钻头短节的制作方法

本实用新型涉及油气钻采技术领域，尤其涉及一种钻头短节。

背景技术：

在水平井钻井过程中，在水平井段由于钻柱的重力作用，钻柱与井壁之间的间隙上宽下窄，窄间隙处的流速较小，加上岩屑的重力作用，使岩屑在下井壁沉积且不易清除，形成岩屑床。岩屑床既增大了钻柱与井壁之间圆周方向的摩擦阻力，使钻柱的转速降低，也增大了钻柱与井壁之间轴向的摩擦阻力，使钻头处施加不上钻压，造成钻头粘滑或者卡钻、蹩钻等问题，严重影响钻井效率。

在现有的水平钻井过程中，往往采用“倒桩钻具”的方式，即：将壁厚、重力和刚度更大的钻杆或钻铤安装在靠近井口位置，也就是安装在钻柱的垂直段，利用钻杆或钻铤自身的重力为水平段的钻柱提供附加的轴向力以抵消钻柱轴向方向的摩擦阻力，避免产生拖压。

但是，“倒桩钻具”的钻柱与岩屑床圆周方向依然存在较大的摩擦阻力，从而同样会出现钻头粘滑或者卡钻、蹩钻等问题。

技术实现要素：

本实用新型提供一种钻头短节，以实现钻头的轴向和周向振动，避免钻头出现粘滑现象。

本实用新型提供一种钻头短节，包括：上接头、下接头、导向件和弹性件；上接头的内壁设置有上凸台以及下凸台，上凸台和下凸台之间形成容纳导向件的容纳腔；容纳腔的内侧壁形成有多个导向筋，相邻两个导向筋之间形成导向槽；导向筋的底部形成引导斜面；导向件包括：顶壁以及与顶壁连接的侧壁；顶壁与上凸台抵接，且顶壁上设置有主流孔；侧壁上形成有副流孔以及容纳在导向槽的下抵接部；下接头的顶端设置有上棘轮，上棘轮的棘齿容纳在导向槽内并与下抵接部抵接；顶端往容纳腔的内侧壁方向延伸形成有凸缘，凸缘和下凸台之间设置弹性件；下抵接部能够在导向槽内滑动，以驱动上棘轮的棘齿与引导斜面接触或分离，从而开启或者关闭副流孔的引流作用。

如上所述的钻头短节，其中，副流孔为多个，沿侧壁的周向间隔设置。

如上所述的钻头短节，其中，侧壁的一部分与容纳腔的内侧壁之间具有间隙，副流孔开设在部分上。

如上所述的钻头短节，其中，副流孔开设在下抵接部的顶面上。

如上所述的钻头短节，其中，导向筋设置有泄流槽，副流孔开设在侧壁面向泄流槽的位置。

如上所述的钻头短节，其中，每一个泄流槽均对应开设有一个副流孔。

如上所述的钻头短节，其中，下抵接部包括与上棘轮啮合的下棘轮。

如上所述的钻头短节，其中，上接头和下接头之间还设置有密封机构，密封机构位于下凸台的下方。

如上所述的钻头短节，其中，密封机构包括在上接头的内壁或者下接头的外壁上开设的环形槽，以及安装在环形槽内的密封环。

如上所述的钻头短节，其中，上接头与钻杆固定连接，下接头与钻头固定连接。

本实用新型钻头短节通过导向件的主流孔产生的压力差使得导向件可以沿上接头的导向槽向下滑动，进而通过抵接的下抵接部和上棘轮推动下接头向下滑动，产生轴向振动；通过副流孔的引流作用和弹性件的弹力，使得下接头的棘齿沿导向筋的引导斜面旋转向上滑动，产生圆周方向的振动。本实用新型钻头短节产生轴向和圆周方向的周期性振动可以有效减小钻柱和岩屑床轴向和圆周方向的摩擦阻力，避免钻头出现粘滑或者卡钻、蹩钻，进而提高了钻井效率。

附图说明

图1为本实用新型钻头短节剖视图；

图2为本实用新型上接头剖视图；

图3为本实用新型导向件结构示意图；

图4为本实用新型下接头结构示意图；

图5为本实用新型下接头剖视图。

附图标记说明：

100：上接头； 110：上凸台；

120：下凸台； 130：容纳腔；

131：导向筋； 132：导向槽；

133：引导斜面； 134：泄流槽；

140：环形槽； 150：外螺纹；

200：导向件； 210：顶壁；

211：主流孔； 220：侧壁；

221：副流孔； 222：下抵接部；

223：下棘轮； 224：导轨；

300：下接头： 310：上棘轮；

311：棘齿； 312：凸缘；

313：连接端； 320：中心流孔；

330：内螺纹； 400：弹性件；

500：密封环。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，本实用新型不局限于下述的具体实施方式。

