技术领域
[0001] 本
发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种液压自适应钻头。
背景技术
[0002] 随着油气勘探开发的不断深入，浅层易开发常规油气资源越来越少，而深部复杂非常规油气资源正逐步成为勘探开发的重点。在深井超深井及复杂地质条件下，经常会遇到诸如
花岗岩、硬
砂岩、砾岩等难钻
岩石，其普遍具有硬度大、非均质强、可钻性差、
研磨性高等特点，现在常用的破岩工具常规PDC钻头在
破碎这类岩石时往往出现破岩速度慢、钻头寿命短、破岩成本高等问题，给钻井带来新的
风险和挑战：
[0003] (1)新的钻探需求带来的挑战：随着
页岩气、致密稠油、地热等非常规资源勘探开发的不断深入，深井、超深井、大位移井和长直
水平井正被越来越广泛地应用，和常规浅层直井钻进相比，由于井深和复杂井段数目的增加，钻井风险和成本也急剧提高，这都对PDC钻头个性化设计和综合性能提升提出了更高的要求；(2)特殊
地层性质带来的挑战：深部复杂地质条件下，岩石具有更高的硬度、更大的研磨性、更强的抗钻性和更复杂的非均质性，同时由于地层的坍塌破裂压
力变化更加复杂，井底
温度提升，
钻井液性质更加难以控制，这都会导致常规PDC钻头在进行破岩时，钻头难以稳定吃入地层岩石，纵向横向扭转等震动更加剧烈，磨损也更加严重，钻头
稳定性、破岩效率、使用寿命均急剧下降，极易发生早期失效和各种复杂的井下事故。常规PDC钻头在这些复杂岩石中钻进时，钻速普遍低于2m/h，总进尺小于60m，一些PDC钻头还会出现进尺小于10m就发生失效的现象，极大地制约了非常规资源的高效勘探开发。
[0004] 针对目前的挑战，有如下几种应对方式：(1)降低钻压和转速来防止事故发生的概率。其不足之处在于：严重降低钻井速度，增加钻井成本；(2)使用井下
增压器和冲击工具来提升PDC钻头的破岩效率，从而控制钻井成本，其不足之处在于：加剧了钻头震动、降低了钻头使用寿命和稳定性等；(3)采用PDC-孕镶
块混合液压自适应钻头，自动识别地层岩性的变化，从而使钻头更好的适应地层，其不足之处在于：采用简单的倒伏机构结合U形
弹簧设计，一定程度上实现了在软硬不同地层自动采用不同切削单元进行切削的目的，但是功能相对单一，并不能在保持PDC齿破岩效率高的同时增加其适应地层的能力，同时由于增加了钻头切削结构的活动性，导致钻头整体强度下降，且该钻头采用取芯钻头设计，并不能用于全尺寸PDC钻头。
[0005] 由此，本
发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种液压自适应钻头，以克服
现有技术的
缺陷。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种液压自适应钻头，克服现有技术中存在的问题，该钻头具有自动适应岩层变化的能力，能提高复杂地层的钻井效率，降低钻井成本，增强钻头稳定性，降低钻井事故发生的概率，提高钻井收益。
[0007] 本发明的目的是这样实现的，一种液压自适应钻头，包括钻头本体，所述钻头本体内设置有顶端开口的中心孔，所述钻头本体的底端沿周向间隔设置多个切削齿组，各所述切削齿组包括一靠近所述钻头本体的径向中心设置的活动齿，所述活动齿位于所述钻头本体内部的一端连接设置有允许所述活动齿伸缩活动的液压自适应结构，各所述切削齿组还包括多个固定设置于所述活动齿径向外侧的固定齿。
[0008] 在本发明的一较佳实施方式中，所述液压自适应结构包括所述钻头本体内设置的底端开口的第一
活塞腔体，所述第一活塞腔体内自底部密封滑动穿设有第一活塞，所述第一活塞的另一端固定连接于所述活动齿上；所述第一活塞腔体的顶部通过第一液管与上部液压结构密封连通。
[0009] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第一活塞腔体和所述第一活塞
自下而上斜向所述钻头本体的径向外侧设置。
[0010] 在本发明的一较佳实施方式中，所述上部液压结构包括固定设置于所述中心孔内的
第二活塞腔体，所述第二活塞腔体内密封滑动设有第二活塞，所述第二活塞的顶部设置有密封滑动穿设通过所述第二活塞腔体顶部的第二
