技术领域
[0001] 本
发明涉及钻井工具领域，具体的是一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，还是一种含有该用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元的钻头。
背景技术
[0002] 石油
天然气资源是经济保持持续发展、关系国家战略安全的重要物资。近年来，油气开采已不可逆转得走向了深部复杂
地层，其显著特点是硬度高、压
力高、
温度高。
[0003] PDC钻头是目前公认的钻进效率高的破岩工具，但在深部硬地层钻进时易出现憋跳、摆动、屈曲、粘滑振动等有害振动现象。钻至硬地层或软硬交互等复杂岩性地层时，钻头切削齿吃深过大需较大
能量才能
破碎岩石，此时钻头突然停止转动，
钻柱扭矩增大、钻头内能积聚，直至剪切破碎齿前岩石，内能释放使钻头以数倍于转盘的转速旋转，使钻柱某
中性点承受双方向交替扭转。
[0004] 钻具长期发生粘滑振动，将导致破岩效率下降、钻具寿命缩短，甚至破坏井筒完整性、引发断钻具等严重事故，造成进尺、周期与成本的浪费。因此，寻求改进钻头结构、发展高效钻头是解决粘滑振动的根本症结，对提高钻井效率、缩短周期、高效开发非常规资源具有重要的现实意义。
[0005] 目前对于井下钻具有害振动的识别判断主要通过
有限元分析、地面测量判断、井下仪器测量等方法。近期的一些研究成果指出，钻头结构设计对钻具粘滑振动的表现有显著的影响，发生粘滑振动的根源在于钻头与岩石的相互作用。由于地层的岩石力学性质变化以及岩石的
各向异性，导致钻头切削齿吃入深度的变化，进而导致钻头破岩效率和井底运动状态的变化。
[0006] 基于对粘滑振动的研究，一些文献提出了相应的解决方法，主要有钻井参数优化、减震工具、钻头结构设计等。Kyllingstad(基林施塔得)和Hasley(哈斯利)提出减小井底静
摩擦力或控制转盘转速以及通过安装井下工具来钻头转速；李文飞等发明一种减震器来实时调节钻头与井底的相对
位置；一些新型钻头增加了限位齿、限位
块等结构设计等等。
[0007] 以上解决方法的应用程度大多比较有限，虽能够在一定程度上减弱钻具粘滑振动或其他有害振动形式，但仍主要存在以下问题：粘滑振动产生机理不清；工具结构复杂，应用对象要求严格、局限性强；在减弱有害振动的同时也严重影响了钻进速度。
发明内容
[0008] 为了解决现有钻头存在的粘滑振动问题。本发明提供了一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和钻头，该用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元能够带动钻头限位齿运动、以及控制限位齿伸缩，使钻进时钻头吃入岩石的深度得到优化，将有效消除或减弱钻头与钻具粘滑振动的发生，且结构简单、无
电子元件，能够适应井下复杂恶劣的工作条件。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，包括
液压缸筒、下行循环管路、上行循环管路、
活塞和
连杆，液压缸筒内含有液压腔，液压腔被活塞分隔为上腔室和下腔室，下行循环管路和上行循环管路均设置于液压腔外，下行循环管路的两端分别与上腔室和下腔室连通，上行循环管路的两端分别与上腔室和下腔室连通，上行循环管路的过流面积大于下行循环管路的过流面积，下行循环管路上设有下行单向
阀，上行循环管路上设有上行
单向阀，连杆的上端与活塞连接固定，连杆的下端位于液压缸筒外；当活塞向下移动时，下腔室内的
流体仅能够通过上行循环管路进入到上腔室内；当活塞向上移动时，上腔室内的流体仅能够通过下行循环管路进入到下腔室内。
[0010] 上腔室和下腔室均设有液体。
[0011] 下行循环管路和上行循环管路均设置于液压缸筒外。
[0012] 上腔室内设有能够给活塞提供回复力的上弹性部件。
[0014] 下腔室内设有能够给活塞提供回复力的下弹性部件。
[0015] 上弹性部件和下弹性部件均为弹簧；当上弹性部件和下弹性部件在自然伸长状态下，上弹性部件和下弹性部件的总长度大于上腔室和下腔室的总高度时，上弹性部件的弹性系数大于下弹性部件的弹性系数；当上弹性部件和下弹性部件在自然伸长状态下，上弹性部件和下弹性部件的总长度小于上腔室和下腔室的总高度时，上弹性部件的弹性系数小于下弹性部件的弹性系数。
[0016] 一种钻头，所述钻头含有上述的用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和用于钻进的工作部，该工作部含有切削齿和限位齿，连杆的下端与限位齿连接固定，限位齿、活塞和连杆能够同步往复移动。
[0017] 所述的用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元设置于该钻头的
