duì)鉆頭產(chǎn)生一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊，在PDC鉆頭剪切破巖的基礎(chǔ)上增加了扭轉(zhuǎn)沖擊破巖的方式，克服PDC鉆頭卡滑現(xiàn)象的同時(shí)，減少鉆柱扭轉(zhuǎn)震蕩，獲得更高的機(jī)械鉆速；能夠大幅降低鉆井成本，適合PDC鉆進(jìn)但機(jī)械鉆速低的難鉆地層，且本發(fā)明的防卡滑PDC鉆頭長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞效率高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】防卡滑PDC鉆頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鉆井領(lǐng)域的鉆頭，尤其是一種防卡滑PDC鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]PDC鉆頭破碎巖石的方式主要是剪切作用，當(dāng)鉆遇難鉆地層時(shí)，PDC鉆頭齒吃入地層多而且扭矩不足時(shí)，鉆頭會(huì)隨時(shí)停轉(zhuǎn)，直至積聚足夠的扭矩來(lái)剪切巖層。由于扭矩能量貯存在扭曲的鉆柱中，一旦釋放，鉆柱會(huì)象松開(kāi)的發(fā)條一樣產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)震蕩，這種現(xiàn)象就稱(chēng)之為“卡滑”或者憋鉆。PDC鉆頭普遍存在的卡滑問(wèn)題正是難鉆地層機(jī)械鉆速低、鉆井效率低的主要原因之一。
[0003]目前鉆井作業(yè)中使用的旋沖工具能夠產(chǎn)生軸向沖擊力，可與牙輪鉆頭配合使用(與牙輪鉆頭破巖原理相符);不適合PDC鉆頭的剪切破巖原理，容易使鉆頭齒損壞。美國(guó)專(zhuān)利扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器(專(zhuān)利號(hào):US 7096980 B2)、西南石油大學(xué)的專(zhuān)利扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?200910058083.9)和勝利石油管理局鉆井工藝研究院申請(qǐng)的專(zhuān)利扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201010511421.2)，都可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊力，有利于消除或改善PDC鉆頭的卡滑現(xiàn)象。但三個(gè)專(zhuān)利采用的技術(shù)不同，美國(guó)的扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器采用鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪，渦輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)沖擊錘，產(chǎn)生連續(xù)扭轉(zhuǎn)沖擊，西南石油大學(xué)的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具采用鉆井液驅(qū)動(dòng)螺桿，螺桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)沖擊錘，產(chǎn)生連續(xù)扭轉(zhuǎn)沖擊，勝利石油管理局鉆井工藝研究院的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具采用鉆井液直接驅(qū)動(dòng)沖擊錘產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)沖擊。雖然鉆井液直接驅(qū)動(dòng)沖擊錘相對(duì)于渦輪和螺桿驅(qū)動(dòng)效率有所提高，但這三個(gè)專(zhuān)利都存在一個(gè)共同特點(diǎn)，扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生工具與PDC鉆頭螺紋連接，即沖擊錘與鉆頭之間存在中間環(huán)節(jié)，沖擊扭矩在傳遞過(guò)程中損失大,尺寸長(zhǎng)，效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，最大限度地解決PDC鉆頭的卡滑問(wèn)題，提出一種防卡滑PDC鉆頭。
