专利名称：自适应混合钻头的制作方法
技术领域：
本发明属于石油钻探设备领域，尤其涉及一种石油天然气开采及其它钻探使用的钻头。
背景技术：
目前在石油天然气钻井中主要用的是三牙轮钻头和金刚石钻头(PDC钻头)。金刚石钻头(PDC钻头)其破岩机理为刮削破岩，因此在其钻进速度快的优势下也存在不适应于硬地层、软硬交错的夹层地层以及砾石地层的缺点。然而牙轮钻头其破岩机理为压碎、小位移刮削，其特点在于能适应高硬度地层和以及复杂地层，但其破岩效率低、钻进速度慢。根据两种钻头的不同特点。于是人们开始发展另外一种形式的钻头——混合式钻头。它直接将PDC钻头和牙轮钻头集成到一起，融合了牙轮钻头的适合各种地层和PDC钻头钻进速度快的特点。但是如果将两种钻头刚性的联接在一起，两种钻头各承担多少钻压？是未知数。 而且不能根据地层岩性调节牙轮和刀翼上的钻压分配，这些问题如不能解决很大程度上影响钻头的破岩效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能缓解和弥补以上不足的一种自适应混合钻头，能自适应调节牙轮和刀翼上的钻压分配，确保钻头能与地层岩石多点稳定接触，保证压碎作用与刮削作用的更好配合；避免切削元件受到较大的冲击而碎裂，起到延长钻头寿命的作用。本发明目的通过下述技术方案来实现
一种自适应混合钻头，包括混合式钻头，其钻头本体上同时设有牙轮和刀翼，所述牙轮和刀翼交错均布设置，所述牙轮设于钻头本体上的牙掌上，还包括活动置于所述钻头本体内，只可在受限范围内沿轴向伸缩运动的可动刀翼体，所述可动刀翼体与钻头本体间还设有为可动刀翼体提供轴向力的弹性元件，所述刀翼设于所述可动刀翼体前端，所述可动刀翼体末端设有承受泥浆压力的受压面。作为优选方式，所述牙掌的侧面限制可动刀翼体与钻头本体的相对转动，所述牙掌的侧面还设有用以限制可动刀翼体沿轴向来回伸缩运动的距离范围的凸起的限位销。作为优选方式，所述可动刀翼体前端设有喷嘴，其内设有连通喷嘴和所述受压面的泥浆通道。作为优选方式，所述弹性元件为弹簧。作为优选方式，所述弹簧为螺旋弹簧，其套于可动刀翼体上。或者，所述弹簧为蝶形弹簧、橡胶弹簧或金属橡胶，其放置于可动刀翼体与钻头本体形成的内腔里。工作过程为钻头本体的转动使牙轮破岩，破岩机理为压碎作用、小位移刮削作用。牙掌将由钻柱传送来的转矩部分传递给可动刀翼体，进而通过可动刀翼体上的刀翼对岩层进行刮削破碎。
这种混合设计充分利用了刀翼金刚石钻头(PDC钻头)与牙轮钻头各自在不同种类岩层的优势。在硬地层，泥浆对可动刀翼体的受压面的压力与弹性元件对可动刀翼体作用力之和不能充分满足可动刀翼体破坏硬地层所需钻压，可动刀翼体的破岩量降低，可动刀翼体相对于牙轮向钻进反方向运动，这使得牙轮承担主要破岩任务。在软地层，泥浆对可动刀翼体的受压面的压力与弹性元件对可动刀翼体的作用力之和能充分满足可动刀翼体破坏软地层所需钻压，可动刀翼体的破岩速度加快，可动刀翼体相对于牙轮向钻进的方向运动，这时可动刀翼体承担主要破岩任务。本发明的有益效果与现有的牙轮与刀翼固定的混合钻头相比，本发明利用弹性元件的弹性，调节混合式钻头的牙轮与刀翼破碎岩石的作用力。这种根据受力自适应地控制牙轮与刀翼的相对位置的设计很大程度上优化了牙轮和刀翼之间破岩量的分配，使破岩速度更快，适用性更广。除此之外这种自适应设计还将一般钻头与岩层的硬性冲击优化为柔性冲击极大的保护了钻头自身。
图1是本发明实施例1的剖视图； 图2是本发明实施例1的爆炸视图； 图3是本发明实施例1的结构示意图中1.牙轮，2.可动刀翼体，3.钻头本体，4.螺旋弹簧，5.螺纹，6.受压面，7.为轴承提供润滑油的压力平衡式的装置，8.泥浆通道，9.喷嘴，10.牙齿，11.金刚石复合片，12.限位销，13.刀翼，14.牙掌。
具体实施例方式下列非限制性实施例用于说明本发明。实施例1
如图1至3所示，一种自适应混合钻头，其钻头本体3末端设有与钻杆连接的螺纹5， 前端设有三爪式牙掌14，牙掌14与牙轮1通过滑动轴承连接，并可绕其自身轴线转动，牙轮 1上均镶装有牙齿10，牙轮1之间为三道刀翼13，刀翼13上有金刚石复合片11。本自适应混合钻头牙轮1和刀翼13数量并不限制，优选均为2、3或4个，只需牙轮1和刀翼13交错均布设置。在钻头本体3上还有为轴承提供润滑油的压力平衡式的装置7。还包括活动置于钻头本体3内，只可在受限范围内沿轴向来回伸缩运动的可动刀翼体2，可动刀翼体2可在钻头本体3内沿钻进方向滑动，但其不可绕钻头主轴转动。