主动调节型复合钻头的制作方法
主动调节型复合钻头的制作方法
【专利摘要】本实用新型为一种主动调节型复合钻头，钻头本体内设有钻井液通道；钻头本体的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部；凸出部上固定设有牙轮；一刀翼设置在所述多个牙轮之间，刀翼的中心部轴向固定连接有一中空导杆，该中空导杆轴向设置于钻头本体内并与钻井液通道导通；中空导杆由一驱动装置控制固定于钻头本体内或沿钻头本体轴向往复移动，中空导杆与钻头本体之间设有键连接。该主动调节型复合钻头在不需要起钻的前提下，通过主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，满足不同地层的钻进要求；在合适的地层中，也可以单独使用PDC钻头或牙轮钻头，充分发挥牙轮钻头与PDC钻头的优点，与岩性相适应，从而大大提高钻进速度，增加使用寿命。
【专利说明】主动调节型复合钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型是关于一种用于石油、天然气钻探开发的钻头，尤其涉及一种适用于较为复杂的非均质地层进行勘探开发的主动调节型复合钻头。
【背景技术】
[0002]钻头是重要的井下工具之一，从原油生产成本上分析，原油生产成本主要包括勘探成本、开发成本和采油成本三部分，其中钻井费用约占三分之一，降低钻井费用最有效的措施就是提高钻头寿命和钻井效率，因此，加大对钻头的技术革新极其重要，世界上很多国家都加大了对高效钻头的研制和新产品研发的投入。
[0003]钻头是在油气井钻井中直接破碎岩石的工具。钻头质量的好坏和钻头与岩性是否相适应，对提高钻进速度和降低钻井成本起着重要作用。目前石油钻井中使用最多的是三牙轮钻头和PDC钻头。常规PDC钻头在均质大段松软地层中具有机械钻速快、寿命长、进尺多等优点，但是在含有硬夹层的非均质地层或较硬地层中钻进时，PDC钻头的切削齿易发生冲击损坏和高温磨损现象，引起钻头前期损坏，其主要原因，一是PDC钻头的主要破岩方式是剪切，而硬地层或硬夹层的抗剪强度高，因而在钻进过程中PDC切削齿承受着很大的扭转力，容易引起钻头扭转振动；二是当钻头钻遇硬地层或硬夹层时，钻头容易发生回旋振动。扭转振动和回旋振动都会导致PDC切削齿冲击损坏，或发生金刚石层碎裂或整个金刚石层脱落。另外，由于硬地层或硬夹层的抗压强度高，为使PDC切削齿有效切入地层，必须加大钻压，易使PDC切削齿发生高温磨损破坏；实际钻井过程中，每次由坚硬地层进入到中硬地层或由中硬地层进入坚硬地层时，PDC钻头扭矩都会发生变化。在贯穿非均质地层时，这些扭矩的大幅度变化将会对钻头、底部钻具组合的使用寿命和性能带来很大负面影响。牙轮钻头由于品种多，适应地层范围广，使其成为现代石油钻井中使用最广泛的一种钻头；但牙轮钻头在钻页岩以及其他高塑性地层时的缺陷也渐渐成为一种诟病；在软地层的钻进时，牙齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻进效果；研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速迅速降低，钻头进尺少，特别容易磨损钻头的保径齿、背锥以及牙掌的掌尖，使钻头直径磨小，更严重的会使轴承外漏、轴承密封失效，加速钻头损坏；在钻非均质地层和含夹层地层时，钻速较低。
[0004]而复合式钻头可以改变钻进机理和钻头的动力学稳定性；复合式钻头具有较强的专用性，它可以大幅度提高牙轮钻头在页岩或强塑性、易发生泥包地层中的性能，提高钻进速度，减少钻头磨损，其适用于非均质地层和含夹层地层。现有复合式钻头是将牙轮和roc切削齿固定整合在一个钻头上，这种现有复合式钻头较PDC钻头与牙轮钻头更具优越性；然而，现有复合式钻头在应对复杂地层时，不具备主动调节能力，不能使钻井效率达到最优化。
[0005]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种主动调节型复合钻头，以克服现有技术的缺陷。实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供一种主动调节型复合钻头，能够主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，以满足不同地层的钻进要求。
[0007]本实用新型的另一目的在于提供一种主动调节型复合钻头，以提高钻头的使用寿命和钻进速度，适用于复杂的非均质地层。
[0008]本实用新型的目的是这样实现的，一种主动调节型复合钻头，该复合钻头包括有钻头本体，钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；所述钻头本体的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部；所述各凸出部上固定设有牙轮；所述该本体端部的中心部以及各凸出部之间的间隔部构成相互连通的放射状沟槽；一呈放射状的刀翼设置在所述放射状沟槽中，所述刀翼的中心部轴向固定连接有一中空导杆，该中空导杆沿钻头本体轴向设置于所述钻头本体内并与所述钻井液通道导通；所述中空导杆由一驱动装置控制固定于钻头本体内或沿钻头本体轴向往复移动，中空导杆与钻头本体之间通过键连接；所述刀翼的中部设有与中空导杆连通的第一喷嘴；所述各凸出部上设有与钻井液通道连通的第二喷嘴。
[0009]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述驱动装置包括在钻头本体内且位于钻井液通道下方设置的一容置空间；该容置空间底部固定设有一密封端盖；所述中空导杆下端穿过密封端盖与密封端盖下方的刀翼固定连接；中空导杆上端向上穿过容置空间并伸入钻井液通道内；所述容置空间内设有一活塞，所述活塞与中空导杆固定设置；所述活塞将容置空间密封分隔为上腔和下腔；所述中空导杆与密封端盖由导向键连接；所述钻头本体上分别设有连通所述上腔与钻井液通道侧壁的第一流道和连通所述下腔与钻井液通道侧壁的第二流道；所述钻井液通道侧壁上滑动地设有一换向滑套，所述换向滑套管壁上分别设有与第一流道导通的第一透孔和与第二流道导通的第二透孔；所述钻头本体上设有由钻头本体外部导通所述钻井液通道的泄流道；所述换向滑套外壁面上分别设有导通第一流道与泄流道的第一缺槽，和导通第二流道与泄流道的第二缺槽。
