[發明專利]一種適用于深部難鉆硬地層的主動旋轉伸縮式復合鉆頭

在審

• 申請號: 201610214191.0
• 申請日: 2016-04-08
• 公開（公告）號: CN105649536A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 黃志強;晏瑀琪;謝豆;張文琳;李剛;張凱
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/16
• 分類號: E21B10/16;E21B10/18;E21B10/20;E21B10/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種適用于深部難鉆硬地層的主動旋轉伸縮式復合鉆頭，用于油氣鉆 探與開發的鉆頭，屬于石油天然氣開發裝備技術領域。

背景技術

隨著我國國民經濟的高速發展，國家對油氣資源的需求急劇增加，供需矛盾日益 嚴峻。目前我國尚未開發的油氣資源主要埋藏在深部難鉆硬地層，而現有形式的鉆頭 位于深部難鉆硬地層破巖時，破巖效率低,鉆頭損壞嚴重，起下鉆頻繁，鉆井成本變高 等問題已成為制約勘探開發、提速增效的技術瓶頸。如在紅河油田等水平井鉆井中， 鉆遇深部硬脆性大、研磨性高的灰巖巖層時，鉆頭損壞嚴重，最嚴重的一口井鉆頭消 耗多達29只，起下鉆高達37次之多，平均鉆井周期長達490天以上，鉆頭切削齒崩 裂、脫落情況嚴重，機械鉆速不到0.7m/h。因此，研發新型破巖工具，以提高深部硬 地層鉆頭破巖效率和使用壽命已成為當前重要的課題之一。

基于此，本發明提出一種適用于深部難鉆硬地層的主動旋轉伸縮式復合鉆頭，使 其面臨深部難鉆硬地層時，破巖效率更高，使用壽命更長。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種適用于深部難鉆硬地層的主動 旋轉伸縮式復合鉆頭，通過在地面上主動調節泥漿泵所提供的鉆井液流量，來控制地 層下位于復合鉆頭中心牙輪鉆頭的伸出和縮回。當鉆進硬地層時，中心伸出的牙輪可 先對破巖地層鉆一小孔，使巖石地應力得以釋放，以此造成巖石的前期損傷破壞，大 大降低巖石的強度。再利用周向PDC刀翼刮削、破碎巖石，在相同的鉆壓與扭矩作用 下，可減輕鉆頭粘滑振動、壓持效應，且極大提高鉆頭的破巖效率，增加了鉆頭的在 不同地層下的適應性。

本發明采用的技術方案是：

本發明一種適用于深部難鉆硬地層的主動旋轉伸縮式復合鉆頭，主要由鉆頭本體、 動力端外殼、齒條活塞缸、第一安全閥孔、第二安全閥孔、窄口活塞、寬口活塞、弧 形齒條、齒輪、鉆井液通孔、伸縮柱、梯形外螺紋、三孔平板、牙掌、牙輪、牙輪牙 齒、PDC刀翼、PDC牙齒、流道口、泄流口組成，所述鉆頭本體上段固連動力端外殼， 所述動力端外殼內嵌有一段兩端截面積大小不同的齒條活塞缸；所述齒條活塞缸內設 有與齒條活塞缸兩端截面相匹配的窄口活塞和寬口活塞，所述窄口活塞與寬口活塞間 由一弧形齒條連接，且均位于齒條活塞缸中；所述齒條活塞缸兩端分別設有尺寸大小 相等的第一安全閥孔和第二安全閥孔；齒條活塞缸左右兩腔側壁均設有尺寸大小相同 的泄流口；嵌于齒條活塞缸內部的齒輪與弧形齒條相嚙合，所述齒輪中央設有鉆井液 通孔；齒輪下端固連伸縮柱，且位于鉆頭本體內；所述伸縮柱下端外側攻有梯形外螺 紋，在鉆頭本體內攻有梯形內螺紋，兩者相互匹配；伸縮柱末端固連三孔平板，所述 三孔平板上均勻分布的三個圓孔分別連接三個尺寸大小相同的牙掌；所述牙掌通過末 端軸承連接牙輪，所述牙輪上鑲有若干牙輪牙齒；所述鉆頭本體下端同時設有PDC刀 翼與牙輪，且鉆頭本體內軸向設有貫通的鉆井液通道；所述PDC刀翼沿鉆頭本體外壁 周向均勻布置，構成中心空槽；所述伸縮柱帶動三孔平板上的牙輪，軸向穿過中心空 槽，實現牙輪的軸向運動。

所述第一、第二安全閥孔上分別安裝限制不同流量的安全閥，分別限制流量，即鉆 井液流量升高至70L/s-80L/s時，僅第一安全閥孔上的安全閥打開；鉆井液流量升高 至80L/s-90L/s時，第一、第二安全閥均打開。

所述泄流口的流量始終小于第一、第二安全閥的流量。

當不同流量的鉆井液通過第一安全閥孔、第二安全閥孔流進齒條活塞缸的左、右兩 腔，實現弧形齒條的周向旋轉；齒輪在弧形齒條的帶動下實現周向旋轉，伸縮柱在齒 輪及梯形螺紋的共同作用下，實現軸向伸縮運動。