钻头动态稳定装置的制作方法

[0001]
本实用新型属于石油天然气钻井、煤层气钻井、地质勘探、矿山钻探装置领域，主要涉及一种钻井井下工具中的一种钻头动态稳定装置。


背景技术：

[0002]
在深井超深井及复杂地质条件下，经常会遇到诸如花岗岩、硬砂岩、砾岩难钻岩石，其普遍具有硬度大、非均质强、可钻性差、研磨性高等特点。现在常用的破岩钻头在破碎这类岩石时往往出现破岩速度慢、钻头寿命短、破岩成本高的问题，给钻井带来新的风险和挑战。钻井过程中，钻头需要钻穿不同地层。当地层岩性发生变化时，钻进速度会随之变化，容易引起钻头的粘滑振动，甚至引起钻头和井下钻具组合组件的失效，导致由于井底复杂事故造成的钻井成本增加和效率降低。通常情况下，钻井速度主要通过控制钻压和旋转速度来实现，或者控制井底马达转速来实现，但这些控制手段对于井底钻头都具有一定的滞后性。随着钻头技术突飞猛进的发展，为了避免在较低钻压和较高转速条件下引起的钻头破坏，逐渐趋于采用较高的钻压和较低的转速相结合的参数组合来提高钻进性能。但是这样，却难以避免在较高的钻压和较低的转速下引起的扭转失稳，进而造成粘滑振动。钻头切入深度控制技术可以有效消除钻头的粘滑振动，但这一技术在扩大钻头应用范围的同时，也限制了钻头的切削能力的发挥，即在相对较软的岩层钻进时，需要增大钻头的切入深度，以提高钻头的破岩体积量。在相对较硬的岩层钻进时，则需要减小钻头的切入深度，防止坚硬岩石损伤钻头切削齿，但是常规钻头切入深度控制装置不能实时调节，难以适应井底岩性的变化，因此使用范围受限。钻头的粘滑振动是随机的、无规律性的，其原因是由于岩石的不均质性、工程参数的不规律性的因素造成的，现有技术中，常规钻头无法根据岩性的变化，自动适应控制钻头的切入深度，钻头破岩效率和钻头使用寿命低。