[0010]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一流道连通钻井液通道侧壁的开口位于所述第二流道连通钻井液通道侧壁的开口的下方，所述泄流道连通钻井液通道侧壁的开口位于上述两个开口中间；所述第一透孔位于第二透孔的上方；所述第二缺槽位于第一透孔的上方，第一缺槽位于第二透孔的下方；所述第一缺槽和第二缺槽均为围绕换向滑套外壁圆周面设置的一段环槽；所述第一缺槽的宽度与第一流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第二缺槽的宽度与第二流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第一透孔下侧至第二缺槽上侧的轴向距离以及第二透孔上侧至第一缺槽下侧的轴向距离分别与第一流道开口至第二流道开口的轴向距离相等。
[0011]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述换向滑套为下端呈开口、上端设有端面的圆管状结构，所述上端端面中心向上竖直设有一丝杠，上端端面上设有多个穿孔；所述换向滑套上部外壁周向间隔设有多个轴向导槽，所述各轴向导槽内设有限位滑块，所述限位滑块固定在钻井液通道的内壁上；位于换向滑套上方的钻井液通道中固定设有一密封套，所述密封套内设有一步进电机，所述步进电机的转子中心轴向设有一与所述丝杠螺旋配合的螺纹孔，所述丝杠密封穿过所述密封套并螺旋连接在所述螺纹孔中。
[0012]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述密封套由一支架固定于钻井液通道中，所述支架上设有上下贯通的通孔。[0013]在本实用新型的一较佳实施方式中，在密封套内且位于密封套上部设有一给步进电机供电的涡轮发电机，所述涡轮发电机的输入轴向上密封伸出所述密封套，伸出的输入轴上设置涡轮叶片。
[0014]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述呈放射状的刀翼是由中心连接部和多个间隔设置的刀翼本体构成的；所述刀翼本体上设有金刚石；所述多个刀翼本体恰好设置在各凸出部之间的间隔部。
[0015]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述中空导杆与密封端盖之间的导向键连接为花键连接；所述花键由中空导杆上间隔设置的滑块和密封端盖上相应设置的键槽构成。
[0016]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述换向滑套外壁面与钻井液通道内壁面之间设有密封元件；所述中空导杆与钻头本体和密封端盖的滑动连接处设有密封元件；所述活塞与容置空间内壁之间设有密封元件。
[0017]由上所述，本实用新型的主动调节型复合钻头，结合复合钻头的优点，在不需要起钻的前提下，通过主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，满足不同地层的钻进要求；在合适的地层中，也可以单独使用PDC钻头或牙轮钻头，充分发挥牙轮钻头与PDC钻头的优点；这种主动调节型复合钻头由于可以通过主动调节的作用，满足各种地层的钻进需求，使钻井效率最优化，因而大大提高了钻进速度，增加了使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中:
[0019]图1:为本实用新型主动调节型复合钻头的结构示意图。
[0020]图2:为本实用新型中钻头本体的仰视结构示意图。
[0021]图3:为图1的仰视结构示意图。
[0022]图4:为图1中A-A处剖面结构示意图。
[0023]图5:为图1中C处局部放大结构示意图。
[0024]图6:为图1中D处局部放大结构示意图。
[0025]图7:为图1中B-B处剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】
【附图说明】本实用新型的【具体实施方式】。
[0027]如图1所示，本实用新型提出一种主动调节型复合钻头100，该复合钻头100包括有圆柱形钻头本体1，钻头本体I内轴向设有贯通的钻井液通道19 ;所述钻头本体I的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部15 ;所述各凸出部15上固定设有牙轮2 (牙轮2通过牙轮内部轴承21固定于钻头本体I上，轴承21通过油道与储油腔22连通，以此补充润滑油；此连接结构与现有技术相同，在此不再赘述)；所述该钻头本体端部的中心部以及各凸出部之间的间隔部构成相互连通的放射状沟槽16 (如图2所示);一呈放射状的刀翼3设置在所述放射状沟槽16中(如图3所示)，所述刀翼3的中心部轴向固定连接有一中空导杆4，该中空导杆4沿钻头本体I轴向设置于所述钻头本体内并与所述钻井液通道19导通；所述中空导杆4由一驱动装置控制固定于钻头本体I内或沿钻头本体I轴向往复移动，中空导杆4与钻头本体I之间通过键连接以传递扭矩；所述刀翼3的中部设有与中空导杆4连通的第一喷嘴31 ;所述各凸出部15上设有与钻井液通道19连通的第二喷嘴151。
[0028]本实用新型的主动调节型复合钻头，所述刀翼与牙轮可在限定的范围内作相对轴向移动，从而实现牙轮钻头与金刚石钻头的转换；当驱动装置控制中空导杆并使刀翼固定于钻头本体中一适当位置时，所述复合钻头中的牙轮(牙轮钻头)和刀翼(金刚石钻头)能够同时工作；当驱动装置控制中空导杆并带动刀翼向上运动到极限位置时，则仅有牙轮钻头工作；当驱动装置控制中空导杆并带动刀翼向下运动到极限位置时，则仅有金刚石钻头工作；在牙轮和刀翼同时工作位置状态下，当刀翼相对于牙轮小范围运动时，则可以实现牙轮钻头与金刚石钻头破岩量分配的调节；由此，本实用新型的主动调节型复合钻头能够实现牙轮钻头与金刚石钻头的转换或调节牙轮钻头与金刚石钻头的破岩量分配。
[0029]由上所述，本实用新型的主动调节型复合钻头，结合复合钻头的优点，在不需要起钻的前提下，通过主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，满足不同地层的钻进要求；在合适的地层中，也可以单独使用PDC钻头或牙轮钻头，充分发挥牙轮钻头与PDC钻头的优点；这种主动调节型复合钻头由于可以通过主动调节的作用，满足各种地层的钻进需求，使钻井效率最优化，因而大大提高了钻进速度，增加了使用寿命。
