[发明专利]一种PDC钻头粘滑振动减震器

说明书

技术领域

本发明属于一种PDC钻头粘滑振动减震器，主要涉及石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探等行业领域。

背景技术

在石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的过程中，由于PDC(聚晶金刚石复合片)钻头机械钻速快、破岩效率高的特点，得到了广泛的应用。但是在使用PDC钻头钻一些难钻地层时，PDC钻头经常得不到足够大的扭矩来破碎地层，导致钻头短时间内停止旋转，与此同时钻柱在井口转盘的驱动下仍然继续旋转并开始卷绕，沿钻柱长度储存扭转能量。当破碎地层所需要的扭矩值一旦达到，钻柱上储存的扭转能量瞬间释放，驱动PDC钻头快速旋转，其结果必然使得对PDC钻头切削齿的冲击载荷要远大于正常值，引起切削齿破损，导致钻头损坏，而且下部钻柱快速旋转，相对于上部钻柱具有更高的转速，极易引发钻柱螺纹倒扣，导致下部钻柱脱扣掉井，造成钻井事故的发生，以上过程反复出现即发生所谓的PDC钻头粘滑振动现象。在钻探过程中，粘滑振动频率越高，对PDC钻头的冲击破坏越大，不仅减小PDC钻头的正常使用寿命、影响钻探速度的提高，而且增加钻探施工成本，造成安全隐患。

发明内容

为有效减弱粘滑振动对PDC钻头的破坏性冲击、延长钻头的使用寿命、提高钻探效率、减少能量损失，本发明的目的是为石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探的现场提供一种PDC钻头粘滑振动减震器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种PDC钻头粘滑振动减震器由上心轴、套筒、扭矩弹簧、下心轴、密封圈、螺旋副、轴承、限位环组成。密封圈安装在上心轴和套筒对应的卡槽内，扭矩弹簧安装在上心轴的中部，套筒与下心轴之间是螺旋副连接，轴承安装在下心轴的下部，限位环安装在轴承的下面。扭矩弹簧安装在上心轴与下心轴之间，下心轴与限位环之间安装轴承，上心轴与下心轴之间安装密封圈，套筒与下心轴之间安装密封圈。

当PDC钻头在井底未发生粘滑振动时，井口沿钻柱传递的扭矩传递到PDC钻头粘滑振动减震器的上心轴，再通过其内部安装的扭矩弹簧传递到下心轴，然后通过下心轴驱动与其连接的PDC钻头转动，实现常规工况条件下的旋转破岩操作；当PDC钻头在井底发生粘滑振动时，因破碎地层所需扭矩大于井口驱动扭矩导致PDC钻头停止转动，但钻柱在井口驱动扭矩的作用下继续旋转并将扭矩通过PDC钻头粘滑振动减震器的上心轴传递至其内部安装的扭矩弹簧上，由于驱动扭矩不能满足PDC钻头破碎地层所需扭矩，就使得扭矩弹簧相对于连接PDC钻头的下心轴发生转动，即产生打滑现象。因为PDC钻头粘滑振动减震器外部套筒能够随钻柱一起旋转，且套筒与下心轴之间为螺旋副连接，钻柱驱动PDC钻头粘滑振动减震器外部套筒旋转时，通过螺旋副将下心轴提升一定高度，由于下心轴直接与PDC钻头连接，因此PDC钻头也随之一同上升，同时下心轴压缩扭矩弹簧。PDC钻头脱离井底后，破碎地层所需扭矩迅速减小，被压缩的扭矩弹簧恢复并推动下心轴下行使PDC钻头重新接触井底，同时将钻柱传递的驱动扭矩通过下心轴再次传到钻头上，进行破碎地层钻进。

随着粘滑振动的不断发生，以上过程不断重复，从而减弱了粘滑振动对PDC钻头的冲击，达到稳定井口驱动扭矩、减小能量损失、提高钻井效率的目的。

同时，PDC钻头粘滑振动减震器还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。

附图说明

图1是依据本发明所提出的一种PDC钻头粘滑振动减震器的结构示意图。

图中1-上心轴、2-套筒、3-扭矩弹簧、4-下心轴、5-密封圈、6-螺旋副、7-轴承、8-限位环

具体实施方式

下面结合附图来详细描述本发明。

如图1，密封圈5安装在上心轴1和套筒2对应的卡槽内，连接套筒2与上心轴1，扭矩弹簧3安装在上心轴1上，通过螺旋副6将下心轴4旋进套筒2，与扭矩弹簧3接触后继续旋进，直至使扭矩弹簧压缩，再装入轴承7，最后用限位环8锁紧。将PDC钻头粘滑振动减震器连接在钻具组合和PDC钻头之间，如果PDC钻头因破碎地层所需扭矩大于井口驱动扭矩停止转动，而钻柱继续将驱动扭矩通过上心轴传递至扭矩弹簧上，由于驱动扭矩不能满足PDC钻头破碎地层所需扭矩，导致扭矩弹簧相对下心轴空转。因为套筒能够随钻柱一起旋转，且套筒与下心轴之间为螺旋副连接，因此通过螺旋副将下心轴提升一定高度，在压缩扭矩弹簧的同时也使得PDC钻头脱离井底。PDC钻头脱离井底后，破碎地层所需扭矩迅速减小，被压缩的扭矩弹簧恢复并推动下心轴下行使PDC钻头重新接触井底，同时将驱动扭矩通过下心轴再次传到PDC钻头上，进行破碎地层钻进。随着粘滑振动的不断发生，以上过程不断重复，从而减弱了粘滑振动对PDC钻头的冲击，达到稳定井口驱动扭矩、减小能量损失、提高钻井效率的目的。同时，PDC钻头粘滑振动减震器还具有结构简单、操作方便、便于安装、安全可靠的优点。