需要说明的是，在本实用新型中，方位“上”指示的是靠近钻杆一端的位置，方位“下”指的是靠近钻头一端的位置。

图1为本实用新型钻头短节剖视图；图2为本实用新型上接头剖视图；图3为本实用新型导向件结构示意图；图4为本实用新型下接头结构示意图；图5为本实用新型下接头剖视图。

请结合图1至图5，本实施例提供一种钻头短节，包括：上接头100、下接头300、导向件200和弹性件400；上接头100的内壁设置有上凸台110以及下凸台120，上凸台110和下凸台120之间形成容纳导向件200的容纳腔130；容纳腔130的内侧壁形成有多个导向筋131，相邻两个导向筋131之间形成导向槽132；导向筋131的底部形成引导斜面133；导向件200包括：顶壁210以及与顶壁连接的侧壁220；顶壁210与上凸台110抵接，且顶壁210上设置有主流孔211；侧壁220上形成有副流孔221以及容纳在导向槽132的下抵接部222；下接头300的顶端设置有上棘轮310，上棘轮310的棘齿311容纳在导向槽132内并与下抵接部222抵接；顶端往容纳腔130的内侧壁方向延伸形成有凸缘312，凸缘312和下凸台120之间设置弹性件400；下抵接部222能够在导向槽132内滑动，以驱动上棘轮310的棘齿311与引导斜面133接触或分离，从而开启或者关闭副流孔221的引流作用。

具体地，参照图1和图2，上接头100的内壁设置有上凸台110，用于限制导向件200，上凸台110可以是单独设置的零件与上接头100的内壁固定连接，也可以是与上接头100一体成形。上接头100的内壁还设置有下凸台120，用于与下接头300配合以限制弹性件400，下凸台120可以是通过焊接、卡接等固定在上接头100的内壁；或者，上接头100可以包括设置有上凸台110的上部分和设置有下凸台120的下部分，两者通过螺纹或者卡接等方式固定连接到一起。上凸台110和下凸台120形成有容纳腔130，容纳腔130的内侧壁形成有多个导向筋131，相邻两个导向筋131之间形成导向槽132，导向筋131可以是两个或者四个、六个等，本实用新型不作具体限定。每一个导向筋131的底部形成引导斜面133，用于引导下接头300的棘齿311滑动。为了使棘齿311能够顺畅的沿引导斜面133滑动，引导斜面133的斜面与轴向方向的夹角可以是[30°，60°]，本实施例优选45°。当然，引导斜面133可以向右倾斜，也可以向左倾斜，本实用新型不作具体限定。

参照图1和图3，导向件200包括顶壁210以及与顶壁210连接的侧壁220，本实施例优选顶壁210与侧壁220通过锻造或者铸造等一体成形，但本实用新型不以此为限。顶壁210与上凸台110抵接，且顶壁210上设置有主流孔211，使得钻井液由主流孔211向钻头方向流通。其中，主流孔211可以是圆孔或者椭圆孔，也可以方形孔、多边形孔或者其他不规则形状的孔，本实用新型在此不做限制。侧壁220上形成有副流孔221和下抵接部222，副流孔221与容纳腔130的内侧壁之间具有相连通的通道，例如容纳腔130的内侧壁与副流孔221之间具有间隙，可以使得钻井液由副流孔221向钻头方向流动。下抵接部222包括导轨224，导轨224容纳在导向槽132中，引导导向件200的上下滑动。下抵接部222通过导轨224可以在导向槽132内滑动，从而带动导向件200上下滑动，使副流孔221开启或者关闭，钻井液可以间歇性从副流孔221流通。

参照图1、图4和图5，下接头300中间设置有中心流孔320，使高压钻井液经过中心流孔320流向钻头。下接头300的顶端设置有上棘轮310，上棘轮310包括棘齿311和连接端313，棘齿311通过连接端313与下接头300连接，棘齿311容纳在导向槽132内并于下抵接部222抵接，导向件200通过下抵接部222推动棘齿311沿导向槽132向下滑动。为了能够使棘齿311在与引导斜面133接触时顺畅的滑动，优选地，棘齿311设置有斜面，斜面的倾斜角度可以与引导斜面133的倾斜角度一致，也可以不一致。本实用新型对棘齿的具体结构不作限制。下接头300的顶端往上接头100的内壁方向延伸形成有凸缘312，凸缘312与连接端313一体成形，凸缘312与下凸台120之间设置弹性件400，凸缘312与下凸台120相配合限制弹性件400上下移动。