[0030]在本实施方式中，所述驱动装置包括在钻头本体I内且位于钻井液通道19下方设置的一容置空间18 ;该容置空间18底部固定设有一密封端盖5 (密封端盖5以螺纹连接形式固定于钻头本体I上);所述中空导杆4下端穿过密封端盖5与密封端盖5下方的刀翼3固定连接(刀翼3与中空导杆4可以采用螺纹连接、焊接或以其它现有固定方式连接);中空导杆4上端向上穿过容置空间18并伸入钻井液通道19内；所述容置空间18内密封滑设一活塞41，所述活塞41与中空导杆4固定连接；所述活塞41将容置空间18密封分隔为上腔181和下腔182 ;所述中空导杆4与密封端盖5由导向键连接，以此限制刀翼3相对于钻头本体I的相对周向转动(需要使用金刚石钻头钻进时，扭转力经钻头本体I通过密封端盖5传递到中空导杆4，带动刀翼3切割岩石，实现破岩钻进);所述钻头本体I上分别设有连通所述上腔181与钻井液通道19侧壁的第一流道11和连通所述下腔182与钻井液通道19侧壁的第二流道12 ;所述钻井液通道侧壁上滑动地设有一换向滑套6，所述换向滑套6管壁上分别设有与第一流道11导通的第一透孔61和与第二流道12导通的第二透孔62 ;所述钻头本体I上设有由钻头本体外部导通所述钻井液通道19的泄流道13 ;所述换向滑套6外壁面上分别设有导通第一流道11与泄流道13的第一缺槽63，和导通第二流道12与泄流道13的第二缺槽64。所述第一流道连通钻井液通道侧壁的开口 111位于所述第二流道连通钻井液通道侧壁的开口 121的下方，所述泄流道连通钻井液通道侧壁的开口 131位于上述两个开口 111、121轴向位置的中间；所述第一透孔61位于第二透孔62的上方；所述第二缺槽64位于第一透孔61的上方，第一缺槽63位于第二透孔62的下方；所述第一缺槽63和第二缺槽64均为围绕换向滑套6外壁圆周面设置的一段环槽；所述第一缺槽63的宽度(图示中的轴向高度)与第一流道开口 111和泄流道开口 131的轴向距离相等；所述第二缺槽64的宽度与第二流道开口 121和泄流道开口 131的轴向距离相等；所述第一透孔61下侧至第二缺槽64上侧的轴向距离以及第二透孔62上侧至第一缺槽63下侧的轴向距离分别与第一流道开口 111至第二流道开口 121的轴向距离相等。[0031 ] 进一步，在本实施方式中，如图1所示，所述换向滑套6为下端呈开口、上端设有端面65的圆管状结构,所述上端端面65中心向上竖直设有一丝杠66,上端端面65上设有多个穿孔651，由此，钻井液能够通过所述穿孔651进入换向滑套6下方的钻井液通道中；所述换向滑套6上部外壁周向间隔设有多个轴向导槽67 (如图4所示)，所述各轴向导槽67内设有限位滑块17，所述限位滑块17固定在钻井液通道19的内壁上，限位滑块17可限制换向滑套6相对于钻头本体I转动；位于换向滑套6上方的钻井液通道19中固定设有一密封套7，所述密封套7由一支架71固定于钻井液通道19中，所述支架71上设有多个上下贯通的通孔711 ;所述密封套7内设有一步进电机8，如图5所示，所述步进电机8包括有绕组的定子铁芯81、作为滑块的转子82、轴承83和电机端盖84等；所述转子82位于步进电机中部，由上、下滚动轴承83定位，定子铁芯81位于所述转子82外围，由上、下电机端盖84台阶定位；所述步进电机的转子82的中心轴向设有一与所述丝杠66螺旋配合的螺纹孔821，所述丝杠66密封穿过所述密封套7并螺旋连接在所述螺纹孔821中，所述丝杠66与转子的螺纹孔821构成螺旋传动副(可以为滚珠丝杠副)。由于有限位滑块17的限位作用，因此，当转子转动时，通过螺旋传动副可以使换向滑套6沿钻井液通道上下移动。
[0032]如图1、图6所示，在本实施方式中，在密封套7内且位于密封套上部设有一给步进电机8供电的涡轮发电机9，所述涡轮发电机9包括涡轮叶片91、输入轴92、转子磁钢93、电枢94和滚动轴承95 ;所述转子磁钢93位于涡轮发电机中部，由上、下滚动轴承95定位，电枢94位于所述转子磁钢93外围，由涡轮发电机的端盖96上台阶定位；弹簧垫片97位于滚动轴承95与转子磁钢93之间，起到缓冲轴向振动的作用；所述输入轴92与转子磁钢93配合，由滚动轴承95定位；所述涡轮发电机的输入轴92向上密封伸出所述密封套7，伸出的输入轴92上设置涡轮叶片91，涡轮叶片91位于密封套外，可与钻井液直接接触，由钻井液驱动涡轮叶片旋转。
[0033]进一步，在本实施方式中，如图3所示，所述呈放射状的刀翼3是由中心连接部32和多个间隔设置的刀翼本体33构成的；所述刀翼本体33上设有金刚石331 ;所述多个刀翼本体33恰好设置在各凸出部15之间的间隔部，由此构成所述牙轮2和刀翼本体33呈周向均匀交错布置；在本实施方式中，所述牙轮2和刀翼本体33分别设置三个。
[0034]如图7所示，在本实施方式中，所述中空导杆4与密封端盖5之间的导向键连接为花键连接；所述花键由中空导杆4上间隔设置的滑块42和密封端盖5上相应设置的键槽51构成。
[0035]在本实施方式中，所述换向滑套6外壁面与钻井液通道19内壁面之间设有密封元件；所述中空导杆4与钻头本体I和密封端盖5的滑动连接处设有密封元件；所述活塞41与容置空间18内壁之间设有密封元件。
[0036]下面结合附图对本实施方式的主动调节型复合钻头100的使用过程作出描述。
[0037]如图1、图6所示，钻井液经钻头中间流道进入钻头，流经涡轮发电机9的涡轮叶片91，由涡轮叶片91将流体的压能或动能转化为机械能，从而带动输入轴92转动，输入轴92增速后带动发电机转子磁钢93旋转，涡轮发电机的转子磁钢93由三对磁极组成。其对应的电枢94中的导磁片也由三对组成，其上绕有线圈；当输入轴92高速转动带动磁钢93旋转时，其三对磁通路中的磁通不断改变方向，使线圈中形成变化的磁通；由于该变化磁通按设置的磁通路不断的穿过电枢94中的线圈，线圈切割磁感线，从而在线圈中产生感应电动势，此电动势经过整流、滤波后给下面步进电机8提供电能；弹簧垫片97位于滚动轴承95与转子磁钢93之间，起到缓冲轴向振动的作用。步进电机8的定子铁芯81具有均匀分布的三对磁极，如图5所示，磁极上绕有绕组，两个相对磁极组成一组；步进电机8的动作由钻井液脉冲控制(现有技术)；在输送钻井液的立管上引出一条分支管线，通过地面监控计算机形成控制指令，控制脉冲阀的开启与关闭；当脉冲阀打开时，钻井液通过脉冲阀分流了正常排量的20%的钻井液；由于钻井液的瞬间分流，导致立管以及钻柱内压力骤降；当脉冲阀关闭时，循环系统的压力恢复到正常值；因此，通过脉冲阀的开启与闭合，产生钻井液压力降、升的钻井液负脉冲波形信号(此部分为现有成熟技术)。这种排量的变化必然会引起涡轮发电机9转速的变化，进而引起电压的变化。这种电压的变化通过与涡轮发电机9相连的微处理器识别处理，负责向步进电机8发出指令。不同的钻井液脉冲对应步进电机8不同的动作。由微处理器对步进电机8传输信号，每输入一个脉冲信号，步进电机的转子82就向前进一步，进而带动转子82转动。步进电机转子82的螺纹孔821与换向滑套6上端的丝杠组成滚珠丝杠机构，转子82正向或反向转动带动换向滑套6上升或下降，限位滑块17位于换向滑套6与钻头本体I内壁之间，起到限制换向滑套6相对于钻头本体I周向旋转的作用，使换向滑套6仅有垂直方向的自由度。