活塞杆，所述第二活塞腔体位于所述第二活塞下方的空间构成第二活塞无杆腔，所述第二活塞无杆腔的底部通过所述第一液管与所述第一活塞腔体的顶部密封连通；
[0011] 所述上部液压结构还包括固定设置于所述中心孔内的第三活塞腔体，所述第三活塞腔体内密封滑动设有第三活塞，所述第二活塞杆的顶端密封滑动穿设通过所述第三活塞腔体的底部且与所述第三活塞的底端固定连接，所述第三活塞腔体内位于所述第三活塞下方的空间构成第三活塞有杆腔，所述第三活塞腔体内位于所述第三活塞上方的空间构成第三活塞无杆腔，所述第三活塞无杆腔内设置能缓阻所述第三活塞上下移动的缓阻结构。
[0012] 在本发明的一较佳实施方式中，所述缓阻结构包括一端顶抵连接于所述第三活塞的顶部的缓阻弹簧，所述缓阻弹簧的另一端顶抵于所述第三活塞腔体的顶部；所述第三活塞无杆腔的
侧壁顶部通过第二液管和第三液管密封连通于所述第三活塞有杆腔的侧壁底部，所述第二液管上串接有允许液体自所述第三活塞无杆腔流向所述第三活塞有杆腔的第一单向
阀，所述第三液管上串接有允许液体自所述第三活塞有杆腔流向所述第三活塞无杆腔的第二
单向阀，所述第三液管的内径尺寸大于所述第二液管的内径尺寸，所述第二单向阀的开口尺寸大于所述第一单向阀的开口尺寸。
[0013] 在本发明的一较佳实施方式中，所述缓阻结构还包括固定设置于所述第三活塞无杆腔内的阻液筒，所述阻液筒上设置有上下贯通的过液孔，所述第三活塞的顶部设有向上延伸设置且能穿设通过所述过液孔的阻液柱，所述过液孔的内径尺寸大于所述阻液柱的外径尺寸，所述缓阻弹簧的一端顶抵连接于所述阻液柱的顶端。
[0014] 在本发明的一较佳实施方式中，所述第三活塞上设置有至少一个允许液体自所述第三活塞有杆腔流向所述第三活塞无杆腔的第三单向阀，所述第三单向阀位于所述阻液柱的径向外侧，所述第三单向阀的开口尺寸大于所述第一单向阀的开口尺寸。
[0015] 在本发明的一较佳实施方式中，所述钻头本体的侧壁顶部设置有锥
螺纹部。
[0016] 由上所述，本发明提供的液压自适应钻头具有如下有益效果：
[0017] 本发明的液压自适应钻头中设置活动齿，活动齿伸缩活动，使得本发明的液压自适应钻头能自动适应软硬地层的变化，有效地吸收钻削过程中液压自适应钻头跳动的
能量，减轻液压自适应钻头的震动，防止粘滑现象的出现；本发明的液压自适应钻头能
自动调节固定齿的切削深度，提高复杂地层的钻井效率，增强钻头稳定性，降低钻井成本，降低钻井事故发生的概率；本发明的液压自适应钻头能在高钻压、高转速的钻井条件下钻井，且能在花岗岩、砾岩和软硬夹层岩等复杂地层中稳定钻井，适应性强，提高钻井收益，利于推广使用。
附图说明
[0018] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
[0019] 图1：为本发明的液压自适应钻头的活动齿伸出状态下结构示意图。
[0020] 图2：为本发明的液压自适应钻头的活动齿收缩状态下结构示意图。
[0021] 图中：
[0022] 100、液压自适应钻头；
[0023] 1、钻头本体；
[0024] 11、中心孔；111、固定腔；
[0025] 12、锥螺纹部；
[0026] 2、切削齿组；
[0027] 21、活动齿；22、固定齿；
[0028] 3、液压自适应结构；
[0029] 311、第一活塞腔体；312、第一活塞；
[0030] 321、第二活塞腔体；322、第二活塞；323、第二活塞杆；
[0031] 331、第三活塞腔体；332、第三活塞；
[0032] 34、缓阻弹簧；
[0033] 35、阻液筒；351、过液孔；
[0034] 36、阻液柱；
[0035] 41、第一液管；42、第二液管；43、第三液管；
[0036] 51、第一单向阀；52、第二单向阀；53、第三单向阀。
具体实施方式
[0037] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0038] 如图1、图2所示，本发明提供一种液压自适应钻头100，包括钻头本体1，钻头本体1内设置有顶端开口的中心孔11，钻头本体1的底端沿周向间隔设置多个切削齿组2，各切削齿组2包括一靠近钻头本体的径向中心设置的活动齿21，活动齿21位于钻头本体1内部的一端连接设置有允许活动齿21伸缩活动的液压自适应结构3，各切削齿组2还包括多个固定设置于活动齿21径向外侧的固定齿22。