胎体内，当所述钻头的工作部朝下时，限位齿位于该工作部的最下端的切削齿的上方。
[0018] 限位齿与该工作部的最下端的切削齿之间形成高度差，该高度差为0mm～3mm。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 使用安装有本发明自适应限位齿控制单元的钻头在地层中钻进，切削齿与限位齿之间存在一定高度差，切削齿切削深度突然要增大时，由于本发明控制单元的下行循环管路3内径小、流速低，活塞连同限位齿向上移动慢，使瞬时的切削深度保持不变，避免了因吃入深度过大而导致钻头停转；而当钻进软地层时，由于本发明控制单元两个液压腔室间流体的流动，将活塞逐渐顶向了腔室上部或顶部，从而提高了钻头在钻进软地层时的机械钻速；如再次进入复杂地层，由于本发明所述控制单元的上行循环管路4内径较大，活塞下行速度较快，钻头一次主动或被动的提离井底即可将切削齿与限位齿间的高度差恢复，消除粘滑振动的发生。
[0021] 此外，使用安装有本发明自适应限位齿控制单元的钻头在地层中钻进时，由于不含有电子元件，能够更好的适应井下恶劣的工况条件。即使因密封或机械问题发生故障导致工具失效，也不会影响钻头本身的破岩钻进性能，按照正常的使用周期起钻更换即可。
附图说明
[0022] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性
实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0023] 图1是本发明所述用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元的结构示意图。
[0024] 图2是本发明所述钻头的工作部的示意图。
[0025] 1、液压缸筒；2、液压腔；3、下行循环管路；4、上行循环管路；5、活塞；6、连杆；7、上腔室；8、下腔室；9、液体；10、下弹性部件；11、下行单向阀；12、上行单向阀；13、限位齿；14、切削齿；15、上弹性部件。
具体实施方式
[0026] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0027] 一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，包括液压缸筒1、下行循环管路3、上行循环管路4、活塞5和连杆6，液压缸筒1内含有液压腔2，液压腔2被活塞5分隔为上腔室7和下腔室8，下行循环管路3和上行循环管路4均设置于液压腔2外，下行循环管路3的两端分别与上腔室7和下腔室8连通，上行循环管路4的两端分别与上腔室7和下腔室8连通，上行循环管路4的内径(过流面积)大于下行循环管路3的内径(过流面积)，下行循环管路3上设有下行单向阀11，上行循环管路4上设有上行单向阀12，连杆6呈直立状态，连杆6的上端与活塞5连接固定，连杆6的下端位于液压缸筒1外，活塞5和连杆6能够同步上下移动；当活塞5向下移动时，活塞5
挤压下腔室8内的流体，使下腔室8内的流体仅能够通过上行循环管路4(而不通过下行循环管路3)进入到上腔室7内；当活塞5向上移动时，活塞5挤压上腔室7内的流体，上腔室7内的流体仅能够通过下行循环管路3(而不通过上行循环管路4)进入到下腔室8内，如图1所示。
[0028] 在本实施例中，上腔室7和下腔室8均设有液体9，如液压油。下行循环管路3和上行循环管路4均设置于液压缸筒1外。上行单向阀12使上行循环管路4内的流体仅能够从下腔室8流入至上腔室7内；下行单向阀11使下行循环管路3内的流体仅能够从上腔室7流入至下腔室8内。上行循环管路4位于液压缸筒1外的左侧，下行循环管路3位于液压缸筒1外的右侧。
[0029] 在本实施例中，上腔室7内设有能够给活塞5提供回复力的上弹性部件15。上弹性部件15为弹簧或类似结构。下腔室8内设有能够给活塞5提供回复力的下弹性部件10。下弹性部件10为弹簧或类似结构。上弹性部件15和下弹性部件10可以均为弹簧；当上弹性部件15和下弹性部件10在自然伸长状态下(即不受力的状态下)，上弹性部件15和下弹性部件10的长度之和大于上腔室7和下腔室8的高度之和时，则上弹性部件15的弹性系数大于下弹性部件10的弹性系数；当上弹性部件15和下弹性部件10在自然伸长状态下，上弹性部件15和下弹性部件10的长度之和小于上腔室7和下腔室8的高度之和时，上弹性部件15的弹性系数小于下弹性部件10的弹性系数。
[0030] 上弹性部件15的上端与液压缸筒1的上部连接，上弹性部件15的下端与活塞5的上端连接。下弹性部件10的上端与活塞5的下端连接，下弹性部件10的下端与液压缸筒1的下部连接。其中，上弹性部件15和下弹性部件10的长度为其在图1中上下方向的尺寸，上腔室7和下腔室8的高度也为其在图1中上下方向的尺寸。