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于解決PDC鉆頭的卡滑問(wèn)題。為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公布了在旋轉(zhuǎn)鉆井體系工況下的一種防卡滑PDC鉆頭。本發(fā)明內(nèi)部封裝可周向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的沖擊錘。鉆井時(shí),本發(fā)明利用部分鉆井液流體能量驅(qū)動(dòng)內(nèi)部沖擊錘產(chǎn)生一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊，鉆頭在接收旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)盤(pán)、頂驅(qū)和井下動(dòng)力鉆具等)的同時(shí)，承受扭轉(zhuǎn)沖擊能量，增加了鉆頭的破巖能力，同時(shí)消除PDC卡滑現(xiàn)象，并且本發(fā)明中將扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器與鉆頭一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)部沖擊錘直接作用在鉆頭上，無(wú)中間環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
一種防卡滑PDC鉆頭，主要由異型鉆頭、封蓋、沖擊錘、換向器組成，封蓋、沖擊錘、換向器在異型鉆頭內(nèi)。異型鉆頭呈中空的圓柱形，下端有一體設(shè)計(jì)的PDC鉆頭。所述異型鉆頭的中空腔通過(guò)下部?jī)?nèi)凸沿分設(shè)上型腔和下型腔，上型腔內(nèi)壁軸向預(yù)制有低壓腔槽、高壓腔槽和轉(zhuǎn)換腔槽，低壓腔槽下端聯(lián)通下型腔；沖擊錘套在異型鉆頭上形腔內(nèi)，沖擊錘管壁向外突出有外錘和向內(nèi)突出有內(nèi)錘，其外錘與異型鉆頭的轉(zhuǎn)換腔槽限位轉(zhuǎn)動(dòng)配合，沿外錘的兩個(gè)外凸沿分別徑向預(yù)制有外流道，沿內(nèi)錘的內(nèi)凸沿分別預(yù)制有內(nèi)流道，內(nèi)外流道將沖擊錘內(nèi)外貫通；換向器套在沖擊錘內(nèi)，換向器外壁軸向設(shè)置有兩條平行隔離條和一條寬幅隔離條，寬幅隔離條內(nèi)設(shè)貫通換向器內(nèi)外的通道，兩條平行隔離條與內(nèi)錘內(nèi)凸沿形成限位轉(zhuǎn)動(dòng)配合，寬幅隔離條與兩側(cè)的平行隔離條之間的凹槽形成泄流區(qū)；封蓋位于沖擊錘和換向器的上端面，封蓋呈圓板狀，設(shè)有封蓋中心孔和封蓋通孔，封蓋通孔與異型鉆頭內(nèi)壁的高壓腔槽貫通。
[0006]上述方案還包括:所述沖擊錘、換向器與異型鉆頭下部?jī)?nèi)凸沿的結(jié)合部還設(shè)有底板，底板上開(kāi)設(shè)有中心孔和底板通孔；所述中心孔連通上型腔和下型腔，底板通孔連通下型腔和泄流區(qū)。
所述換向器內(nèi)腔或底板的中心孔還設(shè)有噴嘴。
[0007]所述PDC鉆頭由本體、圓周分布的刀翼、鉆頭噴嘴和鉆頭齒組成。
[0008]所述刀翼數(shù)量大于等于3個(gè)，所述鉆頭噴嘴數(shù)量大于等于3個(gè)。
[0009]異型鉆頭的轉(zhuǎn)換腔槽為半圓形，與之配合的外錘凸沿長(zhǎng)度為四分之一園，內(nèi)錘與外錘軸心對(duì)稱(chēng)，內(nèi)錘的內(nèi)凸沿長(zhǎng)度為八分之一園，設(shè)置在異型鉆頭的低壓腔槽與轉(zhuǎn)換腔槽對(duì)稱(chēng)分布，高壓腔槽對(duì)稱(chēng)分布在低壓腔槽的兩側(cè)。
