CN107529581B - 减振抗磨减阻钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油钻井领域，特别涉及一种减振抗磨减阻钻头，包括钻头基体、竖直滚针轴承、压力收缩器、竖直滚针轴承弹簧、水平滚针轴承、压力扩展器、水平滚针轴承弹簧、刀翼、冲击头、往复块、冲击头弹簧等，能够实现钻头的减振抗磨减阻，利用冲击头冲击、弹簧对振动能量的吸收、钻井液压力驱动的联合作用，可自动调节钻头切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，用于冲击头冲击破岩，打破钻头的粘滑振动，同时利用滚针轴承滚动作用，降低钻头的旋转阻力，减轻钻头磨损，减小起下钻过程中钻头的运动阻力，提高钻头起下钻效率，达到提高机械钻速和有效保护钻头及井下工具的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种减振抗磨减阻钻头，属于石油钻井领域。
背景技术
随着油气资源的勘探开发逐渐转向深层和复杂地层，深井、复杂结构井的数量越来越多。随着井深的增加，地层岩石的硬度和塑性均会增加，岩石的可钻性变差，严重影响了钻井机械钻速的提高，通过对钻井现场反馈资料分析，深层钻井的平均机械钻速约是浅层易钻地层钻井速度的15％-30％，在深井钻井过程中，地层较深，岩石的硬度高，井下钻头处伴随着剧烈的轴向、横向及扭转振动，产生了钻头的粘滑振动，对钻头和井下工具寿命影响较大，钻井速度也较慢。钻头的粘滑振动主要表现为钻头的粘滞阶段和滑脱阶段交替出现，在钻头的粘滞阶段，钻头因破岩的扭矩不足而停止运动，随着钻具的继续扭转，当传递到钻头的扭矩足以使钻头转动并破碎岩石时，钻头的粘滞阶段结束，开始出现钻头的滑脱，滑脱后的钻头，能量得到瞬间释放，释放后的钻头得到突然加速，钻头受到岩石的阻力也发生巨大波动，钻头沿着钻柱轴线来回震荡，钻头运动极为不规则，加速了钻头和井下工具的磨损失效。同时由于井深较大，钻头的起下钻较为困难，特别是在定向井、水平井中，由于井眼结构复杂，钻头卡住的现象时有发生，严重制约油气钻井效率的提高。
针对以上问题本发明提出了一种减振抗磨减阻钻头，该钻头在工作过程中，利用冲击头冲击、弹簧对振动能量的吸收、钻井液压力驱动的联合作用，可自动调节钻头切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，用于冲击头冲击破岩，打破了钻头的粘滑振动，提高了机械钻速；利用安装在刀翼侧面的水平滚针轴承的水平滚动，降低了钻头在旋转过程中的阻力，减轻了钻头磨损；利用安装在刀翼侧面的竖直滚针轴承的竖直滚动，减小起下钻过程中钻头受到的阻力，提高钻头起下钻效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可自动调节钻头切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，用于冲击头冲击破岩，降低钻头的旋转阻力，减轻钻头磨损，减小起下钻过程中钻头受到的阻力，提高钻头起下钻效率，提高机械钻速和有效保护钻头及井下工具的减振抗磨减阻钻头。
本发明所述的减振抗磨减阻钻头，包括钻头基体、压力传递流道、竖直滚针轴承、压力收缩器、竖直滚针轴承固定套、轴承轴、竖直滚针轴承弹簧、连接杆、水平滚针轴承、压力扩张器、水平滚针轴承弹簧、水平滚针轴承固定套、刀翼、支撑块、冲击头、往复块、密封圈、限位环、冲击头弹簧、钻头流道。