[发明专利]一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，用于油气钻 探与开发的钻头，属于石油天然气开发装备技术领域。

背景技术

随着我国国民经济的高速发展，国家对油气资源的需求急剧增加，供需矛盾日益 严峻。目前我国尚未开发的油气资源主要埋藏在深部难钻硬地层，而现有形式的钻头 位于深部难钻硬地层破岩时，破岩效率低,钻头损坏严重，起下钻频繁，钻井成本变高 等问题已成为制约勘探开发、提速增效的技术瓶颈。如在红河油田等水平井钻井中， 钻遇深部硬脆性大、研磨性高的灰岩岩层时，钻头损坏严重，最严重的一口井钻头消 耗多达29只，起下钻高达37次之多，平均钻井周期长达490天以上，钻头切削齿崩 裂、脱落情况严重，机械钻速不到0.7m/h。因此，研发新型破岩工具，以提高深部硬 地层钻头破岩效率和使用寿命已成为当前重要的课题之一。

基于此，本发明提出一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，使 其面临深部难钻硬地层时，破岩效率更高，使用寿命更长。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种适用于深部难钻硬地层的主动 旋转伸缩式复合钻头，通过在地面上主动调节泥浆泵所提供的钻井液流量，来控制地 层下位于复合钻头中心牙轮钻头的伸出和缩回。当钻进硬地层时，中心伸出的牙轮可 先对破岩地层钻一小孔，使岩石地应力得以释放，以此造成岩石的前期损伤破坏，大 大降低岩石的强度。再利用周向PDC刀翼刮削、破碎岩石，在相同的钻压与扭矩作用 下，可减轻钻头粘滑振动、压持效应，且极大提高钻头的破岩效率，增加了钻头的在 不同地层下的适应性。

本发明采用的技术方案是：

本发明一种适用于深部难钻硬地层的主动旋转伸缩式复合钻头，主要由钻头本体、 动力端外壳、齿条活塞缸、第一安全阀孔、第二安全阀孔、窄口活塞、宽口活塞、弧 形齿条、齿轮、钻井液通孔、伸缩柱、梯形外螺纹、三孔平板、牙掌、牙轮、牙轮牙 齿、PDC刀翼、PDC牙齿、流道口、泄流口组成，所述钻头本体上段固连动力端外壳， 所述动力端外壳内嵌有一段两端截面积大小不同的齿条活塞缸；所述齿条活塞缸内设 有与齿条活塞缸两端截面相匹配的窄口活塞和宽口活塞，所述窄口活塞与宽口活塞间 由一弧形齿条连接，且均位于齿条活塞缸中；所述齿条活塞缸两端分别设有尺寸大小 相等的第一安全阀孔和第二安全阀孔；齿条活塞缸左右两腔侧壁均设有尺寸大小相同 的泄流口；嵌于齿条活塞缸内部的齿轮与弧形齿条相啮合，所述齿轮中央设有钻井液 通孔；齿轮下端固连伸缩柱，且位于钻头本体内；所述伸缩柱下端外侧攻有梯形外螺 纹，在钻头本体内攻有梯形内螺纹，两者相互匹配；伸缩柱末端固连三孔平板，所述 三孔平板上均匀分布的三个圆孔分别连接三个尺寸大小相同的牙掌；所述牙掌通过末 端轴承连接牙轮，所述牙轮上镶有若干牙轮牙齿；所述钻头本体下端同时设有PDC刀 翼与牙轮，且钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；所述PDC刀翼沿钻头本体外壁 周向均匀布置，构成中心空槽；所述伸缩柱带动三孔平板上的牙轮，轴向穿过中心空 槽，实现牙轮的轴向运动。

所述第一、第二安全阀孔上分别安装限制不同流量的安全阀，分别限制流量，即钻 井液流量升高至70L/s-80L/s时，仅第一安全阀孔上的安全阀打开；钻井液流量升高 至80L/s-90L/s时，第一、第二安全阀均打开。

所述泄流口的流量始终小于第一、第二安全阀的流量。

当不同流量的钻井液通过第一安全阀孔、第二安全阀孔流进齿条活塞缸的左、右两 腔，实现弧形齿条的周向旋转；齿轮在弧形齿条的带动下实现周向旋转，伸缩柱在齿 轮及梯形螺纹的共同作用下，实现轴向伸缩运动。