主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型為一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，鉆頭本體內(nèi)設有鉆井液通道；鉆頭本體的端部沿其周向均勻間隔地設有多個軸向凸出部；凸出部上固定設有牙輪；一刀翼設置在所述多個牙輪之間，刀翼的中心部軸向固定連接有一中空導桿，該中空導桿軸向設置于鉆頭本體內(nèi)并與鉆井液通道導通；中空導桿由一驅(qū)動裝置控制固定于鉆頭本體內(nèi)或沿鉆頭本體軸向往復移動，中空導桿與鉆頭本體之間設有鍵連接。該主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭在不需要起鉆的前提下，通過主動調(diào)節(jié)PDC鉆頭和牙輪鉆頭的破巖量分配，滿足不同地層的鉆進要求；在合適的地層中，也可以單獨使用PDC鉆頭或牙輪鉆頭，充分發(fā)揮牙輪鉆頭與PDC鉆頭的優(yōu)點，與巖性相適應，從而大大提高鉆進速度，增加使用壽命。
【專利說明】主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭
【技術領域】
[0001]本實用新型是關于一種用于石油、天然氣鉆探開發(fā)的鉆頭，尤其涉及一種適用于較為復雜的非均質(zhì)地層進行勘探開發(fā)的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭。
【背景技術】
[0002]鉆頭是重要的井下工具之一，從原油生產(chǎn)成本上分析，原油生產(chǎn)成本主要包括勘探成本、開發(fā)成本和采油成本三部分，其中鉆井費用約占三分之一，降低鉆井費用最有效的措施就是提高鉆頭壽命和鉆井效率，因此，加大對鉆頭的技術革新極其重要，世界上很多國家都加大了對高效鉆頭的研制和新產(chǎn)品研發(fā)的投入。
[0003]鉆頭是在油氣井鉆井中直接破碎巖石的工具。鉆頭質(zhì)量的好壞和鉆頭與巖性是否相適應，對提高鉆進速度和降低鉆井成本起著重要作用。目前石油鉆井中使用最多的是三牙輪鉆頭和PDC鉆頭。常規(guī)PDC鉆頭在均質(zhì)大段松軟地層中具有機械鉆速快、壽命長、進尺多等優(yōu)點，但是在含有硬夾層的非均質(zhì)地層或較硬地層中鉆進時，PDC鉆頭的切削齒易發(fā)生沖擊損壞和高溫磨損現(xiàn)象，引起鉆頭前期損壞，其主要原因，一是PDC鉆頭的主要破巖方式是剪切，而硬地層或硬夾層的抗剪強度高，因而在鉆進過程中PDC切削齒承受著很大的扭轉(zhuǎn)力，容易引起鉆頭扭轉(zhuǎn)振動；二是當鉆頭鉆遇硬地層或硬夾層時，鉆頭容易發(fā)生回旋振動。扭轉(zhuǎn)振動和回旋振動都會導致PDC切削齒沖擊損壞，或發(fā)生金剛石層碎裂或整個金剛石層脫落。另外，由于硬地層或硬夾層的抗壓強度高，為使PDC切削齒有效切入地層，必須加大鉆壓，易使PDC切削齒發(fā)生高溫磨損破壞；實際鉆井過程中，每次由堅硬地層進入到中硬地層或由中硬地層進入堅硬地層時，PDC鉆頭扭矩都會發(fā)生變化。在貫穿非均質(zhì)地層時，這些扭矩的大幅度變化將會對鉆頭、底部鉆具組合的使用壽命和性能帶來很大負面影響。牙輪鉆頭由于品種多，適應地層范圍廣，使其成為現(xiàn)代石油鉆井中使用最廣泛的一種鉆頭；但牙輪鉆頭在鉆頁巖以及其他高塑性地層時的缺陷也漸漸成為一種詬病；在軟地層的鉆進時，牙齒間易積存巖屑產(chǎn)生泥包，影響鉆進效果；研磨性地層會使牙齒過快磨損，機械鉆速迅速降低，鉆頭進尺少，特別容易磨損鉆頭的保徑齒、背錐以及牙掌的掌尖，使鉆頭直徑磨小，更嚴重的會使軸承外漏、軸承密封失效，加速鉆頭損壞；在鉆非均質(zhì)地層和含夾層地層時，鉆速較低。
[0004]而復合式鉆頭可以改變鉆進機理和鉆頭的動力學穩(wěn)定性；復合式鉆頭具有較強的專用性，它可以大幅度提高牙輪鉆頭在頁巖或強塑性、易發(fā)生泥包地層中的性能，提高鉆進速度，減少鉆頭磨損，其適用于非均質(zhì)地層和含夾層地層?，F(xiàn)有復合式鉆頭是將牙輪和roc切削齒固定整合在一個鉆頭上，這種現(xiàn)有復合式鉆頭較PDC鉆頭與牙輪鉆頭更具優(yōu)越性；然而，現(xiàn)有復合式鉆頭在應對復雜地層時，不具備主動調(diào)節(jié)能力，不能使鉆井效率達到最優(yōu)化。