压力传递流道设置在钻头基体内部，压力传递流道连接钻头流道和压力收缩器，压力收缩器通过螺纹与钻头基体和刀翼连接，压力收缩器当受到钻井液压力时会收缩，连接杆实现了压力收缩器与轴承轴的连接，轴承轴镶嵌在竖直滚针轴承的内部，竖直滚针轴承始终处于竖直方向，可在竖直方向自由滚动，竖直滚针轴承弹簧两端分别与轴承轴和钻头基体连接，竖直滚针轴承弹簧材料为55CrSiA，竖直滚针轴承弹簧安装后处于压缩状态，当没有钻井液压力传递到压力收缩器时，竖直滚针轴承弹簧可使竖直滚针轴承伸出刀翼，使竖直滚针轴承最外侧与井壁紧贴，竖直滚针轴承固定套安装在竖直滚针轴承的上下两侧，分为上下两个部分，安装时可分别安装，竖直滚针轴承固定套可减小竖直滚针轴承的磨损，同时实现对竖直滚针轴承的导向，使竖直滚针轴承始终处于竖直方向，钻头五个刀翼，竖直滚针轴承安装在刀翼的侧面，分别安装在D2、D4、D5三个刀翼上。压力扩张器安装在钻头基体和刀翼内部，通过螺纹与钻头基体和刀翼连接，压力扩张器当受到钻井液压力时会扩张，水平滚针轴承弹簧两端分别连接轴承轴和钻头基体，水平滚针轴承弹簧材料为55CrSiA，水平滚针轴承弹簧安装后处于拉伸状态，当没有钻井液压力传递到压力扩张器时，在水平滚针轴承弹簧的作用下，水平滚针轴承收缩于刀翼内部，水平滚针轴承内部镶嵌轴承轴，水平滚针轴承始终处于水平方向，可在水平方向自由滚动，水平滚针轴承固定套安装在水平滚针轴承的上下两侧，分为上下两个部分，安装时可分别安装，水平滚针轴承固定套可减小水平滚针轴承的磨损，同时实现对水平滚针轴承的导向，使水平滚针轴承始终处于水平方向，水平滚针轴承安装在刀翼的侧面，分别安装在D2、D4、D5三个刀翼上。往复块安装在刀翼内部，往复块通过流道与钻头流道连接，往复块下部连接冲击头，往复块外侧设置两道密封圈，密封圈为O型密封圈，可密封钻头流道内的钻井液，冲击头弹簧上端连接往复块，下端连接支撑块，冲击头弹簧安装后处于压缩状态，当钻井液压力施加到往复块后，往复块向下移动，冲击头弹簧受到压缩，冲击头弹簧将钻井液的压能存储起来，冲击头弹簧材料为1Cr18Ni9，限位环安装在支撑块上部，可控制往复块的往复移动距离，可根据地层岩石的可钻性，设计相应的限位环高度，实现对往复块往复移动距离的控制，进而实现对冲击头冲击行程大小的控制，冲击头与往复块的下端连接，冲击头最下部为半球形冲击头，冲击头安装在刀翼底面，每个刀翼上安装一个冲击头，设置在切削齿的背部，在钻井过程中，钻井液的压能和冲击头弹簧的压缩能使冲击头向下运动冲击地层，当钻头出现振动时冲击头可通过冲击头弹簧的作用，将钻头的振动能量吸收，与钻井液的压能相互制约，有效吸收钻头的振动，同时冲击头可控制切削齿压入地层的深度，有效防止钻头的粘滑振动，较好的保护钻头和井下工具。
本发明提到的一种减振抗磨减阻钻头，具体的施工步骤如下：
第一步：将减振抗磨减阻钻头安装在钻柱上，检查竖直滚针轴承是否伸出刀翼，水平滚针轴承是否收缩于刀翼中；
第二步：开始下钻，竖直滚针轴承开始滚动，可以有效的降低下钻过程中钻头受到的阻力；
第三步：钻头到达预定位置，开启泥浆泵，压力收缩器在钻井液压力的作用下开始收缩，使竖直滚针轴承收缩至刀翼内，压力扩张器开始扩张，水平滚针轴承开始伸出刀翼，与井壁紧贴，同时往复块在钻井液压力的作用下，开始下移，直至达到岩石表面；
第四步：钻头开始旋转，并将钻压施加至设计值，水平滚针轴承开始水平滚动，冲击头开始往复冲击，可有效控制切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，减少钻头振动，提高机械钻速，减小钻头转动阻力，消除钻头粘滑振动，有效保护钻头和井下工具；
第五步：到达设计井深起钻时，停止泥浆泵，水平滚针轴承在水平滚针轴承弹簧的作用下，开始收缩至刀翼内，竖直滚针轴承在竖直滚针轴承弹簧的作用下，开始伸出刀翼，与井壁紧贴，可降低钻头运动阻力。
本发明的有益效果是：能够实现钻头的减振抗磨减阻，利用冲击头冲击和弹簧吸收振动能量的作用，可自动调节钻头切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，用于冲击头冲击破岩，打破钻头的粘滑振动，同时利用滚针轴承滚动作用，降低钻头的旋转阻力，减轻钻头磨损，减小起下钻过程中钻头受到的阻力，提高钻头起下钻效率，有效的提高机械钻速和保护钻头及井下工具。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的仰视结构示意图。