可动刀翼体2与钻头本体3 间还设有为可动刀翼体2提供轴向力的弹性元件，弹性元件优选为弹簧，如本实施例所示， 弹簧为螺旋弹簧4，其套于可动刀翼体2上。刀翼13设于可动刀翼体2前端，可动刀翼体2 末端设有承受泥浆压力的受压面6。可动刀翼体2露出钻头本体3前端的部分整体呈“凸” 字形，其底部两翼抵靠牙掌14侧面，从而牙掌14的侧面限制可动刀翼体2与钻头本体3的相对转动，牙掌14的侧面还设有用以限制可动刀翼体2沿轴向来回伸缩运动距离范围的凸起的限位销12，可动刀翼体2前端“凸”字形部分底部两翼在向前运动到一定距离时被该限位销12阻挡从而达到限制伸缩距离的目的。可动刀翼体2前端设有喷嘴9，其内设有连通喷嘴9和所述受压面6的泥浆通道8。
牙轮1的转动使各牙齿10循环破岩，破岩机理为压碎作用、小位移刮削作用。钻头本体3将由钻柱传送来的转矩部分传递给可动刀翼体2，进而通过刀翼13上的金刚石复合片11对岩层进行刮削破坏。这种混合设计充分利用了刀翼金刚石钻头(PDC钻头)与牙轮转头各自破碎不同类型岩层的优势。由于泥浆对受压面6的压力和弹簧4对可动刀翼体2的作用力之和是在一个小范围内变化的。并且可动刀翼体2与牙轮1的相对位置不固定，而是由其各自所受岩层作用力而变化的。在硬地层，泥浆对可动刀翼体2的受压面6的压力与弹簧4对可动刀翼体2的作用力之和不能充分满足可动刀翼体2破坏硬地层所需钻压，可动刀翼体2的破岩速度减慢， 可动刀翼体2相对于牙轮1向钻进的反方向运动，牙轮1承担主要破岩任务。在软地层，泥浆对可动刀翼体2的受压面6的压力与弹簧4对可动刀翼体2的作用力之和能充分满足可动刀翼2体破坏软地层所需钻压，可动刀翼体2的破岩速度加快，可动刀翼体2相对于牙轮1向钻进的方向运动，这时可动刀翼体2承担主要破岩任务。实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，其中弹性元件为碟形弹簧。实施例3:
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，其中弹性元件为橡胶弹簧。实施例4
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于，其中弹性元件为金属橡胶。如上所述，弹性元件并不仅限于上述各实施例，其只要是能满足本发明所需的为可动刀翼体提供合适的轴向力的机件即可。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种自适应混合钻头，包括混合式钻头，其钻头本体上同时设有牙轮和刀翼，所述牙轮和刀翼交错均布设置，所述牙轮设于钻头本体上的牙掌上，其特征在于还包括活动置于所述钻头本体内，只可在受限范围内沿轴向伸缩运动的可动刀翼体，所述可动刀翼体与钻头本体间还设有为可动刀翼体提供轴向力的弹性元件，所述刀翼设于所述可动刀翼体前端，所述可动刀翼体末端设有承受泥浆压力的受压面。
2.如权利要求1所述的自适应混合钻头，其特征在于所述牙掌的侧面限制可动刀翼体与钻头本体的相对转动，所述牙掌的侧面还设有用以限制可动刀翼体沿轴向来回伸缩运动距离范围的凸起的限位销。
3.如权利要求1所述的自适应混合钻头，其特征在于所述可动刀翼体前端设有喷嘴， 其内设有连通喷嘴和所述受压面的泥浆通道。
4.如权利要求1、2或3所述的自适应混合钻头，其特征在于所述弹性元件为弹簧。
5.如权利要求4所述的自适应混合钻头，其特征在于所述弹簧为螺旋弹簧，其套于可动刀翼体上。
6.如权利要求4所述的自适应混合钻头，其特征在于所述弹簧为蝶形弹簧、橡胶弹簧或金属橡胶，其放置于可动刀翼体与钻头本体形成的内腔里。
全文摘要
本发明公开了一种石油天然气开采及其它钻探使用的混合式钻头，其钻头本体上同时设有牙轮和刀翼，所述牙轮和刀翼交错均布设置，所述牙轮设于钻头本体上的牙掌上，还包括活动置于所述钻头本体内，只可在受限范围内沿轴向伸缩运动的可动刀翼体，所述可动刀翼体与钻头本体间还设有为可动刀翼体提供轴向力的弹性元件，所述刀翼设于所述可动刀翼体前端，所述可动刀翼体末端设有承受泥浆压力的受压面。本发明能根据受力自适应地控制牙轮与刀翼的相对位置，优化了牙轮和刀翼之间破岩量的分配，使破岩速度更快，适用性更广。除此之外这种自适应设计还将一般钻头与岩层的硬性冲击优化为柔性冲击极大的保护了钻头自身。
文档编号E21B10/50GK102561953SQ201210015420
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者况雨春, 张云光, 邓嵘 申请人:西南石油大学