弹性件400设置在凸缘312和上凸台110之间，可以是橡胶件，也可以是螺旋弹簧，本实用新型不作具体限制。

为了保证副流孔211可以正常的开启或者关闭实现引流作用，本实施例中主流孔211、副流孔221、导向件200的滑动行程与弹性件400的刚度之间可以参照如下公式进行设置，当然本领域技术人员也可以采用其他合适的方式计算得到上述几者之间的相互关系：

其中，K为弹性件400的刚度，P为泥浆泵泵压，A₁为主流孔211的面积，A₂为副流孔221的面积，L为导向件200的行程距离。

为了便于理解，下面结合具体的参数对本实用新型工作原理进行详细描述。首先，需要说明的是，在钻井过程中，钻杆和钻头同时做旋转运动和轴向的前进运动。结合图1至图5，初始状态时，导向件200的上表面抵接上凸台110的下表面，副流孔221关闭。而导向件200的主流孔211横截面积A₁小于钻杆流道的面积，泵压为P的高压钻井液在导向件200的顶壁210两侧形成压差，在压力作用下，导向件200的下抵接部222沿上接头100的导向槽132向下滑动，通过与下抵接部222抵接的棘齿311推动下接头300向下滑动，与此同时，凸缘312和上凸台110之间的弹性件400被压缩。在该过程中，由于上接头100的导向筋131圆周方向的阻碍作用，下接头300的上棘轮310并没有发生旋转运动，与上接头100保持一样的转速。当到导向件200滑动距离超过行程距离L时，此时，下接头300的棘齿311越过上接头100的导向筋131底部引导斜面133的最下端的尖头，上棘轮310不再受导向筋131圆周方向的限制，同时，导向件200的副流孔221开启，一部分高压钻井液通过副流孔221向下流动，相当于增大了主流孔211的过流面积，导向件200的顶壁210的两侧形成的压力差下降，被压缩的弹性件400延伸，弹性作用力通过下接头300的凸缘312推动上棘轮310的棘齿311沿引导斜面133旋转向上滑动，直至弹性件400复位，导向件200恢复至初始状态，副流孔221关闭，完成一个动作周期。导向件200的顶壁210两侧的压力又逐渐增加，进入下一个旋转周期。

本实施例钻头短节通过导向件的主流孔产生的压力差使得导向件可以沿上接头的导向槽向下滑动，进而通过抵接的下抵接部和上棘轮推动下接头向下滑动，产生轴向振动；通过副流孔的引流作用和弹性件的弹力，使得下接头的棘齿沿导向筋的引导斜面旋转向上滑动，产生圆周方向的振动。本实施例钻头短节产生轴向和圆周方向的周期性振动可以有效减小钻柱和岩屑床轴向和圆周方向的摩擦阻力，避免钻头出现粘滑或者卡钻、蹩钻，进而提高了钻井效率。

进一步地，副流孔221为多个，沿侧壁220的周向间隔设置。具体地，副流孔221可以设置2个或者4个等，副流孔221可以是圆形或者椭圆形，也可以是多边形或者不规则形状等，本实用新型对副流孔的个数及形状不作限制。为了加工方便，本实施例副流孔221优选圆形孔。当然，在设置多个副流孔221的实施例中，弹性件400刚度K的计算公式中，副流孔221的的面积A₂是多个副流孔221的面积之和。

为了实现副流孔的引流作用，侧壁220的一部分与容纳腔130的内壁之间具有间隙，副流孔221开设在该部分上。具体地，侧壁220与容纳腔130的内壁之间具有间隙，可以是容纳腔130设置有凹槽部，与侧壁220之间具有间隙，也可以是侧壁220设置有凹槽部，使得侧壁220的一部分与容纳腔130的内壁之间具有间隙。副流孔221开设在具有间隙的部分上，通过该间隙使高压钻井液通过间隙流入副流孔，实现副流孔的引流作用。

在一个实施例中，副流孔221开设在下抵接部222的顶面上。具体地，副流孔221开设在下抵接部222的导轨224的上方，导轨224容纳在导向槽132内，可以沿导向槽132滑动，相应的，导向槽132的上端与上凸台110的距离为L，当导向件200向下滑动超过行程距离L时，高压钻井液依次通过导向槽132和副流孔221，与主流孔211流过的高压钻井液汇合，开启副流孔的引流作用，减少导向件200的顶壁210两侧的压力，使得下接头300可以在弹性件400的作用下，沿引导斜面133旋转向上运动。