图3为图1竖直滚针轴承处的局部视图。
图4为图1冲击头处的局部视图。
图5为图1中A-A局部侧视图。
图6为图1中B-B局部侧视图。
图中：1、钻头基体 2、压力传递流道 3、竖直滚针轴承 4、压力收缩器 5、竖直滚针轴承固定套 6、轴承轴 7、竖直滚针轴承弹簧 8、连接杆 9、水平滚针轴承 10、压力扩张器11、水平滚针轴承弹簧 12、水平滚针轴承固定套 13、刀翼 14、支撑块 15、冲击头 16、往复块 17、密封圈 18、限位环 19、冲击头弹簧 20、钻头流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如图1、图3所示，本发明所述的减振抗磨减阻钻头，包括钻头基体1、压力传递流道2、竖直滚针轴承3、压力收缩器4、竖直滚针轴承固定套5、轴承轴6、竖直滚针轴承弹簧7、连接杆8、水平滚针轴承9、压力扩张器10、水平滚针轴承弹簧11、水平滚针轴承固定套12、刀翼13、支撑块14、冲击头15、往复块16、密封圈17、限位环18、冲击头弹簧19、钻头流道20。压力传递流道2设置在钻头基体1内部，压力传递流道2连接钻头流道20和压力收缩器4，压力收缩器4通过螺纹与钻头基体1和刀翼13连接，当受到钻井液的压力时压力收缩器4会收缩，连接杆8实现了压力收缩器4与轴承轴6的连接，轴承轴6镶嵌在竖直滚针轴承3的内部，竖直滚针轴承3始终处于竖直方向，可在竖直方向自由滚动，有效减小钻头在井眼方向的运动阻力，竖直滚针轴承弹簧7两端分别与轴承轴6和钻头基体1连接，竖直滚针轴承弹簧7材料为55CrSiA，竖直滚针轴承弹簧7安装后处于压缩状态，当没有钻井液压力传递到压力收缩器4时，竖直滚针轴承弹簧7可使竖直滚针轴承3伸出刀翼13，使竖直滚针轴承3最外侧与井壁紧贴。压力扩张器10安装在钻头基体1和刀翼13内部，通过螺纹与钻头基体1和刀翼13连接，压力扩张器10当受到钻井液压力时会扩张，水平滚针轴承弹簧11两端分别与轴承轴6和钻头基体1连接，水平滚针轴承弹簧11材料为55CrSiA，水平滚针轴承弹簧11安装后处于拉伸状态，当没有钻井液压力传递到压力扩张器10时，在水平滚针轴承弹簧11的作用下，水平滚针轴承9收缩于刀翼13内部，水平滚针轴承9内部镶嵌轴承轴6，水平滚针轴承9始终处于水平方向，可在水平方向自由滚动，可降低钻头转动阻力。
如图1、图4所示，往复块16安装在刀翼13内部，往复块16通过流道与钻头流道20连接，往复块16下部连接冲击头15，往复块16外侧设置两道密封圈17，密封圈17为O型密封圈，可密封钻头流道内的钻井液，冲击头弹簧19上端连接往复块16，下端连接支撑块14，冲击头弹簧19安装后处于压缩状态，当钻井液压力施加到往复块16后，往复块16向下移动，冲击头弹簧19将受到压缩，冲击头弹簧19将钻井液的压能存储起来，冲击头弹簧19材料为1Cr18Ni9，限位环18安装在支撑块14上部，可控制往复块16的往复移动距离，可根据地层岩石的可钻性，设计相应的限位环18高度，实现对往复块16往复移动距离的控制，进而实现对冲击头15冲击行程大小的控制，冲击头15与往复块16的下端连接，冲击头15最下部为半球形冲击头，在钻井过程中，钻井液的压能和冲击头弹簧19的压缩能使冲击头15向下移动冲击地层，当钻头出现振动时冲击头15可通过冲击头弹簧19的作用，将钻头的振动能量吸收，与钻井液的压能相互制约，有效吸收钻头的振动，实现冲击头冲击破碎地层岩石，同时冲击头15可控制切削齿压入地层的深度，有效防止钻头的粘滑振动，较好的保护钻头和井下工具。
