自适应扭矩平衡钻头的制作方法

本发明属于石油工程技术领域，涉及钻井工具，具体地说，涉及一种自适应扭矩平衡钻头。

背景技术：

钻井现场实践表明，通过改变钻井过程中井底的结构可以提前释放井底地层应力而有效提高钻头的破岩效率。基于上述原理，国外nov公司研发了同心双级speeddrillbits，国内胜利钻井院彭烨等研发了双级pdc钻头。

公开号为cn105443041a的中国发明专利申请公开了一种差压式钻头，具体公开了以下特征：差压式钻头包括转换接头、传液传力短接、扩眼钻头、蓄力弹簧、领眼钻头；转换接头、传液传力短接与领眼钻头螺纹连接成一体；扩眼钻头位于转换接头与领眼钻头之间，安装于传液传力短接外侧；扩眼钻头与转换接头、传液传力短接、领眼钻头构成的整体可实现轴向相对运动；蓄力弹簧安装于传液传力短接中部，蓄力弹簧用于实现扩眼钻头与转换接头、传液传力短接、领眼钻头构成的整体之间弹力的储备及相对位置的恢复。本发明原理及结构简单，适用范围广，用于防斜打直时可以保证小钻压快速钻进，提高易斜地层直井钻进效率；钻井过程中与常规钻井完全相同，有利于推广和使用。

公开号为cn105317377a的中国发明专利申请公开了一种中心差压式钻头，具体公开了以下特征：中心差压式钻头包括扩眼钻头、压力调节弹簧、分流传力总成、领眼钻头；领眼钻头与分流传力总成连接成一体，安装于扩眼钻头的轴向传扭孔内，领眼钻头凸出于扩眼钻头冠部；压力调节弹簧设于分流传力总成顶端与扩眼钻头接头下端之间；扩眼钻头可以设置一级或者多级。本发明原理及结构简单，适用范围广，可应用于各种地层，其使用效果在多夹层地层中更佳；可以与脉冲射流发生装置一起使用，进一步提高钻井速度；钻井过程中，操作施工跟常规钻井完全相同，对地面设施、钻井管柱、钻头类型没有特殊要求，有利于钻头的推广和使用。

公开号为106703701a的中国发明专利申请公开了一种脉动冲击产生机构及含有该产生机构的中心差压钻头，脉动冲击产生机构包括依次放置的扶正元件、驱动元件、转动元件和节流元件，扶正元件、驱动元件和转动元件依次连接，节流元件与转动元件间隙配合，扶正元件和节流元件上均设有用于钻井液流通的过流通道，驱动元件驱动转动元件转动，转动元件与节流元件上的过流通道相对运动。中心差压钻头包括扩眼钻头、脉动冲击产生机构、压力调节元件、传动机构和领眼钻头，压力调节元件、传动机构、领眼钻头依次连接。该专利申请能够实现领眼钻头旋冲钻进的同时，减少领眼钻头和扩眼钻头岩屑的压持效应，进而达到保护钻头、提高钻头寿命和钻井速度的目的，钻井效果进一步提高。