技术实现要素：

[0003]
为了解决以上问题，最大限度发挥钻头的破岩优势，同时减少钻头切深状态不稳定、岩石不均质及井下振动因素造成钻头切削齿过早崩损，钻头破岩效率和钻头使用寿命低的问题，进一步提高井下安全性，本实用新型提供了一种钻头动态稳定装置。
[0004]
本实用新型的目的是为石油天然气钻井、地质勘探、矿山钻探领域提供一种钻头动态稳定装置，能够控制钻头处于有规律性的动稳定状态的装置，最大限度降低岩石不均质性、工程参数波动等因素造成的无规律不利影响，进一步提高钻头破岩效率，延长钻头使用寿命，同时还要满足现有钻井工艺的技术要求和设备要求，并且结构简单、成本低廉、维护方便的钻头动态稳定装置。
[0005]
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
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钻头动态稳定装置，包括钻头体1和设置在钻头体1上的切削齿、中空流道，在钻头体1的中空流道内还设置有定子3、转子4、齿架7和限位齿8；其中，所述定子3固定安装在钻头体1内壁上；所述转子4安装在定子3中间；所述齿架7安装在转子4下部，且与转子4构成轴
向滑动旋转限位配合；所述限位齿8安装在齿架7下端外周边凸肩上，并与钻头体1底部的限位孔插接配合，限位齿8沿钻头体1限位孔往下往复运动。
[0007]
上述方案进一步包括：
[0008]
所述转子4和齿架7之间通过定位销6和连续的“w”形的导向槽9进行配合。
[0009]
所述齿架7外圆表面上设有连续的“w”形的导向槽9，定位销6安装在转子4上，定位销6与导向槽9滑动配合。
[0010]
在齿架7与转子4之间安装弹簧5。
[0011]
所述限位齿8为两个以上，且沿齿架7外周边凸肩均匀布置。
[0012]
所述限位齿8外端部呈锥形或弧形齿。
[0013]
在转子4上部还安装有导流罩2。
[0014]
所述转子4、弹簧5、齿架7之间的空间充满润滑油。
[0015]
本实用新型的优点是：（1）使钻头处于有规律性的、低幅值的微小振动状态，即一种动态平衡稳定状态，最大限度降低岩石不均质性、工程参数波动等因素造成的无规律不利影响，提高钻头破岩效率、延长钻头使用寿命。（2）钻头动态稳定装置还具有结构设计简单、性能可靠、操作方便、成本低廉等特点，便于大范围推广使用。
附图说明
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图1是本实用新型的钻头动态稳定装置结构示意图。
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图2是本实用新型的钻头动态稳定装置齿架示意图。
[0018]
图3是本实用新型的钻头动态稳定装置齿架导向槽示意图。
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图中：1.钻头体，2.导流罩，3.定子，4.转子，5.弹簧，6.定位销，7.齿架，8.限位齿，9.导向槽。
具体实施方式
[0020]
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。
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实施例1
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参照附图1-3，一种钻头动态稳定装置，包括钻头体1和设置在钻头体1上的切削齿、中空流道，在钻头体1的中空流道内还设置有定子3、转子4、齿架7和限位齿8；其中，所述定子3固定安装在钻头体1内壁上；所述转子4安装在定子3中间；所述齿架7安装在转子4下部，且与转子4构成轴向滑动旋转限位配合；所述限位齿8安装在齿架7下端外周边凸肩上，并与钻头体1底部的限位孔插接配合，限位齿8沿钻头体1限位孔往下往复运动。所述齿架7外圆表面上设有连续的“w”形的导向槽9，定位销6安装在转子4上，定位销6与导向槽9滑动配合。
[0023]
实施例2
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在实施例1的基础上，进一步包括：在齿架7与转子4之间安装弹簧5。所述限位齿8为3个以上，且沿齿架7外周边凸肩均匀布置。所述限位齿8外端部呈锥形或弧形齿。在转子4上部还安装有导流罩2。所述转子4、弹簧5、齿架7之间的空间充满润滑油。
[0025]
实施例3
[0026]
参照附图1，钻头动态稳定装置主要由钻头体1、导流罩2、定子3、转子4、弹簧5、定
位销6、齿架7、限位齿8、导向槽9组成。定子3固定安装在钻头体1内壁上，转子4安装在定子3中间，定子3与转子4为螺杆或者涡轮动力机构，将钻井液动能转换为旋转式动力。转子4上部安装导流罩2，齿架7安装在转子4内部，齿架7与转子4之间安装弹簧5，定位销6安装在转子4上，齿架7外圆表面上加工有连续的“w”形导向槽9，定位销6与导向槽9构成滑动配合。限位齿8安装在齿架7上，定位销6在导向槽9中运动时，推动齿架7发生上下运动，带动限位齿8反复伸出钻头体1。限位齿8是锥齿或柱齿，限位齿8是三组或三组以上，均匀布置。转子4、弹簧5、齿架7之间的空间充满润滑油。定位销6与导向槽9是一组或一组以上。
[0027]
工作原理：钻井过程中，钻头体1安装在钻具组合的下部，钻井液进入钻头体1后，经导向罩2进入定子3，然后再进入转子4，定子3与转子4的配合作用使得钻井液的动能转化为转子4的旋转运动。转子4旋转带动定位销6转动，由于定位销6与导向槽9配合，即定位销6在导向槽9内滑动，由于导向槽9是安装在齿架7上，因此转子4的旋转运动驱动齿架7产生轴向往复运动。由于限位齿8是安装在齿架7上，因此限位齿8也随之产生轴向往复运动。当齿架7向上运动时，一方面弹簧5被压缩蓄能，另一方面，限位齿8缩进钻头体1内。当定位销6与导向槽9的配合点变化时，弹簧5释放能量，推动齿架7向下运动，此时限位齿8也迅速从钻头体1中伸出并接触井底岩石。随着钻井液的连续流动，限位齿8就会有规律脉动性的伸出钻头体1，在钻头旋转破岩的过程中，限位齿8的往复式轴向运动就会限制钻头切削齿切入岩石的深度，使其有规律的变化，这样就将常规钻头破岩时与岩石之间的无规律接触，转化为有规律的基础，进而提高了钻头破岩效率、延长了使用寿命。
[0028]
现场测试结果表明，钻头动态稳定装置能够完全满足国内现有钻井工艺的技术要求，平均机械钻速提高123%-218%，钻头使用寿命延长80%以上，尤其是在我国西北、西南等工区的深井、超深井钻井过程时，提速效果非常显著，大幅缩短了钻井周期、降低了钻井成本，取得了较大的经济效益和社会效益。