[0005]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關行業(yè)的經(jīng)驗與實踐，提出一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，以克服現(xiàn)有技術的缺陷。實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的在于提供一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，能夠主動調(diào)節(jié)PDC鉆頭和牙輪鉆頭的破巖量分配，以滿足不同地層的鉆進要求。
[0007]本實用新型的另一目的在于提供一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，以提高鉆頭的使用壽命和鉆進速度，適用于復雜的非均質(zhì)地層。
[0008]本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，該復合鉆頭包括有鉆頭本體，鉆頭本體內(nèi)軸向設有貫通的鉆井液通道；所述鉆頭本體的端部沿其周向均勻間隔地設有多個軸向凸出部；所述各凸出部上固定設有牙輪；所述該本體端部的中心部以及各凸出部之間的間隔部構成相互連通的放射狀溝槽；一呈放射狀的刀翼設置在所述放射狀溝槽中，所述刀翼的中心部軸向固定連接有一中空導桿，該中空導桿沿鉆頭本體軸向設置于所述鉆頭本體內(nèi)并與所述鉆井液通道導通；所述中空導桿由一驅(qū)動裝置控制固定于鉆頭本體內(nèi)或沿鉆頭本體軸向往復移動，中空導桿與鉆頭本體之間通過鍵連接；所述刀翼的中部設有與中空導桿連通的第一噴嘴；所述各凸出部上設有與鉆井液通道連通的第二噴嘴。
[0009]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述驅(qū)動裝置包括在鉆頭本體內(nèi)且位于鉆井液通道下方設置的一容置空間；該容置空間底部固定設有一密封端蓋；所述中空導桿下端穿過密封端蓋與密封端蓋下方的刀翼固定連接；中空導桿上端向上穿過容置空間并伸入鉆井液通道內(nèi)；所述容置空間內(nèi)設有一活塞，所述活塞與中空導桿固定設置；所述活塞將容置空間密封分隔為上腔和下腔；所述中空導桿與密封端蓋由導向鍵連接；所述鉆頭本體上分別設有連通所述上腔與鉆井液通道側(cè)壁的第一流道和連通所述下腔與鉆井液通道側(cè)壁的第二流道；所述鉆井液通道側(cè)壁上滑動地設有一換向滑套，所述換向滑套管壁上分別設有與第一流道導通的第一透孔和與第二流道導通的第二透孔；所述鉆頭本體上設有由鉆頭本體外部導通所述鉆井液通道的泄流道；所述換向滑套外壁面上分別設有導通第一流道與泄流道的第一缺槽，和導通第二流道與泄流道的第二缺槽。
[0010]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述第一流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口位于所述第二流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口的下方，所述泄流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口位于上述兩個開口中間；所述第一透孔位于第二透孔的上方；所述第二缺槽位于第一透孔的上方，第一缺槽位于第二透孔的下方；所述第一缺槽和第二缺槽均為圍繞換向滑套外壁圓周面設置的一段環(huán)槽；所述第一缺槽的寬度與第一流道開口和泄流道開口的軸向距離相等；所述第二缺槽的寬度與第二流道開口和泄流道開口的軸向距離相等；所述第一透孔下側(cè)至第二缺槽上側(cè)的軸向距離以及第二透孔上側(cè)至第一缺槽下側(cè)的軸向距離分別與第一流道開口至第二流道開口的軸向距離相等。
[0011]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述換向滑套為下端呈開口、上端設有端面的圓管狀結構，所述上端端面中心向上豎直設有一絲杠，上端端面上設有多個穿孔；所述換向滑套上部外壁周向間隔設有多個軸向?qū)Р郏龈鬏S向?qū)Р蹆?nèi)設有限位滑塊，所述限位滑塊固定在鉆井液通道的內(nèi)壁上；位于換向滑套上方的鉆井液通道中固定設有一密封套，所述密封套內(nèi)設有一步進電機，所述步進電機的轉(zhuǎn)子中心軸向設有一與所述絲杠螺旋配合的螺紋孔，所述絲杠密封穿過所述密封套并螺旋連接在所述螺紋孔中。
[0012]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述密封套由一支架固定于鉆井液通道中，所述支架上設有上下貫通的通孔。[0013]在本實用新型的一較佳實施方式中，在密封套內(nèi)且位于密封套上部設有一給步進電機供電的渦輪發(fā)電機，所述渦輪發(fā)電機的輸入軸向上密封伸出所述密封套，伸出的輸入軸上設置渦輪葉片。
