一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具，包括PDC钻头，旋转驱动动力装置以及PDC钻头上方的扭矩自适应冲击工具，扭矩自适应冲击工具处于PDC钻头和旋转驱动动力装置之间，所述扭矩自适应冲击工具包括外壳体、上端盖，主轴、弹性元件、上冲击体以及下冲击体。本发明专利技术中钻头在正常工作时工具对钻头不产生冲击，而是随旋转驱动动力装置一起旋转进行钻进，当钻头所需破岩扭矩超过驱动扭矩时冲击工具才对钻头进行冲击，这种根据驱动扭矩和阻力扭矩大小决定是否产生冲击的工作方式，可以降低PDC齿冲击次数，提高PDC齿寿命，也可以减缓PDC钻头的粘滑，保护PDC齿和上部钻具，旋转冲击还可以提高钻头的破岩效率。冲击还可以提高钻头的破岩效率。冲击还可以提高钻头的破岩效率。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具


[0001]本专利技术属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具。

技术介绍

[0002]破岩是钻井的根本问题。机械破岩仍然是现阶段油气钻井中主要的作业方式，钻头是用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，钻头作为绝对主力在钻井工程中发挥着不可替代的作用，其中，牙轮钻头和PDC钻头最为常用。牙轮钻头依靠牙齿对井底岩石的挤压作用产生侧压力，侧压力又形成剪切力，岩石达到剪切强度后发生破裂失效，在这一过程中能量的传递与转化降低了其利用率。PDC钻头凭借高效的剪切方式破岩，在软至中硬地层中逐步替代牙轮钻头。特别是，切削齿材料技术、钻头基础理论、钻头设计技术的快速进步，使PDC钻头的地层适应性变宽，在油气钻井总进尺中的比例，已由十九世纪八十年代的5%增长至90%。
[0003]以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削齿（对PDC钻头，切削齿主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。据资料显示，仅占总进尺20%的深部复杂地层，就花费了整个钻井周期80%的总成本。
[0004]在钻井过程中，PDC钻头的切削齿在钻压的作用下克服地应力吃入地层，在扭矩的驱动下剪切破碎地层材料。相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。PDC钻头在钻进深部难钻地层时，特别是在钻遇软硬交错、含砾地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头易发生粘滑振动现象。粘滑振动以钻头的粘滞与滑脱交替出现为特征：粘滞阶段，钻头因破岩扭矩不足停止转动，钻柱在转盘的驱动下继续扭转，当钻柱所积能量足以破碎岩层时，粘滞的钻头便滑脱；滑脱阶段，钻柱积蓄的能量瞬间释放，钻头在正反方向突然加速与减速，钻头角速度数倍于转盘转速，钻头所受岩层阻碍其转动的扭矩也剧烈波动。粘滑振动导致机械钻速降低，钻柱能量释放后钻头沿钻柱轴线来回振荡，钻头受不规则冲击，失效加快。
[0005]螺杆钻具作为一种井下动力工具获得了迅速发展，其优势在于：井底直接提供动力，增加钻头的转速和扭矩，可准确地定向、造斜、纠偏，在水平井、开窗侧钻、扩眼等钻井施工中得到广泛应用。通用螺杆、特异型螺杆和特殊用途螺杆钻具也逐渐增多，其发展前景主要是向长寿命、大扭矩、高转速、多功能靠拢。
[0006]虽然利用螺杆驱动钻头高速旋转破岩可以提高钻头的破岩效率，但是当在不均质地层钻进时，若钻头吃入地层深度过深发生粘滑时，螺杆传动轴要承受交变扭转载荷，导致螺杆钻具失效加快。严重时，钻头处于粘滞状态，造成憋泵现象，导致井口地面设备损坏。
[0007]提高复杂难钻地层中PDC钻头的机械钻速、降低作业成本、缩短作业周期是油气勘探开发过程中永恒的话题。理论研究和现场实践证明，扭转冲击钻井技术是提高PDC钻头破岩效率和机械钻速、解决钻头粘滑振动的有效途径之一。扭转冲击提速工具能在钻头旋转
的同时对钻头产生周期性的扭转冲击作用以破碎岩石。
[0008]现有PDC钻头用的扭转冲击工具的驱动多为液体驱动，存在成本高、制造复杂、工作性能稳定性差的问题，且现有冲击工具在工作时会一直对钻头进行冲击作用，PDC齿会因冲击载荷而失效，因此，需要针对不同的地层和工况来确定是否需要冲击钻进，如钻至岩性较均匀或岩石较软的地层时，钻头应不承受上部冲击工具的冲击作用；如钻至硬地层或钻头吃入地层较深所需破岩扭矩较大时，冲击工具起作用以降低粘滑振动，提高机械钻速。同时，随着井深的增加，井下水力会严重不足会导致液动扭转冲击工具冲击力下降。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于：本专利提出了一种结合上端旋转驱动动力装置以及根据钻头所需扭矩大小来决定是否使冲击工具提供扭转冲击作用的PDC钻头用自适应扭转冲击工具，在延长PDC齿寿命的同时，提高钻头破岩效率。