上述现有钻头在室内或现场均取得了大幅度的钻井提速效果。由于石油勘探领域的主力钻头—pdc钻头(英文：polycrystallinediamondcompactbit)对地层具有极强的选择性，当钻遇硬地层或者多夹层地层时，粘滑现象及其导致的冲击损坏将会导致较低的机械钻速、单只钻头进尺减少并极大地延长建井周期。虽然上述现有钻头可加装吃深控制单元，但由于无法主动控制钻遇复杂地层时的吃入深度，仍然有潜在的产生粘滑现象的可能，从而导致钻进时的钻头扭矩波动较为强烈，引起钻头或者底部钻具组合的疲劳损坏，也未能将此类钻头的钻进效率提至最佳。因此，亟需一种能够在复杂地层中利用应力释放原理提高机械钻速又能自动平衡钻进过程中由于粘滑现象产生横向冲击扭矩的钻头，以满足不同地层、不通过井型井眼钻井提速的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种自适应扭矩平衡钻头，该钻头可以实现钻进过程中无效扭矩的自适应平衡，减缓甚至是避免钻进过程中粘滑现象产生的扭转冲击振动，达到钻进过程中的无效振动自动吸收与释放，进而保护钻头与底部钻具组合；同时由于领眼钻头和扩眼钻头的尺寸存在差异，可以实现钻井过程中井底结构的变化以提前释放地层应力加快钻进速度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种自适应扭矩平衡钻头，包括扩眼钻头和领眼钻头，所述扩眼钻头包括扩眼钻头接头和与所述扩眼钻头接头连接的扩眼钻头冠部，所述领眼钻头安装于所述扩眼钻头冠部内，并突出于所述扩眼钻头冠部，所述扩眼钻头接头接头与所述扩眼钻头冠部连接形成的内部空腔内安装有扭矩传动装置，所述扭矩传动装置包括转动件和与所述转动件固接为一体的传动件，所述传动件与所述领眼钻头连接，所述转动件上设有至少一个止动件，所述扭矩传动装置还包括与所述止动件配合的限位件，所述限位件设于所述扩眼钻头冠部；所述止动件与所述扩眼钻头冠部之间设有与所述止动件配合使用的用于传递部分领眼钻头破岩扭矩、缓冲扭矩波动的弹性件。

进一步的，所述扩眼钻头冠部内壁上设有用于放置所述弹性件的弹性件放置腔。

优选的，所述扩眼钻头为pdc钻头、牙轮钻头、金刚石钻头中的任意一种，所述领眼钻头为pdc钻头、牙轮钻头、金刚石钻头中的任意一种，所述扩眼钻头与所述领眼钻头任意组合搭配形成不同种类的组合式钻头。

进一步的，所述转动件内设有分流腔，所述转动件上设有用于钻井液流通的一个主分流孔和多个次分流孔，所述传动件内设有与所述主分流孔连通的用于钻井液流通的流通通道。

作为优选，所述止动件为多个时，均布在所述转动件的外表面。

进一步的，所述转动件与所述扩眼钻头冠部之间设有止推轴承，所述转动件上设有与止推轴承配合的止推轴承限位面。

进一步的，所述转动件与所述扩眼钻头冠部之间还设有用于支撑止推轴承的轴承座，所述轴承座上设有轴承座支撑面，所述转动件上设有与轴承座支撑面配合的轴承座限位面。

进一步的，所述轴承座限位面位于所述止推轴承限位面的下方，且所述轴承座限位面的直径小于所述止推轴承限位面。

优选的，所述止推轴承限位面、所述转动件、所述轴承座以及所述扩眼钻头冠部形成用于安装所述止推轴承的止推轴承安装腔。

优选的，所述扩眼钻头、所述转动件以及所述轴承座三者安装配合后形成整流腔，用于将所述次分流孔中的钻井液进行整合输入到所述扩眼钻头的流道中。

优选的，所述转动件上依次设有第一密封件、第二密封件，所述第一密封件位于所述止动件的上方，所述第二密封件位于所述止动件的下方；所述传动件上设有第三密封件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明钻头内部使用了扭矩传动装置和弹性件，扭矩传动装置用于传递扩眼钻头和领眼钻头之间的转动扭矩，弹性件可以吸收旋转钻进过程中产生的多余无效振动，大大减缓甚至避免钻进过程中粘滑现象产生的扭转冲击振动，达到保护钻头及其底部钻具组合免受冲击损坏的目的，延长钻井井下工具的寿命，产生更快更加连续的钻井速度，减少了不必要的非生产时间。

(2)本发明钻头原理及结构简单，不需要安装其他工具，不影响其他钻井工序的实施；适用范围广，可用于直井、定向井等各种井型，并且可以直接连接与钻铤，也可以与动力钻具或脉冲射流发生装置等其他井下工具配合使用。

(3)本发明钻头采用扩眼钻头和领眼钻头两级结构，还可以组成多级钻头，钻井过程中增加了钻头与井底的接触面积，使得钻头的方向操控稳定性更好，非常适用于定向钻进；同时多级结构在钻进过程中使得井壁更加规则，提高了井眼质量。