[0014]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述呈放射狀的刀翼是由中心連接部和多個間隔設置的刀翼本體構成的；所述刀翼本體上設有金剛石；所述多個刀翼本體恰好設置在各凸出部之間的間隔部。
[0015]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述中空導桿與密封端蓋之間的導向鍵連接為花鍵連接；所述花鍵由中空導桿上間隔設置的滑塊和密封端蓋上相應設置的鍵槽構成。
[0016]在本實用新型的一較佳實施方式中，所述換向滑套外壁面與鉆井液通道內(nèi)壁面之間設有密封元件；所述中空導桿與鉆頭本體和密封端蓋的滑動連接處設有密封元件；所述活塞與容置空間內(nèi)壁之間設有密封元件。
[0017]由上所述，本實用新型的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，結合復合鉆頭的優(yōu)點，在不需要起鉆的前提下，通過主動調(diào)節(jié)PDC鉆頭和牙輪鉆頭的破巖量分配，滿足不同地層的鉆進要求；在合適的地層中，也可以單獨使用PDC鉆頭或牙輪鉆頭，充分發(fā)揮牙輪鉆頭與PDC鉆頭的優(yōu)點；這種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭由于可以通過主動調(diào)節(jié)的作用，滿足各種地層的鉆進需求，使鉆井效率最優(yōu)化，因而大大提高了鉆進速度，增加了使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]以下附圖僅旨在于對本實用新型做示意性說明和解釋，并不限定本實用新型的范圍。其中:
[0019]圖1:為本實用新型主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭的結構示意圖。
[0020]圖2:為本實用新型中鉆頭本體的仰視結構示意圖。
[0021]圖3:為圖1的仰視結構示意圖。
[0022]圖4:為圖1中A-A處剖面結構示意圖。
[0023]圖5:為圖1中C處局部放大結構示意圖。
[0024]圖6:為圖1中D處局部放大結構示意圖。
[0025]圖7:為圖1中B-B處剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的【具體實施方式】。
[0027]如圖1所示，本實用新型提出一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭100，該復合鉆頭100包括有圓柱形鉆頭本體1，鉆頭本體I內(nèi)軸向設有貫通的鉆井液通道19 ;所述鉆頭本體I的端部沿其周向均勻間隔地設有多個軸向凸出部15 ;所述各凸出部15上固定設有牙輪2 (牙輪2通過牙輪內(nèi)部軸承21固定于鉆頭本體I上，軸承21通過油道與儲油腔22連通，以此補充潤滑油；此連接結構與現(xiàn)有技術相同，在此不再贅述)；所述該鉆頭本體端部的中心部以及各凸出部之間的間隔部構成相互連通的放射狀溝槽16 (如圖2所示);一呈放射狀的刀翼3設置在所述放射狀溝槽16中(如圖3所示)，所述刀翼3的中心部軸向固定連接有一中空導桿4，該中空導桿4沿鉆頭本體I軸向設置于所述鉆頭本體內(nèi)并與所述鉆井液通道19導通；所述中空導桿4由一驅(qū)動裝置控制固定于鉆頭本體I內(nèi)或沿鉆頭本體I軸向往復移動，中空導桿4與鉆頭本體I之間通過鍵連接以傳遞扭矩；所述刀翼3的中部設有與中空導桿4連通的第一噴嘴31 ;所述各凸出部15上設有與鉆井液通道19連通的第二噴嘴151。
[0028]本實用新型的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，所述刀翼與牙輪可在限定的范圍內(nèi)作相對軸向移動，從而實現(xiàn)牙輪鉆頭與金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)換；當驅(qū)動裝置控制中空導桿并使刀翼固定于鉆頭本體中一適當位置時，所述復合鉆頭中的牙輪(牙輪鉆頭)和刀翼(金剛石鉆頭)能夠同時工作；當驅(qū)動裝置控制中空導桿并帶動刀翼向上運動到極限位置時，則僅有牙輪鉆頭工作；當驅(qū)動裝置控制中空導桿并帶動刀翼向下運動到極限位置時，則僅有金剛石鉆頭工作；在牙輪和刀翼同時工作位置狀態(tài)下，當?shù)兑硐鄬τ谘垒喰》秶\動時，則可以實現(xiàn)牙輪鉆頭與金剛石鉆頭破巖量分配的調(diào)節(jié)；由此，本實用新型的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭能夠?qū)崿F(xiàn)牙輪鉆頭與金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)牙輪鉆頭與金剛石鉆頭的破巖量分配。