[0010]本發(fā)明的防卡滑PDC鉆頭與常規(guī)鉆頭一樣安裝在鉆柱下面。異型鉆頭上端有接口螺紋，與內(nèi)有泥漿流道的鉆鋌接頭聯(lián)接。異型鉆頭與下端的PDC鉆頭為一體加工成型，也可以通過(guò)焊接成型。流經(jīng)防卡滑PDC鉆頭的鉆井液通過(guò)換向器、高壓腔和低壓腔后推動(dòng)沖擊錘在四種極限位置之間旋轉(zhuǎn)并在達(dá)到極 限位置后沖擊換向，而且所有鉆井液最后通過(guò)鉆頭噴嘴。沖擊能量通過(guò)異型鉆頭的本體最終由鉆頭齒傳遞給巖石，在鉆頭旋轉(zhuǎn)刮削地層的同時(shí)，通過(guò)反復(fù)高頻率的敲擊巖石，消除或者減少PDC鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)卡滑現(xiàn)象。除改變換向器和沖擊錘的結(jié)構(gòu)尺寸外，沖擊頻率通過(guò)改變鉆井液的壓力和排量來(lái)調(diào)整，產(chǎn)生的沖擊力受外錘的形狀和質(zhì)量影響。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的防卡滑PDC鉆頭利用鉆井液驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生一定頻率沖擊扭矩，在剪切破巖的基礎(chǔ)上增加了扭轉(zhuǎn)沖擊破巖的方式，提高了破巖能量傳遞效率，在增強(qiáng)鉆頭破巖能力的同時(shí)，消除PDC鉆頭的卡滑現(xiàn)象，能夠提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本。而且相比勝利石油管理局鉆井工藝研究院的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具(專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?201010511421.2)，本發(fā)明的防卡滑PDC鉆頭機(jī)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，將扭轉(zhuǎn)沖擊發(fā)生器與鉆頭一體化設(shè)計(jì)，減少中間環(huán)節(jié)，長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖?為防卡滑roc鉆頭剖面示意圖；
圖2a為圖1中的A-A沖擊錘工作第一個(gè)極限位置截面圖；
圖2b為圖1中的A-A沖擊錘工作第二個(gè)極限位置截面圖；
圖2c為圖1中的A-A沖擊錘工作第三個(gè)極限位置截面圖；
圖2d為圖1中的A-A沖擊錘工作第四個(gè)極限位置截面圖；
圖3為本發(fā)明的PDC鉆頭仰視圖；
圖4為本發(fā)明的換向器的立體等軸測(cè)視圖。[0013]圖中標(biāo)記:1_鉆鋌接頭；2_異型鉆頭；3_封蓋；4_沖擊錘；5_換向器；6_底板；7-噴嘴；101-泥漿流道；201-上型腔；201a-低壓腔(槽);201b-高壓腔(槽);201c-轉(zhuǎn)換腔(槽);202_下型腔；203_上部螺紋；204-PDC鉆頭；204a_本體；204b_刀翼；204c_鉆頭噴嘴；204d-鉆頭齒；301~封蓋中心孔；302~封蓋通孔；401~外銀；402~內(nèi)銀；403、404 -外銀的外流道；405、406-內(nèi)錘的內(nèi)流道；501_通道；502_小轉(zhuǎn)換腔；503_泄流區(qū)；504_平行隔離條；505_寬幅隔尚條；601_底板通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]參照附圖1，防卡滑PDC鉆頭主要由異型鉆頭2、封蓋3、沖擊錘4、換向器5、底板
6、噴嘴7組成，異型鉆頭2呈圓柱形，異型鉆頭2與下端的PDC鉆頭204為一體加工成型。異型鉆頭2通過(guò)上部螺紋203與內(nèi)有泥漿流道101的鉆鋌接頭1聯(lián)接。
[0016]參照附圖1、2a、2b、2c和2d，異型鉆頭2內(nèi)有上型腔201和下型腔202，上型腔201由封蓋3、沖擊錘4、換向器5等分隔成低壓腔201a、高壓腔201b和轉(zhuǎn)換腔201c，低壓腔201a下端聯(lián)通下型腔202，高壓腔201b聯(lián)通泥漿流道101，低壓腔201a和高壓腔201b為異型鉆頭2內(nèi)壁上的開(kāi)槽。封蓋3在沖擊錘4和換向器5在上方，封蓋3呈圓板狀，設(shè)有封蓋中心孔301和封蓋通孔302，封蓋通孔302連通泥漿流道101和高壓腔201b。沖擊錘4和換向器5呈中空筒形，且沖擊錘4套裝在換向器5外面，沖擊錘4和換向器5可轉(zhuǎn)動(dòng)。沖擊錘4設(shè)有外錘401和內(nèi)錘402，外錘401兩側(cè)徑向上設(shè)有外流道403、404，內(nèi)錘402兩側(cè)徑向上設(shè)有內(nèi)流道405、406。參照附圖4，換向器5徑向上開(kāi)有通道501，換向器5外壁上設(shè)有隔離條504、505,兩條隔尚條504軸向分布，隔尚條505位于通道501外緣，隔尚條504、505與封蓋3、異型鉆頭2內(nèi)部的臺(tái)階形成小轉(zhuǎn)換腔502和泄流區(qū)503。外錘401徑向外凸并封閉在轉(zhuǎn)換腔201c中，內(nèi)錘402徑向內(nèi)凸出并封閉在小轉(zhuǎn)換腔502內(nèi)。