(4)本发明钻头采用扩眼钻头与领眼钻头组合的形式，实现钻井过程中井底结构的变化，改变了井底应力场，提前释放地层应力，提高了钻进速度。

(5)本发明钻头在钻井过程中，其操作施工与常规钻井完全相同，对地面设施、钻井管柱、井下动力钻具及工具都无特殊要求，有利于钻头的推广和使用。

附图说明

图1为本发明钻头的结构示意图。

图2为本发明钻头的a-a剖面图。

图3为本发明钻头的b-b剖面图。

图4为本发明扭矩传动装置的结构示意图。

图5为本发明钻头的扩眼钻头结构示意图。

1、扭矩传动装置，101、转动件，102、传动件，103、止动件，104、限位件，105、分流腔，106、主分流孔，107、次分流孔，108、流通通道，109、止推轴承限位面，110、轴承座限位面，111、整流腔，112、第一密封件，113、第二密封件，114、第三密封件，2、扩眼钻头，201、扩眼钻头接头，202、扩眼钻头冠部，203、接头螺纹，204、卸扣槽，205、扩眼钻头喷嘴流道，206、扩眼钻头喷嘴，207、扩眼钻头刀翼，208、扩眼钻头切削齿，209、弹性件放置腔，3、领眼钻头，301、领眼钻头接头，302、领眼钻头冠部，303、领眼钻头刀翼，304、领眼钻头切削齿，305、领眼钻头喷嘴，4、止推轴承，5、轴承座，6、弹性件。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，自适应扭矩平衡钻头的长度方向为安装后的竖向；术语“内”、“外”、“上”、“中”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1、图2、图4，本发明一实施例，提供了一种自适应扭矩平衡钻头，包括扩眼钻头2和领眼钻头3，所述扩眼钻头2包括扩眼钻头接头201和与扩眼钻头接头201连接的扩眼钻头冠部202，领眼钻头3安装于扩眼钻头冠部202内，并突出于扩眼钻头冠部202，扩眼钻头接头201与扩眼钻头冠部202连接形成的内部空腔内安装有扭矩传动装置1，所述扭矩传动装置1包括转动件101和与所述转动件101固接的传动件102，所述传动件102与所述领眼钻头3连接，所述转动件101上设有至少一个止动件103，所述扭矩传动装置1还包括与所述止动件103配合的限位件104，所述限位件104设于所述扩眼钻头冠部202；所述止动件103与所述扩眼钻头冠部202之间设有与所述止动件103配合使用的用于传递部分领眼钻头破岩扭矩、缓冲扭矩波动的弹性件6。

本发明上述实施例所述自适应扭矩平衡钻头，采用扭矩传动装置和弹性件实现钻进过程中扭矩的自动吸收与释放，减缓甚至避免钻井过程中粘滑现象产生的扭转冲击振动，达到吸收钻进过程中的无效振动、进而保护钻头与底部钻具组合的目的；并通过领眼钻头与扩眼钻头的尺寸差异实现钻井过程中井底结构的变化以提前释放地层应力，加快钻进速度。

参见图2，作为上述实施例自适应扭矩平衡钻头的优选设计，所述扩眼钻头冠部202内壁上设有用于放置所述弹性件6的弹性件放置腔209。弹性件放置腔209用于限制弹性件6的位置。作为优选方案，所述弹性件6为机械弹簧或液力弹簧，作为替代方案，还可以为其他具有弹性功能的部件或者具有液压阻尼作用的元件。

作为上述实施例自适应扭矩平衡钻头的优选设计，所述扩眼钻头为pdc钻头、牙轮钻头、金刚石钻头中的任意一种，所述领眼钻头为pdc钻头、牙轮钻头、金刚石钻头中的任意一种，所述扩眼钻头与所述领眼钻头任意搭配形成不同种类的组合式钻头。例如：领眼pdc钻头与扩眼pdc钻头组合、领眼pdc钻头与扩眼牙轮钻头组合、领眼牙轮钻头与扩眼pdc钻头、领眼牙轮钻头与扩眼牙轮钻头等，共可以形成9种不同的组合方式。

继续参见图4，所述转动件101内设有分流腔105，所述转动件101上设有用于钻井液流通的一个主分流孔106和多个次分流孔107，所述传动件102内设有与所述主分流孔106连通的用于钻井液流通的流通通道108。进入转动件101内的钻井液经过分流腔105分流，一部分由主分流孔106进入传动102内的流通通道108，一部分由次分流孔107进入扩眼钻头冠部202。