[0010]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具，包括PDC钻头，旋转驱动动力装置以及PDC钻头上方的扭矩自适应冲击工具，扭矩自适应冲击工具处于PDC钻头和旋转驱动动力装置之间，其特征在于：扭矩自适应冲击工具包括外壳体、上端盖，主轴、弹性元件、上冲击体以及下冲击体；主轴上设置有螺旋槽，主轴的上端与旋转驱动动力装置的扭矩输出端相连；上冲击体的下端面上设置有上卡爪，上冲击体的内壁上设置有与螺旋槽相配合的凸起，上冲击体可在主轴、螺旋槽和凸起的共同作用下，既能随主轴进行旋转，也可以沿主轴的轴线方向移动；弹性元件置于上冲击体与上端盖之间；上端盖沿主轴的轴线无移动，上端盖起到支撑弹性元件的作用；下冲击体的上端面设置有下卡爪，下冲击体在上卡爪对下卡爪的驱动作用下进行旋转；下冲击体与外壳体之间设置有防掉装置；若正常工作下，主轴在旋转驱动动力装置的作用下进行旋转，由于螺旋槽对凸起的推动作用，上冲击体随主轴进行旋转，下冲击体在上卡爪对下卡爪的推动作用下进行旋转，进而驱动PDC钻头进行旋转，PDC钻头的转速与旋转驱动动力装置的旋转速度相同；若PDC钻头因吃入地层较深、所需破岩扭矩超过上冲击体对下冲击体提供的扭矩而致使PDC钻头处于粘滞状态时，主轴仍在旋转驱动动力装置作用下进行旋转，上冲击体在螺旋槽对凸起作用下向上移动并压缩弹性元件，当上卡爪越过下卡爪时，上冲击体在弹性元件的作用下向下移动并在螺旋槽的作用下加速旋转，进而使上卡爪对下卡爪产生旋转冲击。
[0011]上述方案中，利用旋转驱动动力装置的高速旋转，可以驱动主轴的旋转，借助主轴上的螺旋槽与上冲击体凸起的配合，由于螺旋槽呈斜面，斜面可以推动上冲击体进行旋转，借助上冲击体上的上卡转与下卡爪的啮合传动，下冲击体受到上冲击体的驱动作用而旋转，进而驱动PDC钻头旋转破岩，此时与常规钻进工作方式相同。然而，一旦下方钻头破岩所需扭矩超过正常工作时的扭矩，或钻头因吃入地层深度过大而发生粘滞，也就是说，此时螺
旋槽对凸起的周向驱动力不足以使钻头正常旋转破岩，螺旋槽对凸起产生轴向方向的提升力，进而将上冲击体沿轴向方向向上提起，同时上冲击体对弹性元件进行压缩，当提起高度超过上卡爪和下卡爪的啮合高度时，上卡爪越过下卡爪，并在螺旋槽对凸起的周向推动作用下加速旋转，压缩的弹性元件释放能量推动上冲击体向下运动，当加速旋转的上卡爪与下卡爪再次接触时，对下冲击体产生一次冲击，使钻头在旋转冲击作用下克服地层反扭矩继续旋转工作，突破地层反扭矩后，钻头正常旋转，上冲击体对下冲击体不再产生冲击作用。上述过程可简化表示为：钻头正常旋转工作
‑
若扭矩过大
‑
对在钻头产生旋转冲击
‑
钻头正常工作
……
，上述过程如此反复。这种工作方式避免了因常规冲击破岩方式持续不断的冲击造成的切削齿冲击振动损坏和疲劳失效，而是根据钻头实际工作条件以及结合上部旋转驱动动力装置所能提供的扭矩来决定是否对钻头产生冲击，可提高能量利用率，延长钻头使用寿命，同时保证钻头的工作效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具，包括PDC钻头，旋转驱动动力装置以及PDC钻头上方的扭矩自适应冲击工具，扭矩自适应冲击工具处于PDC钻头和旋转驱动动力装置之间，其特征在于：所述扭矩自适应冲击工具包括外壳体、上端盖，主轴、弹性元件、上冲击体以及下冲击体；所述主轴上设置有螺旋槽，所述主轴的上端与旋转驱动动力装置的扭矩输出端相连；所述上冲击体的下端面上设置有上卡爪，所述上冲击体的内壁上设置有与所述螺旋槽相配合的凸起，所述上冲击体可在所述主轴、所述螺旋槽和所述凸起的共同作用下，既能随所述主轴进行旋转，也可以沿所述主轴的轴线方向移动；所述弹性元件置于所述上冲击体与所述上端盖之间；所述上端盖沿所述主轴的轴线无移动，所述上端盖起到支撑所述弹性元件的作用；所述下冲击体的上端面设置有下卡爪，所述下冲击体在所述上卡爪对下卡爪的驱动作用下进行旋转；所述下冲击体与所述外壳体之间设置有防掉装置；若正常工作下，所述主轴在所述旋转驱动动力装置的作用下进行旋转，由于所述螺旋槽对所述凸起的推动作用，所述上冲击体随所述主轴进行旋转，所述下冲击体在所述上卡爪对所述下卡爪的推动作用下进行旋转，进而驱动所述PDC钻头进行旋转，所述PDC钻头的转速与所述旋转驱动动力装置的旋转速度相同；若所述PDC钻头所需破岩扭矩超过所述上冲击体对所述下冲击体提供的扭矩而致使所述PDC钻头处于粘滞状态时，所述主轴仍在所述旋转驱动动力装置作用下进行旋转，所述上冲击体在所述螺旋槽对所述凸起作用下...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛世伟，杨迎新，李皋，黄奎林，张春亮，任海涛，陈炼，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：