如图2所示，钻头五个刀翼，竖直滚针轴承3安装在刀翼13的侧面，分别安装在D2、D4、D5三个刀翼13上，水平滚针轴承9安装在刀翼13的侧面，分别安装在D2、D4、D5三个刀翼13上，冲击头15安装在刀翼13底面，每个刀翼13上安装一个冲击头15，设置在切削齿的背部。
如图5、图6所示，竖直滚针轴承固定套5安装在竖直滚针轴承3的上下两侧，分为上下两个部分，安装时可分别安装，竖直滚针轴承固定套5可减小竖直滚针轴承3的磨损，同时实现对竖直滚针轴承3的导向，使竖直滚针轴承3始终处于竖直方向，水平滚针轴承固定套12安装在水平滚针轴承9的上下两侧，分为上下两个部分，安装时可分别安装，水平滚针轴承固定套12可减小水平滚针轴承9的磨损，同时实现对水平滚针轴承9的导向，使水平滚针轴承9始终处于水平方向。
本发明提到的一种减振抗磨减阻钻头，具体的施工步骤如下：
第一步：将减振抗磨减阻钻头安装在钻柱上，检查竖直滚针轴承3是否伸出刀翼13，水平滚针轴承9是否收缩于刀翼13中；
第二步：开始下钻，竖直滚针轴承3开始滚动，可以有效降低下钻过程中钻头受到的阻力；
第三步：钻头到达预定位置，开启泥浆泵，压力收缩器4在钻井液压力的作用下开始收缩，使竖直滚针轴承3收缩至刀翼13内，压力扩张器10开始扩张，水平滚针轴承9开始伸出刀翼13，与井壁紧贴，同时往复块16在钻井液压力的作用下，开始下移，直至达到岩石表面；
第四步：钻头开始旋转，并将钻压施加至设计值，水平滚针轴承9开始水平滚动，冲击头15开始往复冲击，可有效控制切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，降低钻头的振动，提高机械钻速，减小钻头转动阻力，消除钻头粘滑振动，有效保护钻头和井下工具；
第五步：到达设计井深起钻时，停止泥浆泵，水平滚针轴承9在水平滚针轴承弹簧11的作用下，开始收缩至刀翼13内，竖直滚针轴承3在竖直滚针轴承弹簧7的作用下，开始伸出刀翼13，与井壁紧贴，可降低钻头运动阻力。
Claims (4)
1.一种减振抗磨减阻钻头，其特征在于：包括钻头基体(1)、压力传递流道(2)、竖直滚针轴承(3)、压力收缩器(4)、竖直滚针轴承固定套(5)、轴承轴(6)、竖直滚针轴承弹簧(7)、连接杆(8)、水平滚针轴承(9)、压力扩张器(10)、水平滚针轴承弹簧(11)、水平滚针轴承固定套(12)、刀翼(13)、支撑块(14)、冲击头(15)、往复块(16)、密封圈(17)、限位环(18)、冲击头弹簧(19)、钻头流道(20)，压力传递流道(2)设置在钻头基体(1)内部，压力传递流道(2)连接钻头流道(20)和压力收缩器(4)，压力收缩器(4)通过螺纹与钻头基体(1)和刀翼(13)连接，压力收缩器(4)当受到钻井液的压力时会收缩，连接杆(8)实现了压力收缩器(4)与轴承轴(6)的连接，轴承轴(6)镶嵌在竖直滚针轴承(3)内部，竖直滚针轴承(3)始终处于竖直方向，可在竖直方向自由滚动，可有效减小钻头在井眼方向的运动阻力，竖直滚针轴承弹簧(7)两端分别与轴承轴(6)和钻头基体(1)连接，竖直滚针轴承弹簧(7)材料为55CrSiA，竖直滚针轴承弹簧(7)安装后处于压缩状态，当没有钻井液压力传递到压力收缩器(4)时，竖直滚针轴承弹簧(7)可使竖直滚针轴承(3)伸出刀翼(13)，将竖直滚针轴承(3)最外侧与井壁紧贴，压力扩张器(10)安装在钻头基体(1)和刀翼(13)内部，通过螺纹与钻头基体(1)和刀翼(13)连接，当受到钻井液压力时压力扩张器(10)会扩张，水平滚针轴承弹簧(11)两端分别与轴承轴(6)和钻头基体(1)连接，水平滚针轴承弹簧(11)材料为55CrSiA，水平滚针轴承弹簧(11)安装后处于拉伸状态，当没有钻井液压力传递到压力扩张器(10)时，在水平滚针轴承弹簧(11)的作用下，水平滚针轴承(9)收缩于刀翼(13)内部，水平滚针轴承(9)内部镶嵌轴承轴