作为上述实施例自适应扭矩平衡钻头的优选设计，所述止动件103为多个时，均布在所述转动件101的外表面，止动件的数量根据钻头所遇地层性质的差异设置为两个或多个。作为优选方案，继续参见图4，所述止动件103设有两个，对称分布在转动件101的外表面，为弧状结构突起；所述限位件104的形状与所述止动件103的形状互补，为弧状结构腔体，所述止动件103放置于限位件104内，两者配合工作，可以进行一定角度的往复旋转。继续参见图4，所述弹性件放置腔209设于限位件104的内部，所述弹性件放置腔209的形状为与所述限位件104相同的弧状结构，且所述弹性件放置腔209的弧度大于所述所述限位件104的弧度，所述止动件103穿过所述弹性件放置腔209与所述限位件104配合使用，用于传递领眼钻头钻进过程中的破岩扭矩，所述弹性件6放置于所述止动件103的两侧，与所述止动件103配合使用，用于吸收钻进过程中的无效扭转冲击振动。

继续参见图1、图4，对上述实施例自适应扭矩平衡钻头进一步设计，所述转动件101与所述扩眼钻头冠部202之间设有止推轴承4，所述转动件101上设有与止推轴承4配合的止推轴承限位面109。止推轴承4承受转动件101在轴向上所施加的压力，并为转动件101在沿轴线的旋转运动减小阻力。

继续参见图1、图4，对上述实施例自适应扭矩平衡钻头进一步设计，所述转动件101与所述扩眼钻头冠部202之间还设有用于支撑止推轴承4的轴承座5，所述轴承座5上设有轴承座支撑面(图中未示出)，所述转动件101上设有与轴承座支撑面配合的轴承座限位面110。轴承座5用于支撑止推轴承4，并固定止推轴承4的位置，承受来自止推轴承4轴向上的压力，轴承座限位面110与轴承座支撑面相配合，起到固定轴承座5的作用。轴承座5与转动件101、止推轴承限位面109以及扩眼钻头冠部202相配合形成用于安装止推轴承4的止推轴承安装腔(图中未示出)，保证止推轴承4不产生径向与轴向的滑动，只能产生沿轴线的旋转运动。作为本实施例的优选方案，所述轴承座5为具有一定厚度的圆环，轴承座的厚度可以根据止推轴承4轴向上的压力选择。

继续参见图4，对上述实施例自适应扭矩平衡钻头优选设计，所述轴承座限位面110位于所述止推轴承限位面109的下方，且所述轴承座限位面110的直径小于所述止推轴承限位面109。

继续参见图4，所述转动件内所述次分流孔开设于所述轴承座限位面110上。继续参见图1，所述主分流孔106和所述次分流孔107均与所述分流腔105连通。作为优选方案，所述分流腔105为圆柱状空腔，流经上部钻具组合的全部钻井液均需在分流腔进行整合分流。具体地说，将流经本发明自适应扭矩平衡钻头的钻井液进行分流，一部分由主分流孔流106经领眼钻头至环空，另一部分由次分流孔107流经扩眼钻头至环空完成循环。

继续参见图1，对上述实施例自适应扭矩平衡钻头优选设计，所述扩眼钻头冠部202、所述转动件101以及所述轴承座5三者安装配合后形成整流腔111，用于将所述次分流孔107中的钻井液进行整合输入到所述扩眼钻头2的流道中。

继续参见图1、图4，对上述实施例自适应扭矩平衡钻头进一步设计，所述转动件101上依次设有第一密封件112、第二密封件113，所述第一密封件112位于所述止动件103的上方，所述第二密封件113位于所述止动件103的下方；所述传动件102上设有第三密封件114。第一密封件112用于防止钻井液从上部钻头中心通孔流入限位件104和弹性件放置腔209中。第二密封件113为动密封，用于防止流入扩眼钻头冠部202的钻井液回流入限位件104和弹性件放置腔209中。第三密封件114为动密封，用于阻隔经整流腔111流入扩眼钻头冠部202的钻井液直接与井筒中的钻井液混合，实现钻头的内部密封。

