專利名稱：自適應(yīng)混合鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油鉆探設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種石油天然氣開(kāi)采及其它鉆探使用的鉆頭。
背景技術(shù)：
目前在石油天然氣鉆井中主要用的是三牙輪鉆頭和金剛石鉆頭(PDC鉆頭)。金剛石鉆頭(PDC鉆頭)其破巖機(jī)理為刮削破巖，因此在其鉆進(jìn)速度快的優(yōu)勢(shì)下也存在不適應(yīng)于硬地層、軟硬交錯(cuò)的夾層地層以及礫石地層的缺點(diǎn)。然而牙輪鉆頭其破巖機(jī)理為壓碎、小位移刮削，其特點(diǎn)在于能適應(yīng)高硬度地層和以及復(fù)雜地層，但其破巖效率低、鉆進(jìn)速度慢。根據(jù)兩種鉆頭的不同特點(diǎn)。于是人們開(kāi)始發(fā)展另外一種形式的鉆頭——混合式鉆頭。它直接將PDC鉆頭和牙輪鉆頭集成到一起，融合了牙輪鉆頭的適合各種地層和PDC鉆頭鉆進(jìn)速度快的特點(diǎn)。但是如果將兩種鉆頭剛性的聯(lián)接在一起，兩種鉆頭各承擔(dān)多少鉆壓？是未知數(shù)。 而且不能根據(jù)地層巖性調(diào)節(jié)牙輪和刀翼上的鉆壓分配，這些問(wèn)題如不能解決很大程度上影響鉆頭的破巖效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能緩解和彌補(bǔ)以上不足的一種自適應(yīng)混合鉆頭，能自適應(yīng)調(diào)節(jié)牙輪和刀翼上的鉆壓分配，確保鉆頭能與地層巖石多點(diǎn)穩(wěn)定接觸，保證壓碎作用與刮削作用的更好配合；避免切削元件受到較大的沖擊而碎裂，起到延長(zhǎng)鉆頭壽命的作用。本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種自適應(yīng)混合鉆頭，包括混合式鉆頭，其鉆頭本體上同時(shí)設(shè)有牙輪和刀翼，所述牙輪和刀翼交錯(cuò)均布設(shè)置，所述牙輪設(shè)于鉆頭本體上的牙掌上，還包括活動(dòng)置于所述鉆頭本體內(nèi)，只可在受限范圍內(nèi)沿軸向伸縮運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)刀翼體，所述可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體間還設(shè)有為可動(dòng)刀翼體提供軸向力的彈性元件，所述刀翼設(shè)于所述可動(dòng)刀翼體前端，所述可動(dòng)刀翼體末端設(shè)有承受泥漿壓力的受壓面。作為優(yōu)選方式，所述牙掌的側(cè)面限制可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述牙掌的側(cè)面還設(shè)有用以限制可動(dòng)刀翼體沿軸向來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)的距離范圍的凸起的限位銷(xiāo)。作為優(yōu)選方式，所述可動(dòng)刀翼體前端設(shè)有噴嘴，其內(nèi)設(shè)有連通噴嘴和所述受壓面的泥漿通道。作為優(yōu)選方式，所述彈性元件為彈簧。作為優(yōu)選方式，所述彈簧為螺旋彈簧，其套于可動(dòng)刀翼體上?；蛘撸鰪椈蔀榈螐椈?、橡膠彈簧或金屬橡膠，其放置于可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體形成的內(nèi)腔里。工作過(guò)程為鉆頭本體的轉(zhuǎn)動(dòng)使牙輪破巖，破巖機(jī)理為壓碎作用、小位移刮削作用。牙掌將由鉆柱傳送來(lái)的轉(zhuǎn)矩部分傳遞給可動(dòng)刀翼體，進(jìn)而通過(guò)可動(dòng)刀翼體上的刀翼對(duì)巖層進(jìn)行刮削破碎。
這種混合設(shè)計(jì)充分利用了刀翼金剛石鉆頭(PDC鉆頭)與牙輪鉆頭各自在不同種類巖層的優(yōu)勢(shì)。在硬地層，泥漿對(duì)可動(dòng)刀翼體的受壓面的壓力與彈性元件對(duì)可動(dòng)刀翼體作用力之和不能充分滿足可動(dòng)刀翼體破壞硬地層所需鉆壓，可動(dòng)刀翼體的破巖量降低，可動(dòng)刀翼體相對(duì)于牙輪向鉆進(jìn)反方向運(yùn)動(dòng)，這使得牙輪承擔(dān)主要破巖任務(wù)。在軟地層，泥漿對(duì)可動(dòng)刀翼體的受壓面的壓力與彈性元件對(duì)可動(dòng)刀翼體的作用力之和能充分滿足可動(dòng)刀翼體破壞軟地層所需鉆壓，可動(dòng)刀翼體的破巖速度加快，可動(dòng)刀翼體相對(duì)于牙輪向鉆進(jìn)的方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)可動(dòng)刀翼體承擔(dān)主要破巖任務(wù)。