(6)，水平滚针轴承(9)始终处于水平方向，可在水平方向自由滚动，可降低钻头转动阻力，往复块(16)安装在刀翼(13)内部，往复块(16)通过流道与钻头流道(20)连接，往复块(16)下部连接冲击头(15)，往复块(16)外侧设置两道密封圈(17)，密封圈(17)为O型密封圈，可密封钻头流道内的钻井液，冲击头弹簧(19)上端连接往复块(16)，下端连接支撑块(14)，冲击头弹簧(19)安装后处于压缩状态，当钻井液压力施加到往复块(16)后，往复块(16)向下移动，冲击头弹簧(19)将受到压缩，冲击头弹簧(19)将钻井液的压能存储起来，冲击头弹簧(19)材料为1Cr18Ni9，限位环(18)安装在支撑块(14)上部，可控制往复块(16)的往复移动距离，可根据地层岩石的可钻性，设计相应的限位环(18)高度，实现对往复块(16)往复移动距离的控制，进而实现对冲击头(15)冲击行程大小的控制，冲击头(15)与往复块(16)的下端连接，冲击头(15)最下部为半球形冲击头，在钻井过程中，钻井液的压能和冲击头弹簧(19)的压缩能使冲击头(15)向下运动冲击地层，当钻头出现振动时冲击头(15)可通过冲击头弹簧(19)的作用，将钻头的振动能量吸收，与钻井液的压能相互制约，有效吸收钻头的振动，同时冲击头(15)可控制切削齿压入地层的深度，有效防止钻头的粘滑振动，较好的保护钻头和井下工具。
2.根据权利要求1所述的减振抗磨减阻钻头，其特征在于：钻头五个刀翼，竖直滚针轴承(3)安装在刀翼(13)的侧面，分别安装在D2、D4、D5三个刀翼(13)上，水平滚针轴承(9)安装在刀翼(13)的侧面，分别安装在D2、D4、D5三个刀翼(13)上，冲击头(15)安装在刀翼(13)底面，每个刀翼(13)上安装一个冲击头(15)，设置在切削齿的背部。
3.根据权利要求1所述的减振抗磨减阻钻头，其特征在于：竖直滚针轴承固定套(5)安装在竖直滚针轴承(3)的上下两侧，分为上下两个部分，安装时可分别安装，竖直滚针轴承固定套(5)可减小竖直滚针轴承(3)的磨损，同时实现对竖直滚针轴承(3)的导向，使竖直滚针轴承(3)始终处于竖直方向，水平滚针轴承固定套(12)安装在水平滚针轴承(9)的上下两侧，分为上下两个部分，安装时可分别安装，水平滚针轴承固定套(12)可减小水平滚针轴承(9)的磨损，同时实现对水平滚针轴承(9)的导向，使水平滚针轴承(9)始终处于水平方向。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的减振抗磨减阻钻头，其具体的操作步骤如下：
第一步：将减振抗磨减阻钻头安装在钻柱上，检查竖直滚针轴承(3)是否伸出刀翼(13)，水平滚针轴承(9)是否收缩于刀翼(13)中；
第二步：开始下钻，竖直滚针轴承(3)开始滚动，可有效的降低下钻过程中钻头受到的阻力；
第三步：钻头到达预定位置，开启泥浆泵，压力收缩器(4)在钻井液压力的作用下开始收缩，使竖直滚针轴承(3)收缩至刀翼(13)内，压力扩张器(10)开始扩张，水平滚针轴承(9)开始伸出刀翼(13)，与井壁紧贴，同时往复块(16)在钻井液压力的作用下，开始下移，直至冲击头(15)冲击岩石表面；
第四步：钻头开始旋转，并将钻压施加至设计值，水平滚针轴承(9)开始水平滚动，冲击头(15)开始往复冲击，可有效控制切削齿的切削深度，吸收钻头振动能量，减小钻头的振动，提高机械钻速，减小钻头转动阻力，消除钻头粘滑振动，有效保护钻头和井下工具；
第五步：到达设计井深起钻时，停止泥浆泵，水平滚针轴承(9)在水平滚针轴承弹簧(11)的作用下，开始收缩至刀翼(13)内，竖直滚针轴承(3)在竖直滚针轴承弹簧(7)的作用下，开始伸出刀翼(13)，与井壁紧贴，可降低钻头的运动阻力。
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