一种PDC钻头抗制动装置 |
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| 申请号 | CN201310510878.5 | 申请日 | 2013-10-27 | 公开(公告)号 | CN104563857A | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 中国石油化工集团公司; 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院; | 发明人 | 张辉; 蔡文军; 梁海明; 鲁金峰; | ||||
| 摘要 | 一种PDC 钻头 抗 制动 装置，包括上接头、碟簧、多头外螺旋 花键 伸缩接头和多头内螺旋花键接头。其中是：上接头下部与多头内螺旋花键接头连接固定；多头外螺旋花键伸缩接头上端深入多头内螺旋花键接头内，且多头外螺旋花键伸缩接头和多头内螺旋花键接头通过局部螺旋花键传动副构成配合，多头外螺旋花键伸缩接头下端伸出多头内螺旋花键接头外部，并带有下接头；碟簧设在上接头与多头外螺旋花键伸缩接头之间轴向环形空腔内；多头外螺旋花键伸缩接头与多头内螺旋花键接头之间还设有相互配合的止推台阶。本 发明 可提高钻进机械钻速，改善卡—滑严重的井眼钻进效果，提高PDC钻头的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种PDC钻头抗制动装置，包括上接头（1）、碟簧（5）、多头外螺旋花键伸缩接头（10）和多头内螺旋花键接头（12），其特征是：上接头（1）下部与多头内螺旋花键接头（12）连接固定；多头外螺旋花键伸缩接头（10）上端深入多头内螺旋花键接头（12）内，且多头外螺旋花键伸缩接头（10）和多头内螺旋花键接头（12）通过局部螺旋花键传动副（18）构成配合，多头外螺旋花键伸缩接头（10）下端伸出多头内螺旋花键接头（12）外部，并带有下接头；碟簧（5）设在上接头与多头外螺旋花键伸缩接头（10）之间轴向环形空腔内；多头外螺旋花键伸缩接头（10）与多头内螺旋花键接头（12）之间还设有相互配合的止推台阶（9）。 |
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| 说明书全文 | 一种PDC钻头抗制动装置技术领域背景技术[0002] 上世纪80年代兴起的PDC钻头技术为全球钻井工业的快速发展发挥了巨大的作用，尽管PDC钻头效率很高，但已证明它产生的动力和能量冲击的程度足以使其自身、底部钻具组合（BHA）中的仪器部分和钻柱连接扣遭到破坏，PDC钻头在钻进快速剧烈变化地层期间由钻头与地层间的作用引起的振动通常很难预测，因此想通过钻头与钻进参数的选择来避免这样的振动难以做到。目前国内钻、修井作业过程中，还没有一种装置能够减少PDC钻头在钻进过程中频繁发生制动，保持PDC钻头的工作稳定性，防止钻头先期损坏，从而提高PDC钻头的机械钻速和单只进尺；消除由于钻进软硬交错层状地层导致的钻柱扭矩波动、制动和失速，以及由此带来的对井下电子测量仪器、钻柱螺纹的损害，从而达到降低振动、减少钻柱制动、防止井下设备失效的目的。检索“PDC钻头抗制动”关键词，无符合条件的公开专利存在。 发明内容[0003] 本发明目的是为了弥补现有技术的空白，提供一种PDC钻头抗制动装置，依次克服现有技术中的不足，使用时只需要将PDC钻头抗制动装置连接在钻柱上，就能够消除在难钻地层中由切削齿导致的扭矩振动和钻柱制动以及由此带来的有害作用，能够在多种应用场合下减少振动，除了常规的钻进作业以外，还可以减少扩划眼和过油管磨铣作业过程中的振动。 [0004] 本发明设计路线是将增大的引起钻头制动的钻进扭矩转化为底部钻具组合的一个轴向收缩，钻头切削齿吃入地层深度减少，使钻头的钻压立刻降低，维持钻进恒定的扭转载荷。 [0005] 本发明为解决上述技术问题通过以下技术方案实现的：一种PDC钻头抗制动装置，包括上接头1、碟簧5、多头外螺旋花键伸缩接头10和多头内螺旋花键接头12。其中是：上接头1下部与多头内螺旋花键接头12连接固定；多头外螺旋花键伸缩接头10上端深入多头内螺旋花键接头12内，且多头外螺旋花键伸缩接头10和多头内螺旋花键接头12通过局部螺旋花键传动副18构成配合，多头外螺旋花键伸缩接头 10下端伸出多头内螺旋花键接头12外部，并带有下接头；碟簧5设在上接头与多头外螺旋花键伸缩接头10之间轴向环形空腔内；多头外螺旋花键伸缩接头10与多头内螺旋花键接头12之间还设有相互配合的止推台阶9。 [0006] 上述方案还包括：所述的多头外螺旋花键伸缩接头10是防掉接头8和多头外螺旋花键伸缩接头10两部分连接构成，其中防掉接头8顶部与碟簧5对接，防掉接头8下端部与多头外螺旋花键伸缩接头10连接处形成外止推台阶9；所述的多头内螺旋花键接头12是由中筒体3和多头内螺旋花键接头12两部分连接构成，其中中筒体3上端部与上接头固定连接，中筒体3下端部与多头内螺旋花键接头12连接处形成内止推台阶9；内、外止推台阶9之间构成轴向阻挡配合。 [0007] 上述方案进一步包括：所述的上接头1下部延伸有内支撑管，该内支撑管与中筒体3构成环形空腔，碟簧5连同碟簧预紧环4装在该环形空腔内。 [0008] 所述多头内螺旋花键接头12下端通过螺纹连接密封套14，该密封套14与多头外螺旋花键伸缩接头10伸出部分构成轴向滑动密封配合。 [0010] 所述的防掉接头8与中筒体3之间设有Y形密封圈7。 [0011] 所述的多头外螺旋花键伸缩接头10与密封套14之间通过防尘圈17、卡尔斯密封16和Y形密封圈15形成轴向滑动密封配合。 [0012] 本发明的装置应用在钻井、修井作业中，作为底部钻具组合（BHA）的一个组成部分，PDC钻头抗制动装置可以快速持续地阻止钻头制动，从而限制严重卡--滑振动的形成。这种井下PDC钻头抗制动装置的工作原理是将增大的引起钻头制动的钻进扭矩转化为底部钻具组合（BHA）的一个轴向收缩，使钻头的钻压立刻降低，钻压的快速降低引起钻头切削齿吃入地层深度的减少，从而维持钻头继续旋转。轴向收缩转化是通过一个多头螺旋花键传动副实现的。正常状态下多头外螺旋花键伸缩接头与多头内螺旋花键接头处于螺旋花键啮合状态，在多头外螺旋花键伸缩接头顶部受压的状态下，多头内螺旋花键接头可以通过螺旋配合向多头外螺旋花键伸缩接头传递扭矩。碟簧预紧环数量设定预紧压力大小，预紧压力通过防掉接头作用在多头外螺旋花键伸缩接头上，多头外螺旋花键伸缩接头向下作用在多头内螺旋花键接头台阶上，限制其向下移动，预紧压力通过多头螺旋花键转化为预设扭矩，在钻进扭矩超出预设扭矩时，多头外螺旋花键伸缩接头通过多头螺旋花键向上运动。多头外螺旋花键伸缩接头下端收缩的同时，位于多头外螺旋花键伸缩接头和防掉接头上部、PDC钻头抗制动装置中筒体内的高强度碟簧作为减振器会被压缩，之后碟簧吸收的能量会反馈给系统中多头内螺旋花键接头。当作用于钻头上的转矩降低时，PDC钻头抗制动装置将相应地伸长，可以自动增加扭矩，钻头将始终平稳地钻进，从而维持一个恒定的扭转载荷。这种能够吸收与释放能量的系统可以实现连续不断地工作，而不需要中途调整；上接头内支撑管上套装的位移传感器记录井下PDC钻头抗制动装置伸缩位移，起钻后可以回放数据，用作地层分析对比应用。 [0014] 图1为本发明的PDC钻头抗制动装置结构示意图。 [0015] 图中：1、上接头，2、O形密封圈，3中筒体，4碟簧预紧环，5、碟簧，6、位移传感器，7、Y形密封圈，8、防掉接头，9、止推台阶，10、多头外螺旋花键伸缩接头，11、O形密封圈，12、多头内螺旋花键接头，13、O形密封圈，14密封套，15、Y形密封圈，16、卡尔斯密封，17、防尘圈，18、螺旋花键传动副。 具体实施方式[0016] 实施例1，参考附图1，一种PDC钻头抗制动装置，包括上接头1、碟簧5、多头外螺旋花键伸缩接头10和多头内螺旋花键接头12。其中是：上接头1下部与多头内螺旋花键接头12连接固定；多头外螺旋花键伸缩接头10上端深入多头内螺旋花键接头12内，且多头外螺旋花键伸缩接头10和多头内螺旋花键接头12通过局部螺旋花键传动副18构成配合，多头外螺旋花键伸缩接头10下端伸出多头内螺旋花键接头12外部，并带有下接头；碟簧5设在上接头与多头外螺旋花键伸缩接头10之间轴向环形空腔内；多头外螺旋花键伸缩接头10与多头内螺旋花键接头12之间还设有相互配合的止推台阶9。 [0017] 实施例2，在实施例1的基础上还包括：所述的多头外螺旋花键伸缩接头10是防掉接头8和多头外螺旋花键伸缩接头10两部分连接构成，其中防掉接头8顶部与碟簧5对接，防掉接头8下端部与多头外螺旋花键伸缩接头10连接处形成外止推台阶9；所述的多头内螺旋花键接头12是由中筒体3和多头内螺旋花键接头12两部分连接构成，其中中筒体3上端部与上接头固定连接，中筒体3下端部与多头内螺旋花键接头12连接处形成内止推台阶9；内、外止推台阶9之间构成轴向阻挡配合。 [0018] 基于上述实施例1或2的方案进一步包括：所述的上接头1下部延伸有内支撑管，该内支撑管与中筒体3构成环形空腔，碟簧5连同碟簧预紧环4装在该环形空腔内。 [0019] 所述多头内螺旋花键接头12下端通过螺纹连接密封套14，该密封套14与多头外螺旋花键伸缩接头10伸出部分构成轴向滑动密封配合。 [0020] 在套装碟簧5的环形空间内还设有位移传感器6。 [0021] 所述的防掉接头8与中筒体3之间设有Y形密封圈7。 [0022] 所述的多头外螺旋花键伸缩接头10与密封套14之间通过防尘圈17、卡尔斯密封16和Y形密封圈15形成轴向滑动密封配合。 [0024] 参照附图1，一种PDC钻头抗制动装置，包括上接头1、中筒体3、碟簧预紧环4、碟簧5、位移传感器6、防掉接头8、多头外螺旋花键伸缩接头10、多头内螺旋花键接头12、密封套14、防尘圈17和密封圈2、7、11、13、15、16。多头外螺旋花键伸缩接头10上套装有密封套14，密封套14与多头外螺旋花键伸缩接头10之间设有密封圈15、16与防尘圈17。上接头1上方接钻铤，多头外螺旋花键伸缩接头10下端带有的下接头接PDC钻头。 [0025] 多头内螺旋花键接头12中段设有公螺旋花键，多头外螺旋花键伸缩接头10的对应位置设有母螺旋花键，多头内螺旋花键接头12与多头外螺旋花键伸缩接头10通过可旋入的公、母螺旋花键组成螺旋配合的螺旋花键传动副18。多头内螺旋花键接头12下端通过螺纹与密封套14连接，多头内螺旋花键接头12内设有止推台阶9，多头内螺旋花键接头12上端通过螺纹连接中筒体3。多头外螺旋花键伸缩接头10下端为标准钻具扣型，向下为连接钻头方向，上端通过螺纹连接防掉接头8。中筒体3上端连接上接头1，上接头1部延伸有碟簧5内支撑管，内支撑管下端插入防掉接头8内。内支撑管上套有碟簧预紧环4、碟簧5、位移传感器6，装在中筒体3内部。上接头1与中筒体3、中筒体3与多头内螺旋花键接头12、多头内螺旋花键接头12与密封套14、之间分别设有O形密封圈2、11、13，防掉接头8与中筒体3之间设有双向Y形密封圈7，多头外螺旋花键伸缩接头10与密封套14间设有防尘圈17、卡尔斯密封16和Y形密封圈15。 [0026] 该井下PDC钻头抗制动装置的工作原理是将增大的将引起钻头制动的钻进扭矩转化为底部钻具组合（BHA）的一个轴向收缩，使钻头的钻压立刻降低，钻压的快速降低引起钻头切削齿吃入地层深度的减少，从而维持钻头继续旋转。轴向收缩转化是通过一个多头螺旋花键传动副实现的，正常状态下多头外螺旋花键伸缩接头10与多头内螺旋花键接头12处于螺旋啮合状态，多头内螺旋花键接头12可以通过螺旋配合向多头外螺旋花键伸缩接头10传递扭矩。碟簧预紧环4数量设定预紧压力大小，预紧压力通过防掉接头8作用在多头外螺旋花键伸缩接头10上，多头外螺旋花键伸缩接头10向下作用在多头内螺旋花键接头12台阶上，限制其向下移动，预紧压力通过多头螺旋花键转化为预设扭矩，在钻进扭矩超出预设扭矩时，多头外螺旋花键伸缩接头10通过多头螺旋花键向上运动，多头外螺旋花键伸缩接头10下端伸出多头内螺旋花键接头12的部分发生缩颈，整个PDC钻头抗制动装置的轴向长度变短。多头外螺旋花键伸缩接头10下端收缩的同时，位于多头外螺旋花键伸缩接头10和防掉接头8上部、PDC钻头抗制动装置中筒体3内的高强度碟簧5作为减振器会被压缩，之后碟簧5吸收的能量会反馈给系统中多头内螺旋花键接头12，当作用于钻头上的转矩降低时，PDC钻头抗制动装置将相应地伸长，可以自动增加扭矩，钻头将始终平稳地钻进，从而维持一个恒定的扭转载荷。这种能够吸收与释放能量的系统可以实现连续不断地工作，而不需要中途调整。上接头1内支撑管上套装的位移传感器6记录井下PDC钻头抗制动装置伸缩位移，位移传感器采用磁感应滑块直线环形位移传感器，内置电池与大容量存储器，有效行程满足要求，设有缓冲行程，精度满足0.15%～0.04%满量程范围，表面处理，防腐蚀，内置导电塑料测量单元，无温漂，寿命长，起钻后可以回放数据，用作地层分析对比应用。 |
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