[0039] 本发明的液压自适应钻头中设置活动齿，活动齿伸缩活动，使得本发明的液压自适应钻头能自动适应软硬地层的变化，有效地吸收钻削过程中液压自适应钻头100跳动的能量，减轻液压自适应钻头100的震动，防止粘滑现象的出现；本发明的液压自适应钻头能自动调节固定齿的切削深度，提高复杂地层的钻井效率，增强钻头稳定性，降低钻井成本，降低钻井事故发生的概率；本发明的液压自适应钻头能在高钻压、高转速的钻井条件下钻井，且能在花岗岩、砾岩和软硬夹层岩等复杂地层中稳定钻井，适应性强，提高钻井收益，利于推广使用。
[0040] 进一步，如图1、图2所示，液压自适应结构3包括钻头本体1内设置的底端开口的第一活塞腔体311，第一活塞腔体311内自底部密封滑动穿设有第一活塞312，第一活塞312的另一端固定连接于活动齿21上；第一活塞腔体311的顶部通过第一液管41与上部液压结构密封连通。当液压自适应钻头100在软土层破岩时，由于地层的特性，固定齿22的切削深度会较大，此时活动齿21受岩层的压力沿第一活塞腔体311的轴向收缩进入钻头本体1的内部，第一活塞腔体311内的液体沿第一液管41进入上部液压结构，活动齿21收缩，从而进一步增加固定齿22的切削深度，提高液压自适应钻头100在软土层的破岩效率，降低钻井时间；当液压自适应钻头100在硬地层中钻井时，由于地层的特性，固定齿22的切削深度减小，活动齿21受压减弱，在力的平衡作用下，上部液压结构内的液体沿第一液管41进入第一活塞腔体311内并推动第一活塞312沿第一活塞腔体311的轴向下移，使得活动齿21下移伸出钻头本体1，从而进一步减小固定齿22的切削深度，有效提高钻头的稳定性和寿命，提高破岩效率。
[0041] 进一步，如图1、图2所示，第一活塞腔体311和第一活塞312自下而上斜向钻头本体1的径向外侧设置。第一活塞腔体311和第一活塞312倾斜设置，使得活动齿21上所受到的岩层反作用力方向与第一活塞312的设置方向相同或相近，第一活塞312的移动更加顺畅。
[0042] 进一步，如图1、图2所示，上部液压结构包括固定设置于中心孔11内的第二活塞腔体321，在本实施方式中，中心孔11的内壁上设置固定腔111，第二活塞腔体321固定设置在固定腔111内；第二活塞腔体321内密封滑动设有第二活塞322，第二活塞322的顶部设置有密封滑动穿设通过第二活塞腔体321顶部的第二活塞杆323，第二活塞腔体321位于第二活塞322下方的空间构成第二活塞无杆腔，第二活塞无杆腔的底部通过第一液管41与第一活塞腔体311的顶部密封连通。上部液压结构还包括固定设置于中心孔11内的第三活塞腔体331，第三活塞腔体331内密封滑动设有第三活塞332，第二活塞杆323的顶端密封滑动穿设通过第三活塞腔体331的底部且与第三活塞332的底端固定连接，第三活塞腔体331内位于第三活塞332下方的空间构成第三活塞有杆腔，第三活塞腔体331内位于第三活塞332上方的空间构成第三活塞无杆腔，第三活塞无杆腔内设置能缓阻第三活塞上下移动的缓阻结构。
[0043] 进一步，如图1、图2所示，缓阻结构包括一端顶抵连接于第三活塞332的顶部的缓阻弹簧34，缓阻弹簧34的另一端顶抵于第三活塞腔体331的顶部；第三活塞无杆腔的侧壁顶部通过第二液管42和第三液管43密封连通于第三活塞有杆腔的侧壁底部，第二液管42上串接有允许液体自第三活塞无杆腔流向第三活塞有杆腔的第一单向阀51，第三液管43上串接有允许液体自第三活塞有杆腔流向第三活塞无杆腔的第二单向阀52，第三液管43的内径尺寸大于第二液管42的内径尺寸，第二单向阀52的开口尺寸大于第一单向阀51的开口尺寸。缓阻结构能够有效地减缓活动齿21的收缩速度，活动齿21收缩时，第一活塞腔体311内的液体沿第一液管41进入第二活塞无杆腔，第二活塞322上移并通过第二活塞杆323推动第三活塞332上移，第三活塞332上移时，缓阻弹簧34压缩并对第三活塞332产生向下的阻力，进而减缓第三活塞332的上移速度，第三活塞332上移，第三活塞无杆腔内的液体通过第二液管
42、第一单向阀51流向第三活塞有杆腔。第三液管43的内径尺寸大于第二液管42的内径尺寸，第二单向阀52的开口尺寸大于第一单向阀51的开口尺寸，第三活塞有杆腔内的液体更容易向上流入第三活塞无杆腔，第三活塞无杆腔内的液体不容易向下流入第三活塞有杆腔。