当换向滑套6在丝杠的作用下上升时，第二透孔62与第二流道12接通，第一缺槽63接通第一流道11与泄流道13，此时钻井液通过第二透孔62经过第二流道12进入容置空间的下腔182，容置空间的上腔181的钻井液经第一流道11、第一缺槽63、进入泄流道13由环空流出，此时，活塞41在钻井液液压力作用下带动中空导杆4及与其连接的刀翼3向上运动，实现复合钻头向牙轮钻头的转换。当换向滑套6在丝杠的作用下下降时，第一透孔61与第一流道11接通，第二缺槽64接通第二流道12与泄流道13，此时钻井液通过第一透孔61经过第一流道11进入容置空间的上腔181，容置空间的下腔182的钻井液经第二流道12、第二缺槽64、进入泄流道13由环空流出，此时，活塞41在钻井液液压力作用下带动中空导杆4及与其连接的刀翼3向下运动，实现复合钻头向金刚石钻头的转换。换向滑套6外表面安装多个密封圈，防止钻井液在流道之间窜动，从而防止换向失效。钻井液经中空导杆4和相应流道由第一喷嘴31喷出，钻井液经相应流道由第二喷嘴151喷出，清洗牙轮和金刚石钻头。钻头本体I通过密封端盖5将力传递给中空导杆4下端的花键，由中空导杆4带动刀翼3转动切割岩石。在钻头工作时，换向滑套6复位回复到中间位置，此时，第一流道11和第二流道12被换向滑套6封闭，容置空间18成为死腔，由此来承受钻头所承受的反作用力。
[0038]本实用新型的主动调节型复合钻头将普通牙轮钻头和金刚石钻头相结合，在应对复杂的地层时，可根据地层的不同要求，主动实现牙轮钻头与金刚石钻头之间的转换或调节牙轮钻头与金刚石钻头的破岩量分配；在合适的钻进环境下，不仅加快了钻进速度，延长了钻头的寿命，同时也大大提高了钻井的经济效益。本实用新型主动调节型复合钻头适用于复杂的多套地层的油气勘探开发，具有钻进速度快，工作寿命长，适应性强的优点。
[0039]以上所述仅为本实用新型示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
【权利要求】
1.一种主动调节型复合钻头，该复合钻头包括有钻头本体，钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；其特征在于:所述钻头本体的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部；所述各凸出部上固定设有牙轮；所述该本体端部的中心部以及各凸出部之间的间隔部构成相互连通的放射状沟槽；一呈放射状的刀翼设置在所述放射状沟槽中，所述刀翼的中心部轴向固定连接有一中空导杆，该中空导杆沿钻头本体轴向设置于所述钻头本体内并与所述钻井液通道导通；所述中空导杆由一驱动装置控制固定于钻头本体内或沿钻头本体轴向往复移动，中空导杆与钻头本体之间通过键连接；所述刀翼的中部设有与中空导杆连通的第一喷嘴；所述各凸出部上设有与钻井液通道连通的第二喷嘴。
2.如权利要求1所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述驱动装置包括在钻头本体内且位于钻井液通道下方设置的一容置空间；该容置空间底部固定设有一密封端盖；所述中空导杆下端穿过密封端盖与密封端盖下方的刀翼固定连接；中空导杆上端向上穿过容置空间并伸入钻井液通道内；所述容置空间内设有一活塞，所述活塞与中空导杆固定设置；所述活塞将容置空间密封分隔为上腔和下腔；所述中空导杆与密封端盖由导向键连接；所述钻头本体上分别设有连通所述上腔与钻井液通道侧壁的第一流道和连通所述下腔与钻井液通道侧壁的第二流道；所述钻井液通道侧壁上滑动地设有一换向滑套，所述换向滑套管壁上分别设有与第一流道导通的第一透孔和与第二流道导通的第二透孔；所述钻头本体上设有由钻头本体外部导通所述钻井液通道的泄流道；所述换向滑套外壁面上分别设有导通第一流道与泄流道的第一缺槽，和导通第二流道与泄流道的第二缺槽。
3.如权利要求2所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述第一流道连通钻井液通道侧壁的开口位于所述第二流道连通钻井液通道侧壁的开口的下方，所述泄流道连通钻井液通道侧壁的开口位于上述两个开口中间；所述第一透孔位于第二透孔的上方；所述第二缺槽位于第一透孔的上方，第一缺槽位于第二透孔的下方；所述第一缺槽和第二缺槽均为围绕换向滑套外壁圆周面设置的一段环槽；所述第一缺槽的宽度与第一流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第二缺槽的宽度与第二流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第一透孔下侧至第二缺槽上侧的轴向距离以及第二透孔上侧至第一缺槽下侧的轴向距离分别与第一流道开口至第二流道开口的轴向距离相等。
4.如权利要求3 所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述换向滑套为下端呈开口、上端设有端面的圆管状结构，所述上端端面中心向上竖直设有一丝杠，上端端面上设有多个穿孔；所述换向滑套上部外壁周向间隔设有多个轴向导槽，所述各轴向导槽内设有限位滑块，所述限位滑块固定在钻井液通道的内壁上；位于换向滑套上方的钻井液通道中固定设有一密封套，所述密封套内设有一步进电机，所述步进电机的转子中心轴向设有一与所述丝杠螺旋配合的螺纹孔，所述丝杠密封穿过所述密封套并螺旋连接在所述螺纹孔中。
5.如权利要求4所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述密封套由一支架固定于钻井液通道中，所述支架上设有上下贯通的通孔。
6.如权利要求4所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:在密封套内且位于密封套上部设有一给步进电机供电的涡轮发电机，所述涡轮发电机的输入轴向上密封伸出所述密封套，伸出的输入轴上设置涡轮叶片。
7.如权利要求1所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述呈放射状的刀翼是由中心连接部和多个间隔设置的刀翼本体构成的；所述刀翼本体上设有金刚石；所述多个刀翼本体恰好设置在各凸出部之间的间隔部。
8.如权利要求2所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述中空导杆与密封端盖之间的导向键连接为花键连接；所述花键由中空导杆上间隔设置的滑块和密封端盖上相应设置的键槽构成。
9.如权利要求2所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述换向滑套外壁面与钻井液通道内壁面之间设有密封元件；所述中空导杆与钻头本体和密封端盖的滑动连接处设有密封元件；所述活塞与容置 空间内壁之间设有密封元件。
【文档编号】E21B10/60GK203515325SQ201320630368