本發(fā)明的有益效果與現(xiàn)有的牙輪與刀翼固定的混合鉆頭相比，本發(fā)明利用彈性元件的彈性，調(diào)節(jié)混合式鉆頭的牙輪與刀翼破碎巖石的作用力。這種根據(jù)受力自適應(yīng)地控制牙輪與刀翼的相對(duì)位置的設(shè)計(jì)很大程度上優(yōu)化了牙輪和刀翼之間破巖量的分配，使破巖速度更快，適用性更廣。除此之外這種自適應(yīng)設(shè)計(jì)還將一般鉆頭與巖層的硬性沖擊優(yōu)化為柔性沖擊極大的保護(hù)了鉆頭自身。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的剖視圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的爆炸視圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖中1.牙輪，2.可動(dòng)刀翼體，3.鉆頭本體，4.螺旋彈簧，5.螺紋，6.受壓面，7.為軸承提供潤(rùn)滑油的壓力平衡式的裝置，8.泥漿通道，9.噴嘴，10.牙齒，11.金剛石復(fù)合片，12.限位銷(xiāo)，13.刀翼，14.牙掌。
具體實(shí)施例方式下列非限制性實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例1
如圖1至3所示，一種自適應(yīng)混合鉆頭，其鉆頭本體3末端設(shè)有與鉆桿連接的螺紋5， 前端設(shè)有三爪式牙掌14，牙掌14與牙輪1通過(guò)滑動(dòng)軸承連接，并可繞其自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，牙輪 1上均鑲裝有牙齒10，牙輪1之間為三道刀翼13，刀翼13上有金剛石復(fù)合片11。本自適應(yīng)混合鉆頭牙輪1和刀翼13數(shù)量并不限制，優(yōu)選均為2、3或4個(gè)，只需牙輪1和刀翼13交錯(cuò)均布設(shè)置。在鉆頭本體3上還有為軸承提供潤(rùn)滑油的壓力平衡式的裝置7。還包括活動(dòng)置于鉆頭本體3內(nèi)，只可在受限范圍內(nèi)沿軸向來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)刀翼體2，可動(dòng)刀翼體2可在鉆頭本體3內(nèi)沿鉆進(jìn)方向滑動(dòng)，但其不可繞鉆頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓜?dòng)刀翼體2與鉆頭本體3 間還設(shè)有為可動(dòng)刀翼體2提供軸向力的彈性元件，彈性元件優(yōu)選為彈簧，如本實(shí)施例所示， 彈簧為螺旋彈簧4，其套于可動(dòng)刀翼體2上。刀翼13設(shè)于可動(dòng)刀翼體2前端，可動(dòng)刀翼體2 末端設(shè)有承受泥漿壓力的受壓面6?？蓜?dòng)刀翼體2露出鉆頭本體3前端的部分整體呈“凸” 字形，其底部?jī)梢淼挚垦勒?4側(cè)面，從而牙掌14的側(cè)面限制可動(dòng)刀翼體2與鉆頭本體3的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，牙掌14的側(cè)面還設(shè)有用以限制可動(dòng)刀翼體2沿軸向來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)距離范圍的凸起的限位銷(xiāo)12，可動(dòng)刀翼體2前端“凸”字形部分底部?jī)梢碓谙蚯斑\(yùn)動(dòng)到一定距離時(shí)被該限位銷(xiāo)12阻擋從而達(dá)到限制伸縮距離的目的?？蓜?dòng)刀翼體2前端設(shè)有噴嘴9，其內(nèi)設(shè)有連通噴嘴9和所述受壓面6的泥漿通道8。
牙輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)使各牙齒10循環(huán)破巖，破巖機(jī)理為壓碎作用、小位移刮削作用。鉆頭本體3將由鉆柱傳送來(lái)的轉(zhuǎn)矩部分傳遞給可動(dòng)刀翼體2，進(jìn)而通過(guò)刀翼13上的金剛石復(fù)合片11對(duì)巖層進(jìn)行刮削破壞。這種混合設(shè)計(jì)充分利用了刀翼金剛石鉆頭(PDC鉆頭)與牙輪轉(zhuǎn)頭各自破碎不同類型巖層的優(yōu)勢(shì)。由于泥漿對(duì)受壓面6的壓力和彈簧4對(duì)可動(dòng)刀翼體2的作用力之和是在一個(gè)小范圍內(nèi)變化的。并且可動(dòng)刀翼體2與牙輪1的相對(duì)位置不固定，而是由其各自所受巖層作用力而變化的。在硬地層，泥漿對(duì)可動(dòng)刀翼體2的受壓面6的壓力與彈簧4對(duì)可動(dòng)刀翼體2的作用力之和不能充分滿足可動(dòng)刀翼體2破壞硬地層所需鉆壓，可動(dòng)刀翼體2的破巖速度減慢， 可動(dòng)刀翼體2相對(duì)于牙輪1向鉆進(jìn)的反方向運(yùn)動(dòng)，牙輪1承擔(dān)主要破巖任務(wù)。在軟地層，泥漿對(duì)可動(dòng)刀翼體2的受壓面6的壓力與彈簧4對(duì)可動(dòng)刀翼體2的作用力之和能充分滿足可動(dòng)刀翼2體破壞軟地層所需鉆壓，可動(dòng)刀翼體2的破巖速度加快，可動(dòng)刀翼體2相對(duì)于牙輪1向鉆進(jìn)的方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)可動(dòng)刀翼體2承擔(dān)主要破巖任務(wù)。實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于，其中彈性元件為碟形彈簧。實(shí)施例3:
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于，其中彈性元件為橡膠彈簧。實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，其區(qū)別在于，其中彈性元件為金屬橡膠。如上所述，彈性元件并不僅限于上述各實(shí)施例，其只要是能滿足本發(fā)明所需的為可動(dòng)刀翼體提供合適的軸向力的機(jī)件即可。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)混合鉆頭，包括混合式鉆頭，其鉆頭本體上同時(shí)設(shè)有牙輪和刀翼，所述牙輪和刀翼交錯(cuò)均布設(shè)置，所述牙輪設(shè)于鉆頭本體上的牙掌上，其特征在于還包括活動(dòng)置于所述鉆頭本體內(nèi)，只可在受限范圍內(nèi)沿軸向伸縮運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)刀翼體，所述可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體間還設(shè)有為可動(dòng)刀翼體提供軸向力的彈性元件，所述刀翼設(shè)于所述可動(dòng)刀翼體前端，所述可動(dòng)刀翼體末端設(shè)有承受泥漿壓力的受壓面。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)混合鉆頭，其特征在于所述牙掌的側(cè)面限制可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述牙掌的側(cè)面還設(shè)有用以限制可動(dòng)刀翼體沿軸向來(lái)回伸縮運(yùn)動(dòng)距離范圍的凸起的限位銷(xiāo)。
3.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)混合鉆頭，其特征在于所述可動(dòng)刀翼體前端設(shè)有噴嘴， 其內(nèi)設(shè)有連通噴嘴和所述受壓面的泥漿通道。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的自適應(yīng)混合鉆頭，其特征在于所述彈性元件為彈簧。
5.如權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)混合鉆頭，其特征在于所述彈簧為螺旋彈簧，其套于可動(dòng)刀翼體上。
6.如權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)混合鉆頭，其特征在于所述彈簧為蝶形彈簧、橡膠彈簧或金屬橡膠，其放置于可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體形成的內(nèi)腔里。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種石油天然氣開(kāi)采及其它鉆探使用的混合式鉆頭，其鉆頭本體上同時(shí)設(shè)有牙輪和刀翼，所述牙輪和刀翼交錯(cuò)均布設(shè)置，所述牙輪設(shè)于鉆頭本體上的牙掌上，還包括活動(dòng)置于所述鉆頭本體內(nèi)，只可在受限范圍內(nèi)沿軸向伸縮運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)刀翼體，所述可動(dòng)刀翼體與鉆頭本體間還設(shè)有為可動(dòng)刀翼體提供軸向力的彈性元件，所述刀翼設(shè)于所述可動(dòng)刀翼體前端，所述可動(dòng)刀翼體末端設(shè)有承受泥漿壓力的受壓面。本發(fā)明能根據(jù)受力自適應(yīng)地控制牙輪與刀翼的相對(duì)位置，優(yōu)化了牙輪和刀翼之間破巖量的分配，使破巖速度更快，適用性更廣。除此之外這種自適應(yīng)設(shè)計(jì)還將一般鉆頭與巖層的硬性沖擊優(yōu)化為柔性沖擊極大的保護(hù)了鉆頭自身。
文檔編號(hào)E21B10/50GK102561953SQ201210015420
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者況雨春, 張?jiān)乒? 鄧嶸 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)