[0044] 进一步，如图1、图2所示，缓阻结构还包括固定设置于第三活塞无杆腔内的阻液筒35，阻液筒35上设置有上下贯通的过液孔351，第三活塞332的顶部设有向上延伸设置且能穿设通过过液孔的阻液柱36，过液孔351的内径尺寸大于阻液柱36的外径尺寸，缓阻弹簧34的一端顶抵连接于阻液柱36的顶端。阻液柱36与过液孔351之间能构成较小的液体流道，阻液筒35能够有效减缓第三活塞无杆腔内液体的上流运动，进一步减缓第三活塞332上移速度，进而实现活动齿21的收缩速度，使得活动齿21的运动更加稳定。
[0045] 进一步，如图1、图2所示，第三活塞332上设置有至少一个允许液体自第三活塞有杆腔流向第三活塞无杆腔的第三单向阀53，第三单向阀53位于阻液柱36的径向外侧。第三单向阀53的开口尺寸大于第一单向阀51的开口尺寸，第三活塞有杆腔内的液体更容易向上流入第三活塞无杆腔。
[0046] 进一步，如图1、图2所示，钻头本体1的侧壁顶部设置有锥螺纹部12。钻头本体1的顶部通过锥螺纹部12连接
钻杆(现有技术)，进行钻削作业。锥螺纹部12使得钻头本体1与钻杆之间实现更加稳定的密封连接。
[0047] 使用本发明的液压自适应钻头100进行钻井作业时，首先将液压自适应钻头100安装在钻杆上，通过地面的钻机(现有技术)驱动液压自适应钻头100旋转，从而进行破岩。
[0048] 当液压自适应钻头100在软土层破岩时，由于地层的特性，固定齿22的切削深度会较大，此时活动齿21受岩层的压力沿第一活塞腔体311的轴向收缩进入钻头本体1的内部(如图2所示)，第一活塞腔体311内的液体沿第一液管41进入第二活塞无杆腔，第二活塞322上移并通过第二活塞杆323推动第三活塞332上移，第三活塞332上移时，第三活塞无杆腔内的液体通过第二液管42、第一单向阀51流向第三活塞有杆腔，同时缓阻弹簧34压缩并对第三活塞332产生向下的阻力，阻液筒35对第三活塞无杆腔内的液体上行也产生阻力，三者共同作用减缓第三活塞332的上移速度，第三活塞332在第三活塞有杆腔内液体推力作用下上升直至到达极限高度，此时缓阻弹簧34压缩至最短长度。活动齿21缓慢收缩，吸收液压自适应钻头100钻削过程中的跳
动能量，减轻液压自适应钻头100的震动，活动齿21收缩，从而进一步增加固定齿22的切削深度，提高液压自适应钻头100在软土层的破岩效率，降低钻井时间。
[0049] 当液压自适应钻头100在硬地层中钻井时，由于地层的特性，固定齿22的切削深度减小，活动齿21受压减弱，在缓阻弹簧34的向下的作用力的作用下，第三活塞332下移，第三活塞有杆腔内液体通过第三液管43、第二单向阀52以及第三活塞332上第三单向阀53进入第三活塞无杆腔，第三活塞332下移并通过第二活塞杆323推动第二活塞322下移，第二活塞无杆腔内的液体通过第一液管41流入第一活塞腔体311内并推动第一活塞312沿第一活塞腔体311的轴向下移，使得活动齿21下移伸出钻头本体1(如图1所示)，从而进一步减小固定齿22的切削深度，有效提高钻头的稳定性和寿命，提高破岩效率。
[0050] 由于活动齿21的活动特性，液压自适应钻头100能够更好地适应软硬交错的地层，活动齿21伸缩移动，吸收钻削过程中液压自适应钻头100跳动的能量，减轻液压自适应钻头100的震动，防止粘滑现象的出现。
[0051] 由上所述，本发明提供的液压自适应钻头具有如下有益效果：
[0052] 本发明的液压自适应钻头中设置活动齿，活动齿伸缩活动，使得本发明的液压自适应钻头能自动适应软硬地层的变化，有效地吸收钻削过程中液压自适应钻头跳动的能量，减轻液压自适应钻头的震动，防止粘滑现象的出现；本发明的液压自适应钻头能自动调节固定齿的切削深度，提高复杂地层的钻井效率，增强钻头稳定性，降低钻井成本，降低钻井事故发生的概率；本发明的液压自适应钻头能在高钻压、高转速的钻井条件下钻井，且能在花岗岩、砾岩和软硬夹层岩等复杂地层中稳定钻井，适应性强，提高钻井收益，利于推广使用。
[0053] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与
修改，均应属于本发明保护的范围。