继续参见图1、图4，对上述实施例自适应扭矩平衡钻头优选设计，所述传动件102为圆柱状中空轴，位于设于扩眼钻头冠部202的传动件通孔(图中未示出)内，传动件通孔对传动件起到支撑限位的作用。所述传动件102的上部与转动件101连接为一体，下部通过螺纹与所述领眼钻头3连接，并为领眼钻头3提供钻进过程中的钻压与扭矩。

继续参见图1以及图3、图5，对本发明上述实施例自适应扭矩平衡钻头优选设计，扩眼钻头2包括上部的扩眼钻头接头201和下部的扩眼钻头冠部202。扩眼钻头接头201外侧上部设有用于连接上部钻具组合的接头螺纹203，中部设有卸扣槽204，用于拆装钻头并提供钻进工程中的钻头扭矩，下部设有扩眼钻头接头201与扩眼钻头冠部202连接的螺纹连接面(图中未示出)。扩眼钻头接头201内侧自上而下依次为：用于为钻井液提供过流空间的钻井液流道，用于为扭矩传动装置提供轴向力支撑及固定作用的扭矩传动装置限位面(图中未示出)。扩眼钻头冠部202顶端为扩眼钻头冠部202与扩眼钻头接头201连接的扩眼钻头冠部连接面(图中未示出)，扩眼钻头冠部连接面以下为钻头冠；扩眼钻头冠部连接面与扩眼钻头接头201的下部螺纹连接面形状互补，实现扩眼钻头冠部202与扩眼钻头接头201的螺纹连接。扩眼钻头冠部202外侧均布有数量、形状随所钻地层特性而变化的扩眼钻头刀翼207，扩眼钻头刀翼208上分布有数量、尺寸随所钻地层特性而变化的扩眼钻头切削齿208。扩眼钻头冠部202内侧上端圆孔至扩眼钻头冠部202底端扩眼钻头刀翼207根部开有扩眼喷嘴流道205，扩眼喷嘴流道205底端安装有扩眼钻头喷嘴206。由于扩眼钻头冠部202的特征会随着随所钻地层的地质特征和工程需要做出相应的改变，设于扩眼钻头冠部202上的扩眼钻头喷嘴流道205、扩眼钻头喷嘴206、扩眼钻头刀翼207和扩眼钻头切削齿208的形状、尺寸和数量都会随着扩眼钻头冠部202变化而变化。作为优选方案，所述扩眼钻头喷嘴206可以是普通射流喷嘴，也可以安装旋转射流、空射射流等高性能辅助破岩喷嘴，以使其性能达到最佳。

继续参见图1，对本发明上述实施例自适应扭矩平衡钻头优选设计，领眼钻头3上部的领眼钻头接头301和下部的领眼钻头冠部302，接头与领眼钻头冠部连接为一体。领眼钻头接头301外侧的上部设有用于与所述传动件102连接的连接螺纹(图中未示出)，领眼钻头接头301内侧设有钻井液流道，用于为钻井液提供过流空间。领眼钻头冠部302形状根据地层特征变化，与常规钻头设计方法相同；领眼钻头冠部302内侧上端为钻井液过流孔，领眼钻头冠部302上布有数量不等能够使钻头钻进过程自平衡的领眼钻头刀翼303，领眼钻头刀翼303上分布有用于切削破碎地层的领眼钻头切削齿304；领眼钻头冠部302内侧上端钻井液过流孔与领眼钻头刀翼303根部间开有钻头喷嘴流道，领眼钻头喷嘴流道底端安装有领眼钻头喷嘴305；领眼钻头刀翼303、领眼钻头切削齿304、领眼钻头喷嘴305的数量与所钻地层的特性密切相关，需要进行个性化设计，其设计方法与常规钻头相同。

将上述实施例所述自适应扭矩平衡钻头的领眼钻头更换为小直径实施例所述自适应扭矩平衡钻头构成三级自适应扭矩平衡钻头；依照上述方式，将三级自适应扭矩平衡钻头的领眼钻头更换为更小直径的实施例所述自适应扭矩平衡钻头，可形成四级自适应扭矩平衡钻头。根据该方法可以构造出多级自适应扭矩平衡钻头。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。