[0031] 下面介绍一种钻头，所述钻头含有上述的用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和用于钻进的工作部，该钻头呈直立状态，该工作部含有切削齿14和限位齿13，连杆6的下端与限位齿13的上端连接固定，限位齿13、活塞5和连杆6能够同步上下往复移动，如图1和图2所示。
[0032] 在本实施例中，所述钻头含有一个或多个上述的用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，所述的用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元可以设置于该钻头的胎体内或胎体外。当所述钻头的工作部朝下时，限位齿13位于该工作部的最下端的切削齿14的上方。限位齿13与该工作部的最下端的切削齿14之间形成高度差，该高度差为0mm～3mm。当所述钻头含有多个上述的用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元时，该控制单元的连杆6与限位齿13一一对应连接。
[0033] 为了便于理解和描述，本发明中采用了绝对位置关系进行表述，其中的方位词“上”表示图1中的上侧方向，“下”表示图1中的下侧方向，“左”表示图1中的左侧方向，“右”表示图1中的右侧方向。可以理解为本发明使用了阅读本发明的读者的观察视
角。但上述方位词不能理解或解释为是对本发明保护范围的限定。
[0034] 使用本发明所述的钻头在地层中钻进时，切削齿16与限位齿13之间存在一定高度差。切削齿切削深度突然要增大时，由于本发明控制单元的下行循环管路3的内径小、流速低，活塞5连同限位齿13向上移动慢，使瞬时的切削深度保持不变，避免了因吃入深度过大而导致钻头停转；而当钻进软地层时，由于本发明控制单元两个液压腔室(上腔室7和下腔室8)间流体的流动，将活塞5逐渐顶向了腔室上部或顶部，从而提高了钻头在钻进软地层时的机械钻速；如再次进入复杂地层，由于本发明所述控制单元的上行循环管路4内径较大，活塞下行速度较快，钻头一次主动或被动的提离井底即可将切削齿与限位齿间的高度差恢复，消除粘滑振动的发生。
[0035] 为更好的实现本发明的应用目的，所述活塞通过强力弹簧或类似装置，至少与腔室上壁面连接，或同时在两侧与腔室上壁面及下壁面连接，在弹簧与腔内流体的平衡受力作用下，活塞紧贴或靠近腔体下壁面。从而使钻头切削齿与限位齿间的高度差在较大范围内变化，硬地层中钻进时保持小体积切削，较软地层中钻进时高度差增大，从而提高并保持较高机械钻速。
[0036] 所述活塞在液压腔内做所述往复运动时，上下腔室容积不断变化，腔室内流体通过所述两条循环管路在两腔室间流动。所述两条循环管路均安装有单向阀或类似装置，使左侧为上行循环管路4、右侧为下行循环管路3。所述两条循环管路内径不同，上行循环管路4的内径为d1，下行循环管路3的内径为d2，且d1＞d2。在相同条件下，两条管路内的流体流速不同、活塞带动限位齿往复运动的速度不同，下腔室8内流体通过上行循环管路4以流速V1流入上腔室7，上腔室7内流体通过上行循环管路4以流速V2流入下腔室8，且V1＞V2，活塞5带动限位齿13以速度v1向上移动，活塞5带动限位齿13以速度v2向下移动，且v1＜v2。流速V1和活塞移动速度v2应该为恒定值。从而使钻头在复杂地层中钻进时，切削齿突遇较软岩石，限位齿与所述活塞向上移动速度较小，消除切削齿吃深增大的趋势，从而避免粘滑振动发生。
而从软地层突遇硬岩石时，切削齿瞬时离开井底，此时限位齿与所述活塞向初始位置恢复的移动速度较大，齿间高度差与切削体积快速减小，从而避免粘滑振动发生。
[0037] 所述自适应限位齿控制单元预装在钻头胎体内，前端与钻头限位齿连接或设计为钻头限位齿，根据所述控制单元所在胎体内位置，将所述连杆制作成直杆或一套机械传动装置。从而使不同尺寸、不同外型的各类钻头均可安装所述自适应限位齿控制单元，提高钻头抑止粘滑振动的性能。
[0038] 具体的，活塞5通过弹簧至少与腔室上壁面连接，或同时在两侧与腔室上壁面及下壁面连接，在弹簧与腔内流体的平衡受力作用下，活塞紧贴或靠近腔体下壁面。所述活塞5可在所述液压腔内做上下往复运动，所述活塞通过所述
传动连杆与钻头限位齿连接并同步运动。即当钻头
接触地层岩石时，限位齿受到向上外力，或当钻头离开地层岩石时，限位齿所受外力释放，使限位齿连同连杆、活塞一同做上下往复运动。
[0039] 所述液压腔室内为密封结构，所述活塞进行往复运动时，腔室内流体不发生腔室间和向腔室外的密封
泄漏。所述活塞在液压腔内做所述往复运动时，上下腔室容积不断变化，腔室内流体通过所述两条循环管路在两腔室间流动。