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】刘忠, 孟尧, 苏龙龙 申请人:中国石油大学(北京)
【专利摘要】本实用新型为一种主动调节型复合钻头，钻头本体内设有钻井液通道；钻头本体的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部；凸出部上固定设有牙轮；一刀翼设置在所述多个牙轮之间，刀翼的中心部轴向固定连接有一中空导杆，该中空导杆轴向设置于钻头本体内并与钻井液通道导通；中空导杆由一驱动装置控制固定于钻头本体内或沿钻头本体轴向往复移动，中空导杆与钻头本体之间设有键连接。该主动调节型复合钻头在不需要起钻的前提下，通过主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，满足不同地层的钻进要求；在合适的地层中，也可以单独使用PDC钻头或牙轮钻头，充分发挥牙轮钻头与PDC钻头的优点，与岩性相适应，从而大大提高钻进速度，增加使用寿命。
【专利说明】主动调节型复合钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型是关于一种用于石油、天然气钻探开发的钻头，尤其涉及一种适用于较为复杂的非均质地层进行勘探开发的主动调节型复合钻头。
【背景技术】
[0002]钻头是重要的井下工具之一，从原油生产成本上分析，原油生产成本主要包括勘探成本、开发成本和采油成本三部分，其中钻井费用约占三分之一，降低钻井费用最有效的措施就是提高钻头寿命和钻井效率，因此，加大对钻头的技术革新极其重要，世界上很多国家都加大了对高效钻头的研制和新产品研发的投入。
[0003]钻头是在油气井钻井中直接破碎岩石的工具。钻头质量的好坏和钻头与岩性是否相适应，对提高钻进速度和降低钻井成本起着重要作用。目前石油钻井中使用最多的是三牙轮钻头和PDC钻头。常规PDC钻头在均质大段松软地层中具有机械钻速快、寿命长、进尺多等优点，但是在含有硬夹层的非均质地层或较硬地层中钻进时，PDC钻头的切削齿易发生冲击损坏和高温磨损现象，引起钻头前期损坏，其主要原因，一是PDC钻头的主要破岩方式是剪切，而硬地层或硬夹层的抗剪强度高，因而在钻进过程中PDC切削齿承受着很大的扭转力，容易引起钻头扭转振动；二是当钻头钻遇硬地层或硬夹层时，钻头容易发生回旋振动。扭转振动和回旋振动都会导致PDC切削齿冲击损坏，或发生金刚石层碎裂或整个金刚石层脱落。另外，由于硬地层或硬夹层的抗压强度高，为使PDC切削齿有效切入地层，必须加大钻压，易使PDC切削齿发生高温磨损破坏；实际钻井过程中，每次由坚硬地层进入到中硬地层或由中硬地层进入坚硬地层时，PDC钻头扭矩都会发生变化。在贯穿非均质地层时，这些扭矩的大幅度变化将会对钻头、底部钻具组合的使用寿命和性能带来很大负面影响。牙轮钻头由于品种多，适应地层范围广，使其成为现代石油钻井中使用最广泛的一种钻头；但牙轮钻头在钻页岩以及其他高塑性地层时的缺陷也渐渐成为一种诟病；在软地层的钻进时，牙齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻进效果；研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速迅速降低，钻头进尺少，特别容易磨损钻头的保径齿、背锥以及牙掌的掌尖，使钻头直径磨小，更严重的会使轴承外漏、轴承密封失效，加速钻头损坏；在钻非均质地层和含夹层地层时，钻速较低。
[0004]而复合式钻头可以改变钻进机理和钻头的动力学稳定性；复合式钻头具有较强的专用性，它可以大幅度提高牙轮钻头在页岩或强塑性、易发生泥包地层中的性能，提高钻进速度，减少钻头磨损，其适用于非均质地层和含夹层地层。现有复合式钻头是将牙轮和roc切削齿固定整合在一个钻头上，这种现有复合式钻头较PDC钻头与牙轮钻头更具优越性；然而，现有复合式钻头在应对复杂地层时，不具备主动调节能力，不能使钻井效率达到最优化。
[0005]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种主动调节型复合钻头，以克服现有技术的缺陷。实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于提供一种主动调节型复合钻头，能够主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，以满足不同地层的钻进要求。
[0007]本实用新型的另一目的在于提供一种主动调节型复合钻头，以提高钻头的使用寿命和钻进速度，适用于复杂的非均质地层。
[0008]本实用新型的目的是这样实现的，一种主动调节型复合钻头，该复合钻头包括有钻头本体，钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；所述钻头本体的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部；所述各凸出部上固定设有牙轮；所述该本体端部的中心部以及各凸出部之间的间隔部构成相互连通的放射状沟槽；一呈放射状的刀翼设置在所述放射状沟槽中，所述刀翼的中心部轴向固定连接有一中空导杆，该中空导杆沿钻头本体轴向设置于所述钻头本体内并与所述钻井液通道导通；所述中空导杆由一驱动装置控制固定于钻头本体内或沿钻头本体轴向往复移动，中空导杆与钻头本体之间通过键连接；所述刀翼的中部设有与中空导杆连通的第一喷嘴；所述各凸出部上设有与钻井液通道连通的第二喷嘴。
[0009]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述驱动装置包括在钻头本体内且位于钻井液通道下方设置的一容置空间；该容置空间底部固定设有一密封端盖；所述中空导杆下端穿过密封端盖与密封端盖下方的刀翼固定连接；中空导杆上端向上穿过容置空间并伸入钻井液通道内；所述容置空间内设有一活塞，所述活塞与中空导杆固定设置；所述活塞将容置空间密封分隔为上腔和下腔；所述中空导杆与密封端盖由导向键连接；所述钻头本体上分别设有连通所述上腔与钻井液通道侧壁的第一流道和连通所述下腔与钻井液通道侧壁的第二流道；所述钻井液通道侧壁上滑动地设有一换向滑套，所述换向滑套管壁上分别设有与第一流道导通的第一透孔和与第二流道导通的第二透孔；所述钻头本体上设有由钻头本体外部导通所述钻井液通道的泄流道；所述换向滑套外壁面上分别设有导通第一流道与泄流道的第一缺槽，和导通第二流道与泄流道的第二缺槽。