在另外一个实施例中，导向筋131设置有泄流槽134，副流孔221开设在侧壁220面向泄流槽134的位置。具体地，导向筋131自上凸台110沿容纳腔130轴向向下延伸，导向筋131设置有多个，相邻两个导向筋131之间形成导向槽132，在导向筋131和相邻的导向槽132的底端形成有引导斜面133。泄流槽134设置在导向筋131上，泄流槽134的上端与上凸台110的距离为L，泄流槽134的轴向长度可以占导向筋131长度的三分之二，但本实用新型不以此为限。当导向件200向下滑动超过行程距离L时，高压钻井液依次通过泄流槽134和副流孔221，与主流孔211流过的高压钻井液汇合，开启副流孔的引流作用，减少导向件200的顶壁210两侧的压力，使得下接头300可以在弹性件400的作用下，沿引导斜面133旋转向上运动。泄流槽134设置有多个，可以和副流孔221一一对应，也可以一个泄流槽134对应多个副流孔221，或者将副流孔221沿导向件200的侧壁220的圆周方向设置成弧形孔，使多个泄流槽134对应一个副流孔。

在上述是实施例的基础上，为了加工方便，避免开设过多的泄流槽增加加工难度、降低结构强度，每一个泄流槽134均对应开设有一个副流孔221。例如，作为一个可选的实施例，容纳腔130的内壁沿圆周方向设置有八个导向筋131，相应的形成八个导向槽132，四个引导斜面133。在每隔一个导向筋131设置一个泄流槽，共设置有四个泄流槽，相应的，沿导向件200的侧壁220的圆周方向、面向泄流槽134的位置开设有四个副流孔221。导向筋和导向槽、泄流槽和副流孔的数目不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置。

请继续参照图3，下抵接部222包括与上棘轮310啮合的下棘轮223。为了使棘齿311越过引导斜面133最下面的尖端后顺利沿引导斜面133滑动，本实施例下抵接部222下端设置有下棘轮223，与上棘轮310相啮合。下棘轮223下端的导向边轨迹S可以参照计算得到，当然也可以采用其他合适的计算公式计算得到。其中，S为导向边轨迹，A为轨迹峰值，为初始相位，范围为[0°，90°]。本实施例可选轨迹峰值A为12，ω为16π，初始相位为25°，形成如图3所示的正弦导向边。此时，在初始状态下，导向件200与上凸台110抵接，副流孔221的引流作用关闭，下接头300上棘轮310的棘齿311的侧边被导向筋131阻碍，棘齿311的斜面与下棘轮223导向边的斜面相接触，并没有到达导向边的底端。当下接头300的棘齿311越过上接头100导向筋131底部引导斜面133的最下端的尖头，上棘轮310不再受导向筋131圆周方向的限制，上棘轮310的棘齿311沿着导向边的斜面旋转向上滑动，由于导向边的旋转导向作用，相当于给棘齿311一个初始滑动力，使得棘齿311能够更顺畅的沿着引导斜面133旋转向上滑动。本实用新型中导向边的轨迹不以此为限制，本领域技术人员可以根据实际情况设置。当然，下棘轮223下端的导向边轨迹S也可以根据余弦函数进行设计。

参照图1，为了防止高压钻井液向上接头和下接头之间的空腔泄露，上接头100和下接头300之间还设置有密封机构，密封机构位于下凸台120的下方。具体地，为了防止井壁与上接头、下接头的环空中的钻井液进入容纳弹性件400的空腔，在下凸台120的下方设置有密封结构。当然，为了防止流入副流孔的高压钻井液向下渗漏入容纳弹性件400的空腔，在下接头300的凸缘312与上接头100的容纳腔130的内壁接触的部分设置有密封结构。

进一步地，密封机构包括在上接头100的内壁或者下接头300的外壁上开设的环形槽140，以及安装在环形槽140内的密封环500。具体地，在上接头100的下凸台120的下端设置有环形槽140，密封环500安装在环形槽140内；或者，在下接头300的外壁上开设环形槽，将密封环500安装在环形槽内，实现密封。密封环可以是橡胶密封环，也可以是铜密封环等，本实用新型对密封环的结构和材质不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际应用情况进行设置。

本实施例中上接头100与钻杆固定连接，下接头300与钻头固定连接。上接头100与钻杆固定连接，可以是卡接，也可以是螺纹连接等。为了使连接更稳定，本实施例上接头100与钻杆优选通过螺纹连接，可以是上接头100设置有外螺纹150，钻杆设置有与外螺纹150相配合的内螺纹，也可以是上接头100设置有内螺纹，钻杆设置有与内螺纹相配合的外螺纹。下接头300与钻头固定连接，可以是卡接，也可以是螺纹连接等。本实施例下接头300与钻头优选通过螺纹连接，可以是下接头300设置有外螺纹，钻头设置有与外螺纹相配合的内螺纹，也可以是下接头300设置有内螺纹330，钻杆设置有与内螺纹330相配合的外螺纹。螺纹可以是三角螺纹、矩形螺纹等，本实用新型对螺纹的具体结构不做限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。