一种定向造斜用自振动PDC钻头制造技术

本发明专利技术涉及油气勘探开发技术领域，特别是涉及一种定向造斜用自振动PDC钻头，包括接头体、钻头体和位于接头体内部的振动单元；所述振动单元包括动阀、静阀、转轴、轴承、支撑环和驱动转轴旋转的驱动件；所述接头体与钻头体螺纹连接；所述轴承的外圈与接头体间隙配合，轴承的内圈与转轴过渡配合；所述支撑环与接头体螺纹连接，用于支撑轴承；所述动阀与静阀都为流道偏心阀体；所述动阀固定在转轴的上部内流道中，所述静阀固定在接头体的流道内部；转轴转动，动阀和静阀之间发生相对转动，动阀和的静阀之间流道面积发生周期性变化。通过本自振动PDC钻头，能有效解决常规PDC钻头定向钻进过程中出现的托压问题。程中出现的托压问题。程中出现的托压问题。

【技术实现步骤摘要】
一种定向造斜用自振动PDC钻头


[0001]本专利技术涉及油气勘探开发
，特别是涉及一种定向造斜用自振动PDC钻头。

技术介绍

[0002]在石油钻井过程中，因工程需要有时会进行定向钻进。参照说明书附图8，此时井眼轨迹上部是直线，而下部具有一定的曲率。当具有曲率的井段与直井段的角度，即井斜越来越大时，钻具与井壁之间不可避免的会发生接触。PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破岩工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期。目前，使用常规PDC钻头进行定向钻进过程中，存在摩阻大和扭矩波动大等问题，需多次进行循环短起等辅助操作，造成行程钻速低和钻头寿命短。虽然，PDC钻头配合水力振荡器等工具在定向造斜段使用时有一定提速效果，但因传递钻头的振动力不足，仍存在托压现象，难以完全满足现场需求。工程上在钻进造斜段时一般采用牙轮钻头进行钻进，但由于滚动轴承等活动原件的存在，牙轮钻头工作寿命较短，有时可能需多次起下钻才能完成造斜段的钻进，不利于降低钻进成本。在分析牙轮钻头的工作原理后发现，牙轮钻头在破岩过程中产生的轴向振动可以缓解托压。因此，为降低钻进成本，可使PDC钻头具有轴向冲击能力，以代替牙轮钻头钻进造斜段。目前，在钻井领域中水力振荡器可以产生轴向水力冲击，但其设备长度较长，与PDC钻头配合使用无法满足较高造斜率的要求。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种定向造斜用自振动PDC钻头，能有效解决常规PDC钻头定向钻进过程中出现的托压问题，减小起下钻的次数，提高钻进效率，降低钻进成本。
[0004]本专利技术是通过采用下述技术方案实现的：一种定向造斜用自振动PDC钻头，其特征在于：包括接头体、钻头体和位于接头体内部的振动单元；所述振动单元包括动阀、静阀、转轴、轴承、支撑环和驱动转轴旋转的驱动件；所述接头体与钻头体螺纹连接；所述轴承的外圈与接头体间隙配合，轴承的内圈与转轴过渡配合；所述支撑环与接头体螺纹连接，用于支撑轴承；所述动阀与静阀都为流道偏心阀体；所述动阀固定在转轴的上部内流道中，所述静阀固定在接头体的流道内部；驱动件驱动转轴与动阀转动，动阀和静阀之间发生相对转动，动阀和静阀之间的流道面积发生周期性变化，通过水锤冲击效应形成周期性轴向振击力，振击力通过转轴传递到支撑环，支撑环传递到接头体，再由接头体传递到钻头体。
[0005]还包括卡簧，所述卡簧用于限制静阀的轴向位移。
[0006]所述驱动件为叶轮，所述叶轮与转轴相连，叶轮转动带动转轴转动。
[0007]所述叶轮采用高强度不锈钢通过机加工成型，与叶轮相匹配的接头体的接头内孔的表面设有耐磨材料涂层。
[0008]所述耐磨材料为钴基WC合金粉末，采用激光熔覆或者热喷涂完成涂层的加工。
[0009]所述叶轮的叶片倾角为30
°
~60
°
。
[0010]所述转轴中间的流体通道采用栅格设计，形成栅格形状的通道，且栅格形状的通道宽度与叶轮的最小通过尺寸相匹配。
[0011]所述栅格形状的通道宽度比叶轮的最小通过尺寸小2mm以上。
[0012]所述接头体的下部还连接有用于导流的导流盘。
[0013]安装完成的自振动PDC钻头的长度为450mm
‑
600mm。
[0014]所述叶轮与转轴采用间隙配合结合键槽的方式实现连接。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：1、本专利技术中，充分利用钻头本体的有限空间，可以利用钻井液作为动力来源，通过改变钻头内腔流道面积等方式产生轴向振动冲击力，轴向振动冲击力会将静摩擦转换成动摩擦，缓解近钻头的钻具摩阻，能有效缓解托压问题，提高钻头在定向段的破岩效率，由此代替牙轮钻头在造斜段进行钻进，规避牙轮部件松动、掉落的安全风险，减小起下钻的次数，提高钻进效率，降低钻进成本。同时周期性振动还会起到辅助破岩的作用。