[0010]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述第一流道连通钻井液通道侧壁的开口位于所述第二流道连通钻井液通道侧壁的开口的下方，所述泄流道连通钻井液通道侧壁的开口位于上述两个开口中间；所述第一透孔位于第二透孔的上方；所述第二缺槽位于第一透孔的上方，第一缺槽位于第二透孔的下方；所述第一缺槽和第二缺槽均为围绕换向滑套外壁圆周面设置的一段环槽；所述第一缺槽的宽度与第一流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第二缺槽的宽度与第二流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第一透孔下侧至第二缺槽上侧的轴向距离以及第二透孔上侧至第一缺槽下侧的轴向距离分别与第一流道开口至第二流道开口的轴向距离相等。
[0011]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述换向滑套为下端呈开口、上端设有端面的圆管状结构，所述上端端面中心向上竖直设有一丝杠，上端端面上设有多个穿孔；所述换向滑套上部外壁周向间隔设有多个轴向导槽，所述各轴向导槽内设有限位滑块，所述限位滑块固定在钻井液通道的内壁上；位于换向滑套上方的钻井液通道中固定设有一密封套，所述密封套内设有一步进电机，所述步进电机的转子中心轴向设有一与所述丝杠螺旋配合的螺纹孔，所述丝杠密封穿过所述密封套并螺旋连接在所述螺纹孔中。
[0012]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述密封套由一支架固定于钻井液通道中，所述支架上设有上下贯通的通孔。[0013]在本实用新型的一较佳实施方式中，在密封套内且位于密封套上部设有一给步进电机供电的涡轮发电机，所述涡轮发电机的输入轴向上密封伸出所述密封套，伸出的输入轴上设置涡轮叶片。
[0014]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述呈放射状的刀翼是由中心连接部和多个间隔设置的刀翼本体构成的；所述刀翼本体上设有金刚石；所述多个刀翼本体恰好设置在各凸出部之间的间隔部。
[0015]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述中空导杆与密封端盖之间的导向键连接为花键连接；所述花键由中空导杆上间隔设置的滑块和密封端盖上相应设置的键槽构成。
[0016]在本实用新型的一较佳实施方式中，所述换向滑套外壁面与钻井液通道内壁面之间设有密封元件；所述中空导杆与钻头本体和密封端盖的滑动连接处设有密封元件；所述活塞与容置空间内壁之间设有密封元件。
[0017]由上所述，本实用新型的主动调节型复合钻头，结合复合钻头的优点，在不需要起钻的前提下，通过主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，满足不同地层的钻进要求；在合适的地层中，也可以单独使用PDC钻头或牙轮钻头，充分发挥牙轮钻头与PDC钻头的优点；这种主动调节型复合钻头由于可以通过主动调节的作用，满足各种地层的钻进需求，使钻井效率最优化，因而大大提高了钻进速度，增加了使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中:
[0019]图1:为本实用新型主动调节型复合钻头的结构示意图。
[0020]图2:为本实用新型中钻头本体的仰视结构示意图。
[0021]图3:为图1的仰视结构示意图。
[0022]图4:为图1中A-A处剖面结构示意图。
[0023]图5:为图1中C处局部放大结构示意图。
[0024]图6:为图1中D处局部放大结构示意图。
[0025]图7:为图1中B-B处剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】
【附图说明】本实用新型的【具体实施方式】。
[0027]如图1所示，本实用新型提出一种主动调节型复合钻头100，该复合钻头100包括有圆柱形钻头本体1，钻头本体I内轴向设有贯通的钻井液通道19 ;所述钻头本体I的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部15 ;所述各凸出部15上固定设有牙轮2 (牙轮2通过牙轮内部轴承21固定于钻头本体I上，轴承21通过油道与储油腔22连通，以此补充润滑油；此连接结构与现有技术相同，在此不再赘述)；所述该钻头本体端部的中心部以及各凸出部之间的间隔部构成相互连通的放射状沟槽16 (如图2所示);一呈放射状的刀翼3设置在所述放射状沟槽16中(如图3所示)，所述刀翼3的中心部轴向固定连接有一中空导杆4，该中空导杆4沿钻头本体I轴向设置于所述钻头本体内并与所述钻井液通道19导通；所述中空导杆4由一驱动装置控制固定于钻头本体I内或沿钻头本体I轴向往复移动，中空导杆4与钻头本体I之间通过键连接以传递扭矩；所述刀翼3的中部设有与中空导杆4连通的第一喷嘴31 ;所述各凸出部15上设有与钻井液通道19连通的第二喷嘴151。
[0028]本实用新型的主动调节型复合钻头，所述刀翼与牙轮可在限定的范围内作相对轴向移动，从而实现牙轮钻头与金刚石钻头的转换；当驱动装置控制中空导杆并使刀翼固定于钻头本体中一适当位置时，所述复合钻头中的牙轮(牙轮钻头)和刀翼(金刚石钻头)能够同时工作；当驱动装置控制中空导杆并带动刀翼向上运动到极限位置时，则仅有牙轮钻头工作；当驱动装置控制中空导杆并带动刀翼向下运动到极限位置时，则仅有金刚石钻头工作；在牙轮和刀翼同时工作位置状态下，当刀翼相对于牙轮小范围运动时，则可以实现牙轮钻头与金刚石钻头破岩量分配的调节；由此，本实用新型的主动调节型复合钻头能够实现牙轮钻头与金刚石钻头的转换或调节牙轮钻头与金刚石钻头的破岩量分配。
[0029]由上所述，本实用新型的主动调节型复合钻头，结合复合钻头的优点，在不需要起钻的前提下，通过主动调节PDC钻头和牙轮钻头的破岩量分配，满足不同地层的钻进要求；在合适的地层中，也可以单独使用PDC钻头或牙轮钻头，充分发挥牙轮钻头与PDC钻头的优点；这种主动调节型复合钻头由于可以通过主动调节的作用，满足各种地层的钻进需求，使钻井效率最优化，因而大大提高了钻进速度，增加了使用寿命。
