[发明专利]利用冲击作用提高心部破岩效率的新型PDC钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及利用冲击作用提高心部破岩效率的新型PDC钻头。

背景技术

目前，世界上各国家的钻井行业开始逐渐向深井、超深井领域发展，随着钻井深度的增加，岩石会在地层围压的作用下会有明显的硬度、强度的增加，可钻性极值比较高，这些因素都会导致机械钻速变慢，从而增加钻井成本。这就对新一代的PDC钻头破岩效率和使用寿命提出了更高的要求。常规的PDC钻头在正常工作时由于受到外部因素的干扰，时常会出现偏离井眼中心位置而左右晃动的现象，并且其轮廓外围破岩效率较高，而中心部位由于往往布置相对较少的PDC切削齿，常会有留下一段中心岩柱出现而影响钻进效果的现象发生。

针对这种现象，设计利用冲击作用提高心部破岩效率的新型PDC钻头，对心部岩石造成冲击，减少形成中心岩柱的出现，辅助破岩；在钻进时，使压头间断地抵住岩石，减少钻头左右晃动，消除卡滑现象，提高钻进的机械钻速；改变传统PDC钻头的剪切破岩方式，以剪切和冲击共同作用破岩。实现在钻进过程中一边旋转，一边直接对岩石产生交变的冲击力，从而达到迅速破岩的目的，提高了钻井效率，降低钻井成本。

发明内容

本发明的目的是：为了解决在钻井的过程中，中心部位留下的中心岩柱对钻进效率的影响，特设计利用冲击作用提高心部破岩效率的新型PDC钻头

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：该新型PDC钻头由钻头基体和内部装置组成，内部装置包括传动部分、驱动部分和冲击部分组成；其中传动部分由螺母、涡轮定子、上壳体、涡轮转子、涡轮轴、键、O型密封圈组成；驱动部分由上凸轮、法兰盘、下凸轮、沉头螺钉、凸轮壳体、弹簧、冲锤体、挡圈组成；冲击部分由下壳体、双向推力球轴承、沉头螺钉、端盖、水眼、冠部结构、中心孔、尖形复合片等组成，其特征在于外壳体与钻头基体内部通过法兰盘连接，上壳体、凸轮壳体与下壳体分别通过螺纹连接；涡轮定子与涡轮转子连接，并使用键装配在涡轮轴上；涡轮上端使用螺母固定，下端通过涡轮轴上的凸台实现固定；涡轮轴下端开设流道；上凸轮通过螺纹连接在涡轮轴上，利用凸轮壳体台肩限位，下凸轮使用沉头螺钉来固定在冲锤体上，弹簧安装在冲锤体与凸轮壳体之间的间隙中；冲锤体上段中空，大致与限位块轮廓相同并加粗，并带有周向分布的4个通孔；在下部壳体上端开设能使钻井液流出的孔道，冲锤下端变细并安放双向推力球轴承；连接腔末端添加一个顶端带有尖形PDC齿的压头，作为主要的冲击部位冲锤体下端细长并安放双向推力球轴承，冲锤体末端装有尖形复合片，通过中心孔伸出心部；钻头基体与冠部结构焊接，钻头内部有水眼。

本发明的有益效果是：(1)对心部岩石造成冲击，减少形成中心岩柱的出现，辅助破岩；(2)在钻进时，压头间断地抵住岩石，减少钻头左右晃动，可以消除卡滑现象，提高钻进的机械钻速；(3)改变传统PDC钻头的剪切破岩方式，以剪切和冲击共同作用破岩；(4)喷嘴采用6喷嘴不对称设计，最大程度上减少低压区内紊流和再循环现象。

附图说明

图1为本发明利用冲击作用提高心部破岩效率的新型PDC钻头的结果示意图。

图中：1.螺母、2.涡轮定子、3.上壳体、4.涡轮转子、5.涡轮轴、6.键、7.O型密封圈、8.钻头基体、9.上凸轮、10.法兰盘、11.下凸轮、12.沉头螺钉、13.凸轮壳体、14.弹簧、15.冲锤体、16.O型密封圈、17.挡圈、18.下壳体、19.双向推力球轴承、20.沉头螺钉、21.端盖、22.水眼、23.冠部结构、24.中心孔、25.尖形复合片。

图2为本发明下凸轮体的结构示意图。

图3为本发明上凸轮体的结构示意图。

图4为本发明钻头冠部底部结构示意图。

具体实施方式

根据附图1所述，利用冲击作用提高心部破岩效率的新型PDC钻头由钻头基体8和内部装置组成，内部装置包括传动部分、驱动部分和冲击部分组成。传动部分有螺母1、涡轮定子2、上壳体3、涡轮转子4、涡轮轴5、键6、O型密封圈7；驱动部分有上凸轮9、法兰盘10、下凸轮11、沉头螺钉12、凸轮壳体13、弹簧14、冲锤体15、O型密封圈16、挡圈17；冲击部分有下壳体18、双向推力球轴承19、沉头螺钉20、端盖21、水眼22、冠部结构23、中心孔24、尖形复合片25。其特征在于上壳体3、凸轮壳体13与下壳体18分别通过螺纹连接；涡轮定子2与涡轮转子4连接，并使用键6装配在涡轮轴5上；涡轮上端使用螺母1固定，下端通过涡轮轴5上的凸台实现固定；涡轮轴5下端开设流道；上凸轮9通过螺纹连接在涡轮轴5上，利用凸轮壳体台肩限位，下凸轮11使用沉头螺钉20来固定在冲锤体15上，弹簧14安装在冲锤体15与凸轮壳体13之间的间隙中；冲锤体15上段中空，大致与限位块轮廓相同并加粗，并带有周向分布的4个通孔；在下部壳体上端开设能使钻井液流出的孔道，冲锤15下端变细并安放双向推力球轴承19；连接腔末端添加一个顶端带有尖形PDC齿的压头，作为主要的冲击部位冲锤体15下端变细并安放双向推力球轴承19，冲锤体15末端装有尖形复合片25，通过中心孔24伸出心部；钻头基体8与冠部结构23焊接，钻头内部有水眼22工作时，钻井液从上壳体3开口流入多级涡轮，涡轮转子4在钻井液的冲击下开始转动，将泥浆冲击压力转化成机械能，涡轮轴5由于键6的连接随涡轮转子4一起转动，上凸轮9通过螺纹连接在涡轮轴5的下端，当涡轮轴5转动时带动上凸轮9旋转，下凸轮11使用沉头螺钉固定在冲锤体15上端，利用上下凸轮的啮合，当上凸轮9旋转时驱动下凸轮11产生纵向往复运动，下凸轮11带动冲锤体15一起产生纵向往复运动，从而产生往复纵向冲击，冲锤体15在向下运动之后可以通过弹簧14来实现复位，冲锤体15末端有尖形复合片25，通过中心孔24伸入心部，实现纵向冲击，在钻进的过程中，心部遗留的岩柱就会被尖形复合片25的纵向冲击破碎，达到粉碎心部岩石的目的；心部压头产生规律性的压力，就会减少钻头在破岩的过程中由于心部压力不足而产生的左右晃动现象，使钻头更加稳定地破岩，保持钻井轨迹的完整性；钻井液在通过多级涡轮后，顺着装置旁边的液流道流入水眼22，然后流入钻头体外部。