[0017]沖擊錘4、換向器5與異型鉆頭2內(nèi)部的臺(tái)階之間設(shè)有底板6，底板6上開(kāi)設(shè)有中心孔和底板通孔601，噴嘴7安裝在底板6中心孔上。中心孔連通上型腔201和下型腔202，底板通孔601連通下型腔202和泄流區(qū)503。
[0018]參照附圖3，PDC鉆頭204由本體204a、圓周分布的刀翼204b、鉆頭噴嘴204c和鉆頭齒204d組成。刀翼204b數(shù)量為5個(gè)，鉆頭噴嘴204c數(shù)量為6個(gè)。
[0019]工作時(shí)，來(lái)自鉆柱泥漿流道101的鉆井液的流動(dòng)在防卡滑鉆頭內(nèi)為三個(gè)部分:第一部分，參照附圖1，鉆井液經(jīng)換向器5內(nèi)孔流入異型鉆頭2的下行腔202，經(jīng)鉆頭噴嘴204c噴出；第二部分，參照附圖2a，鉆井液由封蓋3上的封蓋通孔302經(jīng)高壓腔201b，由內(nèi)流道406進(jìn)小轉(zhuǎn)換腔502，推動(dòng)換向器5逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并由圖2a轉(zhuǎn)至圖2b的極限位置，同時(shí)小轉(zhuǎn)換腔502中位于內(nèi)錘402另一側(cè)的鉆井液由內(nèi)流道405進(jìn)入到低壓腔201a，經(jīng)下型腔202，匯集到鉆頭噴嘴204c ;第三部分，參照附圖2b，鉆井液由換向器5內(nèi)孔經(jīng)通道501進(jìn)入外流道403，并推動(dòng)外錘401順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，沖擊錘4在轉(zhuǎn)換腔201c中轉(zhuǎn)動(dòng)至附圖2c的極限位置，轉(zhuǎn)換腔201c內(nèi)的流體經(jīng)由404進(jìn)入泄流區(qū)503，再經(jīng)底板6上的底板通孔601進(jìn)入到下型腔202，匯集到鉆頭噴嘴204c。
[0020]在第三部分中，內(nèi)錘402同時(shí)帶動(dòng)換向器5順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至附圖2c的極限位置，此時(shí)高壓腔201b與內(nèi)流道405連通，鉆井液又可以開(kāi)始第二部分的流動(dòng)，即由封蓋3上的封蓋通孔302經(jīng)高壓腔201b，由內(nèi)流道405進(jìn)小轉(zhuǎn)換腔502，推動(dòng)換向器5順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至附圖2d所示的極限位置，參照附圖2d，此時(shí)鉆井液由換向器5內(nèi)孔經(jīng)通道501進(jìn)入外流道404，并推動(dòng)外錘401逆時(shí)針時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)錘402同時(shí)帶動(dòng)換向器5逆時(shí)針，沖擊錘4惡和換向器5 一同恢復(fù)至附圖2a的極限位置。如此完成沖擊錘4的一個(gè)往復(fù)沖擊循環(huán)，并且只要保持鉆井液的流速和壓力，沖擊錘4將以一定頻率周而復(fù)始的沖擊異型鉆頭2，并將高頻沖擊通過(guò)本體204a傳遞給一體加工成型的PDC鉆頭齒204d。
[0021]工作時(shí)，本發(fā)明的防卡滑PDC鉆頭與常規(guī)鉆頭一樣安裝在鉆柱下面。流經(jīng)防卡滑PDC鉆頭的鉆井液推動(dòng)沖擊錘在四種極限位置之間旋轉(zhuǎn)并在達(dá)到極限位置后沖擊換向。這樣，轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)防卡滑PDC鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，鉆頭也承受內(nèi)部鉆井液驅(qū)動(dòng)沖擊錘4而產(chǎn)生的一定頻率的扭轉(zhuǎn)沖擊能量，鉆頭在旋轉(zhuǎn)刮削巖石的同時(shí)，還在反復(fù)敲擊巖石，消除或者減少PDC鉆頭在鉆進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)卡滑現(xiàn)象。