[0030]在本实施方式中，所述驱动装置包括在钻头本体I内且位于钻井液通道19下方设置的一容置空间18 ;该容置空间18底部固定设有一密封端盖5 (密封端盖5以螺纹连接形式固定于钻头本体I上);所述中空导杆4下端穿过密封端盖5与密封端盖5下方的刀翼3固定连接(刀翼3与中空导杆4可以采用螺纹连接、焊接或以其它现有固定方式连接);中空导杆4上端向上穿过容置空间18并伸入钻井液通道19内；所述容置空间18内密封滑设一活塞41，所述活塞41与中空导杆4固定连接；所述活塞41将容置空间18密封分隔为上腔181和下腔182 ;所述中空导杆4与密封端盖5由导向键连接，以此限制刀翼3相对于钻头本体I的相对周向转动(需要使用金刚石钻头钻进时，扭转力经钻头本体I通过密封端盖5传递到中空导杆4，带动刀翼3切割岩石，实现破岩钻进);所述钻头本体I上分别设有连通所述上腔181与钻井液通道19侧壁的第一流道11和连通所述下腔182与钻井液通道19侧壁的第二流道12 ;所述钻井液通道侧壁上滑动地设有一换向滑套6，所述换向滑套6管壁上分别设有与第一流道11导通的第一透孔61和与第二流道12导通的第二透孔62 ;所述钻头本体I上设有由钻头本体外部导通所述钻井液通道19的泄流道13 ;所述换向滑套6外壁面上分别设有导通第一流道11与泄流道13的第一缺槽63，和导通第二流道12与泄流道13的第二缺槽64。所述第一流道连通钻井液通道侧壁的开口 111位于所述第二流道连通钻井液通道侧壁的开口 121的下方，所述泄流道连通钻井液通道侧壁的开口 131位于上述两个开口 111、121轴向位置的中间；所述第一透孔61位于第二透孔62的上方；所述第二缺槽64位于第一透孔61的上方，第一缺槽63位于第二透孔62的下方；所述第一缺槽63和第二缺槽64均为围绕换向滑套6外壁圆周面设置的一段环槽；所述第一缺槽63的宽度(图示中的轴向高度)与第一流道开口 111和泄流道开口 131的轴向距离相等；所述第二缺槽64的宽度与第二流道开口 121和泄流道开口 131的轴向距离相等；所述第一透孔61下侧至第二缺槽64上侧的轴向距离以及第二透孔62上侧至第一缺槽63下侧的轴向距离分别与第一流道开口 111至第二流道开口 121的轴向距离相等。[0031 ] 进一步，在本实施方式中，如图1所示，所述换向滑套6为下端呈开口、上端设有端面65的圆管状结构,所述上端端面65中心向上竖直设有一丝杠66,上端端面65上设有多个穿孔651，由此，钻井液能够通过所述穿孔651进入换向滑套6下方的钻井液通道中；所述换向滑套6上部外壁周向间隔设有多个轴向导槽67 (如图4所示)，所述各轴向导槽67内设有限位滑块17，所述限位滑块17固定在钻井液通道19的内壁上，限位滑块17可限制换向滑套6相对于钻头本体I转动；位于换向滑套6上方的钻井液通道19中固定设有一密封套7，所述密封套7由一支架71固定于钻井液通道19中，所述支架71上设有多个上下贯通的通孔711 ;所述密封套7内设有一步进电机8，如图5所示，所述步进电机8包括有绕组的定子铁芯81、作为滑块的转子82、轴承83和电机端盖84等；所述转子82位于步进电机中部，由上、下滚动轴承83定位，定子铁芯81位于所述转子82外围，由上、下电机端盖84台阶定位；所述步进电机的转子82的中心轴向设有一与所述丝杠66螺旋配合的螺纹孔821，所述丝杠66密封穿过所述密封套7并螺旋连接在所述螺纹孔821中，所述丝杠66与转子的螺纹孔821构成螺旋传动副(可以为滚珠丝杠副)。由于有限位滑块17的限位作用，因此，当转子转动时，通过螺旋传动副可以使换向滑套6沿钻井液通道上下移动。
[0032]如图1、图6所示，在本实施方式中，在密封套7内且位于密封套上部设有一给步进电机8供电的涡轮发电机9，所述涡轮发电机9包括涡轮叶片91、输入轴92、转子磁钢93、电枢94和滚动轴承95 ;所述转子磁钢93位于涡轮发电机中部，由上、下滚动轴承95定位，电枢94位于所述转子磁钢93外围，由涡轮发电机的端盖96上台阶定位；弹簧垫片97位于滚动轴承95与转子磁钢93之间，起到缓冲轴向振动的作用；所述输入轴92与转子磁钢93配合，由滚动轴承95定位；所述涡轮发电机的输入轴92向上密封伸出所述密封套7，伸出的输入轴92上设置涡轮叶片91，涡轮叶片91位于密封套外，可与钻井液直接接触，由钻井液驱动涡轮叶片旋转。
[0033]进一步，在本实施方式中，如图3所示，所述呈放射状的刀翼3是由中心连接部32和多个间隔设置的刀翼本体33构成的；所述刀翼本体33上设有金刚石331 ;所述多个刀翼本体33恰好设置在各凸出部15之间的间隔部，由此构成所述牙轮2和刀翼本体33呈周向均匀交错布置；在本实施方式中，所述牙轮2和刀翼本体33分别设置三个。
[0034]如图7所示，在本实施方式中，所述中空导杆4与密封端盖5之间的导向键连接为花键连接；所述花键由中空导杆4上间隔设置的滑块42和密封端盖5上相应设置的键槽51构成。
[0035]在本实施方式中，所述换向滑套6外壁面与钻井液通道19内壁面之间设有密封元件；所述中空导杆4与钻头本体I和密封端盖5的滑动连接处设有密封元件；所述活塞41与容置空间18内壁之间设有密封元件。
[0036]下面结合附图对本实施方式的主动调节型复合钻头100的使用过程作出描述。
[0037]如图1、图6所示，钻井液经钻头中间流道进入钻头，流经涡轮发电机9的涡轮叶片91，由涡轮叶片91将流体的压能或动能转化为机械能，从而带动输入轴92转动，输入轴92增速后带动发电机转子磁钢93旋转，涡轮发电机的转子磁钢93由三对磁极组成。其对应的电枢94中的导磁片也由三对组成，其上绕有线圈；当输入轴92高速转动带动磁钢93旋转时，其三对磁通路中的磁通不断改变方向，使线圈中形成变化的磁通；由于该变化磁通按设置的磁通路不断的穿过电枢94中的线圈，线圈切割磁感线，从而在线圈中产生感应电动势，此电动势经过整流、滤波后给下面步进电机8提供电能；弹簧垫片97位于滚动轴承95与转子磁钢93之间，起到缓冲轴向振动的作用。步进电机8的定子铁芯81具有均匀分布的三对磁极，如图5所示，磁极上绕有绕组，两个相对磁极组成一组；步进电机8的动作由钻井液脉冲控制(现有技术)；在输送钻井液的立管上引出一条分支管线，通过地面监控计算机形成控制指令，控制脉冲阀的开启与关闭；当脉冲阀打开时，钻井液通过脉冲阀分流了正常排量的20%的钻井液；由于钻井液的瞬间分流，导致立管以及钻柱内压力骤降；当脉冲阀关闭时，循环系统的压力恢复到正常值；因此，通过脉冲阀的开启与闭合，产生钻井液压力降、升的钻井液负脉冲波形信号(此部分为现有成熟技术)。这种排量的变化必然会引起涡轮发电机9转速的变化，进而引起电压的变化。这种电压的变化通过与涡轮发电机9相连的微处理器识别处理，负责向步进电机8发出指令。不同的钻井液脉冲对应步进电机8不同的动作。由微处理器对步进电机8传输信号，每输入一个脉冲信号，步进电机的转子82就向前进一步，进而带动转子82转动。步进电机转子82的螺纹孔821与换向滑套6上端的丝杠组成滚珠丝杠机构，转子82正向或反向转动带动换向滑套6上升或下降，限位滑块17位于换向滑套6与钻头本体I内壁之间，起到限制换向滑套6相对于钻头本体I周向旋转的作用，使换向滑套6仅有垂直方向的自由度。当换向滑套6在丝杠的作用下上升时，第二透孔62与第二流道12接通，第一缺槽63接通第一流道11与泄流道13，此时钻井液通过第二透孔62经过第二流道12进入容置空间的下腔182，容置空间的上腔181的钻井液经第一流道11、第一缺槽63、进入泄流道13由环空流出，此时，活塞41在钻井液液压力作用下带动中空导杆4及与其连接的刀翼3向上运动，实现复合钻头向牙轮钻头的转换。