[0016]进一步的，本专利技术与现有技术相比，采用水力冲击，水力冲击属于柔性冲击，与机械冲击相比，没有机械碰撞，对钻头的保护性更好。
[0017]本专利技术中，由于动阀与静阀都为流道偏心阀体，动阀和静阀之间的相对转动，会使动阀与静阀间的流道面积发生周期性变化，有频率的瞬间开大和关小，造成内流道流体压力变化。根据实际工况时的不同地层、井深和造斜率，动阀与静阀可采用不同截流面积的组合。随着地层难钻性、井深以及造斜率的增加，能适当调节动阀与静阀间截流面积的组合以增加轴向振击力，振击力的变化范围在钻压的10%
‑
20%之间。
[0018]2、还包括卡簧，能限制静阀的轴向位移，使得动阀和静阀之间的配合效果更好。
[0019]3、由于叶轮每转一圈产生一次完整的轴向振击，叶轮的转速就等同于振击频率。使得本专利技术中的钻头产生的振动力类型可以为高频低幅振动，高频及流道面积变化的周期，可通过叶轮的结构设计获得，即通过设计叶轮的叶片倾角获得。叶轮的叶片倾角可以根据工作环境，做相应的修改。而自振动钻头在水锤效应下产生的轴向高频低幅振动，可减轻钻头在切削地层过程中所产生的有害轴向振动，从而保护切削齿，获得更高的综合进尺。
[0020]4、当泥浆流体通过振动单元时，由于泥浆流体中带有一定比例的微固体颗粒，在高速流动和固体颗粒的快速冲刷效应下，零件表面会发生冲蚀现象。泥浆流体速度越快的部位，出现的冲蚀现象会越明显。当关键零件冲蚀严重时，会影响工作参数，造成性能下降，甚至造成整个钻头的非正常时效。为保护钻头正常的工作寿命，叶轮采用高强度不锈钢通过机加工成型，与叶轮相匹配的接头体的接头内孔的表面设有耐磨材料涂层，用于提升零件的寿命。
[0021]5、所述转轴中间的流体通道采用栅格设计，且栅格形状的通道宽度与叶轮的最小通过尺寸相匹配，避免叶轮由于大颗粒的固体堵塞造成停止转动，同时也能起到良好的分流效果。
[0022]6、所述接头体的下部还连接有导流盘，导流效果好。
[0023]7、通过各结构的彼此配合，在不降低其功能的同时，安装完成的自振动PDC钻头的长度为450mm
‑
600mm。与牙轮钻头相比，在定向钻进时其具有更高的综合进尺，可降低起下钻更换钻头的次数。与传统水力振荡器加钻头的解决脱压问题的技术方案相比，其长度短
很多，可以满足更高造斜率的定向钻进。
附图说明
[0024]下面将结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，其中：图1为本专利技术的爆炸图；图2为本专利技术的外立面示意图；图3为本专利技术的剖面结构示意图；图4为本专利技术的俯视示意图；图5为本专利技术中转轴与栅格的剖面结构示意图；图6为本专利技术中振动单元的工作原理示意图；图7为本专利技术中动阀、静阀之间的流道面积变化图；图8为本专利技术中定向钻井示意图；图中标记：1、接头体，2、钻头体，3、动阀，4、静阀，5、转轴，6、轴承，7、支撑环，8、叶轮，9、导流盘。
具体实施方式
[0025]实施例1作为本专利技术基本实施方式，本专利技术包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定向造斜用自振动PDC钻头，其特征在于：包括接头体（1）、钻头体（2）和位于接头体（1）内部的振动单元；所述振动单元包括动阀（3）、静阀（4）、转轴（5）、轴承（6）、支撑环（7）和驱动转轴（5）旋转的驱动件；所述接头体（1）与钻头体（2）螺纹连接；所述轴承（6）的外圈与接头体（1）间隙配合，轴承（6）的内圈与转轴（5）过渡配合；所述支撑环（7）与接头体（1）螺纹连接，用于支撑轴承（6）；所述动阀（3）与静阀（4）都为流道偏心阀体；所述动阀（3）固定在转轴（5）的上部内流道中，所述静阀（4）固定在接头体（1）的流道内部；驱动件驱动转轴（5）与动阀（3）转动，动阀（3）和静阀（4）之间发生相对转动，动阀（3）和静阀（4）之间的流道面积发生周期性变化，通过水锤冲击效应形成周期性轴向振击力，振击力通过转轴（5）传递到支撑环（7），支撑环（7）传递到接头体（1），再由接头体（1）传递到钻头体（2）。2.根据权利要求1所述的一种定向造斜用自振动PDC钻头，其特征在于：还包括卡簧，所述卡簧用于限制静阀（4）的轴向位移。3.根据权利要求1所述的一种定向造斜用自振动PDC钻头，其特征在于：所述驱动件为叶轮（8），所述叶轮（8）与转轴（5）相连，叶轮（8）转动带动转轴（5）转动。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建林，董仕明，周刚，余晟，刘伟，冯明，付强，干建华，刘彬，冯思恒，
申请(专利权)人：中国石油集团川庆钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：