[0022]以上僅是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種方法，基于此發(fā)明原理的其它實(shí)現(xiàn)形式在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種防卡滑PDC鉆頭，主要由異型鉆頭(2)、封蓋(3)、沖擊錘(4)、換向器(5)組成，異型鉆頭(2)呈中空的圓柱形，下端是一體設(shè)計(jì)的PDC鉆頭(204)，封蓋(3)、沖擊錘(4)、換向器(5)在異型鉆頭(2)內(nèi)，其特征在于:所述異型鉆頭(2)的中空腔通過(guò)下部?jī)?nèi)凸沿分設(shè)上型腔(201)和下型腔(202)，上型腔(201)內(nèi)壁軸向預(yù)制有低壓腔槽(201a)、高壓腔槽(201b)和轉(zhuǎn)換腔槽(201c)，低壓腔槽(201a)下端聯(lián)通下型腔(202);沖擊錘(4)套在異型鉆頭(2)上形腔(201)內(nèi)，沖擊錘(4)管壁向外突出有外錘(401)和向內(nèi)突出有內(nèi)錘(402)，其外錘(401)與異型鉆頭(2)的轉(zhuǎn)換腔槽(201c)限位轉(zhuǎn)動(dòng)配合，沿外錘(401)的兩個(gè)外凸沿分別徑向預(yù)制有外流道(403和404)，沿內(nèi)錘(402)的內(nèi)凸沿分別預(yù)制有內(nèi)流道(405和406)，內(nèi)外流道將沖擊錘(4)內(nèi)外貫通；換向器(5)套在沖擊錘(4)內(nèi)，換向器(5)外壁軸向設(shè)置有兩條平行隔離條(504)和一條寬幅隔離條(505)，寬幅隔離條(505)內(nèi)設(shè)貫通換向器內(nèi)外的通道(501)，兩條平行隔離條(504)與內(nèi)錘(402)內(nèi)凸沿形成限位轉(zhuǎn)動(dòng)配合，寬幅隔離條(505)與兩側(cè)的平行隔離條(504)之間的凹槽形成泄流區(qū)(503);封蓋(3)位于沖擊錘(4)和換向器(5)的上端面，封蓋(3)呈圓板狀，設(shè)有封蓋中心孔(301)和封蓋通孔(302)，封蓋通孔(302)與異型鉆頭(2)內(nèi)壁的高壓腔槽(201b)貫通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防卡滑PDC鉆頭，其特征在于:所述沖擊錘(4)、換向器(5)與異型鉆頭(2)下部?jī)?nèi)凸沿的結(jié)合部還設(shè)有底板(6)，底板(6)上開(kāi)設(shè)有中心孔和底板通孔(601);所述中心孔連通上型腔(201)和下型腔(202 )，底板通孔(601)連通下型腔(202 )和泄流區(qū)(503)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防卡滑roc鉆頭，其特征在于:所述換向器(5)內(nèi)腔還設(shè)有噴嘴(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的防卡滑PDC鉆頭，其特征在于:所述底板(6)的中心孔上還設(shè)有噴嘴(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2、3、4所述的防卡滑PDC鉆頭，其特征在于:所述PDC鉆頭(204)由本體(204a)、圓周分布的刀翼(204b)、鉆頭噴嘴(204c)和鉆頭齒(204d)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的防卡滑PDC鉆頭，其特征在于:所述刀翼(204b)數(shù)量大于等于3個(gè)，所述鉆頭噴嘴(204c)數(shù)量大于等于3個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的防卡滑PDC鉆頭，其特征在于:異型鉆頭(2)的轉(zhuǎn)換腔槽(201c)為半圓形，與之配合的外錘(401)凸沿長(zhǎng)度為四分之一園，內(nèi)錘(402)與外錘(401)軸心對(duì)稱(chēng)，內(nèi)錘(402)的內(nèi)凸沿長(zhǎng)度為八分之一園，設(shè)置在異型鉆頭(2)的低壓腔槽(201a)與轉(zhuǎn)換腔槽(201c)對(duì)稱(chēng)分布，高壓腔槽(201b)對(duì)稱(chēng)分布在低壓腔槽(201a)的兩側(cè)。
【文檔編號(hào)】E21B10/60GK103696696SQ201210368539
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】周燕, 謝慧, 羅熙, 安慶寶, 董懷榮, 曲剛 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院