[0040] 下面介绍上述用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和钻头的具体安装及使用情况。
[0041] 实施例一：
[0042] 本发明涉及一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，主要由液压腔、两条循环管路、活塞、连杆四部分组成。所述活塞置于液压腔内，并将液压腔分隔为两个腔室，即上腔室与下腔室，所述上下两个腔室内充满流体。所述活塞通过强力弹簧或类似装置与腔室壁面连接。所述两条循环管路置于液压腔外部，分别联通两个腔室，两条管路分别安装单向阀与且具有不同大小的内径。所述连杆一段与活塞连接，另一端与置于钻头切削齿后的限位齿连接。
[0043] 实施例二：
[0044] 本发明涉及一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，主要由液压腔、两条循环管路、活塞、连杆四部分组成。所述活塞置于液压腔内，并将液压腔分隔为两个腔室，即上腔室与下腔室，所述上下两个腔室内充满流体。所述活塞通过强力弹簧或类似装置与腔室壁面连接。所述两条循环管路置于液压腔外部，分别联通两个腔室，两条管路分别安装单向阀与且具有不同大小的内径。所述连杆一段与活塞连接，另一端与置于钻头切削齿后的限位齿连接。所述活塞通过强力弹簧或类似装置，至少与腔室上壁面连接，或同时在两侧与腔室上壁面及下壁面连接，在弹簧与腔内流体的平衡受力作用下，活塞紧贴或靠近腔体下壁面。
[0045] 实施例三：
[0046] 本发明涉及一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，主要由液压腔、两条循环管路、活塞、连杆四部分组成。所述活塞置于液压腔内，并将液压腔分隔为两个腔室，即上腔室与下腔室，所述上下两个腔室内充满流体。所述活塞通过强力弹簧或类似装置与腔室壁面连接。所述两条循环管路置于液压腔外部，分别联通两个腔室，两条管路分别安装单向阀与且具有不同大小的内径。所述连杆一段与活塞连接，另一端与置于钻头切削齿后的限位齿连接。所述活塞通过强力弹簧或类似装置，至少与腔室上壁面连接，或同时在两侧与腔室上壁面及下壁面连接，在弹簧与腔内流体的平衡受力作用下，活塞紧贴或靠近腔体下壁面。所述活塞在液压腔内做所述往复运动时，上下腔室容积不断变化，腔室内流体通过所述两条循环管路在两腔室间流动。所述两条循环管路均安装有单向阀或类似装置，使左侧为上行循环管路4、右侧为下行循环管路3。所述两条循环管路内径不同，大小分别为d1、d2且d1＞d2，使相同条件下两条管路内的流体流速不同、活塞带动限位齿往复运动的速度不同，下腔室内流体通过上行循环管路4以流速V1流入上腔室，上腔室内流体通过上行循环管路4以流速V2流入下腔室，且V1＞V2，活塞带动限位齿以速度v1向上移动、以速度v2向下移动，且v1＜v2。流速V1和活塞移动速度v2应该为恒定值。
[0047] 实施例四：
[0048] 本发明涉及一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，主要由液压腔、两条循环管路、活塞、连杆四部分组成。所述活塞置于液压腔内，并将液压腔分隔为两个腔室，即上腔室与下腔室，所述上下两个腔室内充满流体。所述活塞通过强力弹簧或类似装置与腔室壁面连接。所述两条循环管路置于液压腔外部，分别联通两个腔室，两条管路分别安装单向阀与且具有不同大小的内径。所述连杆一段与活塞连接，另一端与置于钻头切削齿后的限位齿连接。所述活塞通过强力弹簧或类似装置，至少与腔室上壁面连接，或同时在两侧与腔室上壁面及下壁面连接，在弹簧与腔内流体的平衡受力作用下，活塞紧贴或靠近腔体下壁面。所述活塞在液压腔内做所述往复运动时，上下腔室容积不断变化，腔室内流体通过所述两条循环管路在两腔室间流动。所述两条循环管路均安装有单向阀或类似装置，使左侧为上行循环管路4、右侧为下行循环管路3。所述两条循环管路内径不同，大小分别为d1、d2且d1＞d2，使相同条件下两条管路内的流体流速不同、活塞带动限位齿往复运动的速度不同，下腔室内流体通过上行循环管路4以流速V1流入上腔室，上腔室内流体通过上行循环管路4以流速V2流入下腔室，且V1＞V2，活塞带动限位齿以速度v1向上移动、以速度v2向下移动，且v1＜v2。流速V1和活塞移动速度v2应该为恒定值。所述自适应限位齿控制单元预装在钻头胎体内，前端与钻头限位齿连接或设计为钻头限位齿，根据所述控制单元所在胎体内位置，将所述连杆制作成直杆或一套机械传动装置。
[0049] 以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明
专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