当换向滑套6在丝杠的作用下下降时，第一透孔61与第一流道11接通，第二缺槽64接通第二流道12与泄流道13，此时钻井液通过第一透孔61经过第一流道11进入容置空间的上腔181，容置空间的下腔182的钻井液经第二流道12、第二缺槽64、进入泄流道13由环空流出，此时，活塞41在钻井液液压力作用下带动中空导杆4及与其连接的刀翼3向下运动，实现复合钻头向金刚石钻头的转换。换向滑套6外表面安装多个密封圈，防止钻井液在流道之间窜动，从而防止换向失效。钻井液经中空导杆4和相应流道由第一喷嘴31喷出，钻井液经相应流道由第二喷嘴151喷出，清洗牙轮和金刚石钻头。钻头本体I通过密封端盖5将力传递给中空导杆4下端的花键，由中空导杆4带动刀翼3转动切割岩石。在钻头工作时，换向滑套6复位回复到中间位置，此时，第一流道11和第二流道12被换向滑套6封闭，容置空间18成为死腔，由此来承受钻头所承受的反作用力。
[0038]本实用新型的主动调节型复合钻头将普通牙轮钻头和金刚石钻头相结合，在应对复杂的地层时，可根据地层的不同要求，主动实现牙轮钻头与金刚石钻头之间的转换或调节牙轮钻头与金刚石钻头的破岩量分配；在合适的钻进环境下，不仅加快了钻进速度，延长了钻头的寿命，同时也大大提高了钻井的经济效益。本实用新型主动调节型复合钻头适用于复杂的多套地层的油气勘探开发，具有钻进速度快，工作寿命长，适应性强的优点。
[0039]以上所述仅为本实用新型示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
【权利要求】
1.一种主动调节型复合钻头，该复合钻头包括有钻头本体，钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；其特征在于:所述钻头本体的端部沿其周向均匀间隔地设有多个轴向凸出部；所述各凸出部上固定设有牙轮；所述该本体端部的中心部以及各凸出部之间的间隔部构成相互连通的放射状沟槽；一呈放射状的刀翼设置在所述放射状沟槽中，所述刀翼的中心部轴向固定连接有一中空导杆，该中空导杆沿钻头本体轴向设置于所述钻头本体内并与所述钻井液通道导通；所述中空导杆由一驱动装置控制固定于钻头本体内或沿钻头本体轴向往复移动，中空导杆与钻头本体之间通过键连接；所述刀翼的中部设有与中空导杆连通的第一喷嘴；所述各凸出部上设有与钻井液通道连通的第二喷嘴。
2.如权利要求1所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述驱动装置包括在钻头本体内且位于钻井液通道下方设置的一容置空间；该容置空间底部固定设有一密封端盖；所述中空导杆下端穿过密封端盖与密封端盖下方的刀翼固定连接；中空导杆上端向上穿过容置空间并伸入钻井液通道内；所述容置空间内设有一活塞，所述活塞与中空导杆固定设置；所述活塞将容置空间密封分隔为上腔和下腔；所述中空导杆与密封端盖由导向键连接；所述钻头本体上分别设有连通所述上腔与钻井液通道侧壁的第一流道和连通所述下腔与钻井液通道侧壁的第二流道；所述钻井液通道侧壁上滑动地设有一换向滑套，所述换向滑套管壁上分别设有与第一流道导通的第一透孔和与第二流道导通的第二透孔；所述钻头本体上设有由钻头本体外部导通所述钻井液通道的泄流道；所述换向滑套外壁面上分别设有导通第一流道与泄流道的第一缺槽，和导通第二流道与泄流道的第二缺槽。
3.如权利要求2所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述第一流道连通钻井液通道侧壁的开口位于所述第二流道连通钻井液通道侧壁的开口的下方，所述泄流道连通钻井液通道侧壁的开口位于上述两个开口中间；所述第一透孔位于第二透孔的上方；所述第二缺槽位于第一透孔的上方，第一缺槽位于第二透孔的下方；所述第一缺槽和第二缺槽均为围绕换向滑套外壁圆周面设置的一段环槽；所述第一缺槽的宽度与第一流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第二缺槽的宽度与第二流道开口和泄流道开口的轴向距离相等；所述第一透孔下侧至第二缺槽上侧的轴向距离以及第二透孔上侧至第一缺槽下侧的轴向距离分别与第一流道开口至第二流道开口的轴向距离相等。
4.如权利要求3 所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述换向滑套为下端呈开口、上端设有端面的圆管状结构，所述上端端面中心向上竖直设有一丝杠，上端端面上设有多个穿孔；所述换向滑套上部外壁周向间隔设有多个轴向导槽，所述各轴向导槽内设有限位滑块，所述限位滑块固定在钻井液通道的内壁上；位于换向滑套上方的钻井液通道中固定设有一密封套，所述密封套内设有一步进电机，所述步进电机的转子中心轴向设有一与所述丝杠螺旋配合的螺纹孔，所述丝杠密封穿过所述密封套并螺旋连接在所述螺纹孔中。
5.如权利要求4所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述密封套由一支架固定于钻井液通道中，所述支架上设有上下贯通的通孔。
6.如权利要求4所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:在密封套内且位于密封套上部设有一给步进电机供电的涡轮发电机，所述涡轮发电机的输入轴向上密封伸出所述密封套，伸出的输入轴上设置涡轮叶片。
7.如权利要求1所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述呈放射状的刀翼是由中心连接部和多个间隔设置的刀翼本体构成的；所述刀翼本体上设有金刚石；所述多个刀翼本体恰好设置在各凸出部之间的间隔部。
8.如权利要求2所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述中空导杆与密封端盖之间的导向键连接为花键连接；所述花键由中空导杆上间隔设置的滑块和密封端盖上相应设置的键槽构成。
9.如权利要求2所述的主动调节型复合钻头，其特征在于:所述换向滑套外壁面与钻井液通道内壁面之间设有密封元件；所述中空导杆与钻头本体和密封端盖的滑动连接处设有密封元件；所述活塞与容置 空间内壁之间设有密封元件。
【文档编号】E21B10/60GK203515325SQ201320630368
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】刘忠, 孟尧, 苏龙龙 申请人:中国石油大学(北京)
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1