[0029]由上所述，本實用新型的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，結合復合鉆頭的優(yōu)點，在不需要起鉆的前提下，通過主動調(diào)節(jié)PDC鉆頭和牙輪鉆頭的破巖量分配，滿足不同地層的鉆進要求；在合適的地層中，也可以單獨使用PDC鉆頭或牙輪鉆頭，充分發(fā)揮牙輪鉆頭與PDC鉆頭的優(yōu)點；這種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭由于可以通過主動調(diào)節(jié)的作用，滿足各種地層的鉆進需求，使鉆井效率最優(yōu)化，因而大大提高了鉆進速度，增加了使用壽命。
[0030]在本實施方式中，所述驅(qū)動裝置包括在鉆頭本體I內(nèi)且位于鉆井液通道19下方設置的一容置空間18 ;該容置空間18底部固定設有一密封端蓋5 (密封端蓋5以螺紋連接形式固定于鉆頭本體I上);所述中空導桿4下端穿過密封端蓋5與密封端蓋5下方的刀翼3固定連接(刀翼3與中空導桿4可以采用螺紋連接、焊接或以其它現(xiàn)有固定方式連接);中空導桿4上端向上穿過容置空間18并伸入鉆井液通道19內(nèi)；所述容置空間18內(nèi)密封滑設一活塞41，所述活塞41與中空導桿4固定連接；所述活塞41將容置空間18密封分隔為上腔181和下腔182 ;所述中空導桿4與密封端蓋5由導向鍵連接，以此限制刀翼3相對于鉆頭本體I的相對周向轉(zhuǎn)動(需要使用金剛石鉆頭鉆進時，扭轉(zhuǎn)力經(jīng)鉆頭本體I通過密封端蓋5傳遞到中空導桿4，帶動刀翼3切割巖石，實現(xiàn)破巖鉆進);所述鉆頭本體I上分別設有連通所述上腔181與鉆井液通道19側(cè)壁的第一流道11和連通所述下腔182與鉆井液通道19側(cè)壁的第二流道12 ;所述鉆井液通道側(cè)壁上滑動地設有一換向滑套6，所述換向滑套6管壁上分別設有與第一流道11導通的第一透孔61和與第二流道12導通的第二透孔62 ;所述鉆頭本體I上設有由鉆頭本體外部導通所述鉆井液通道19的泄流道13 ;所述換向滑套6外壁面上分別設有導通第一流道11與泄流道13的第一缺槽63，和導通第二流道12與泄流道13的第二缺槽64。所述第一流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口 111位于所述第二流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口 121的下方，所述泄流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口 131位于上述兩個開口 111、121軸向位置的中間；所述第一透孔61位于第二透孔62的上方；所述第二缺槽64位于第一透孔61的上方，第一缺槽63位于第二透孔62的下方；所述第一缺槽63和第二缺槽64均為圍繞換向滑套6外壁圓周面設置的一段環(huán)槽；所述第一缺槽63的寬度(圖示中的軸向高度)與第一流道開口 111和泄流道開口 131的軸向距離相等；所述第二缺槽64的寬度與第二流道開口 121和泄流道開口 131的軸向距離相等；所述第一透孔61下側(cè)至第二缺槽64上側(cè)的軸向距離以及第二透孔62上側(cè)至第一缺槽63下側(cè)的軸向距離分別與第一流道開口 111至第二流道開口 121的軸向距離相等。[0031 ] 進一步，在本實施方式中，如圖1所示，所述換向滑套6為下端呈開口、上端設有端面65的圓管狀結構,所述上端端面65中心向上豎直設有一絲杠66,上端端面65上設有多個穿孔651，由此，鉆井液能夠通過所述穿孔651進入換向滑套6下方的鉆井液通道中；所述換向滑套6上部外壁周向間隔設有多個軸向?qū)Р?7 (如圖4所示)，所述各軸向?qū)Р?7內(nèi)設有限位滑塊17，所述限位滑塊17固定在鉆井液通道19的內(nèi)壁上，限位滑塊17可限制換向滑套6相對于鉆頭本體I轉(zhuǎn)動；位于換向滑套6上方的鉆井液通道19中固定設有一密封套7，所述密封套7由一支架71固定于鉆井液通道19中，所述支架71上設有多個上下貫通的通孔711 ;所述密封套7內(nèi)設有一步進電機8，如圖5所示，所述步進電機8包括有繞組的定子鐵芯81、作為滑塊的轉(zhuǎn)子82、軸承83和電機端蓋84等；所述轉(zhuǎn)子82位于步進電機中部，由上、下滾動軸承83定位，定子鐵芯81位于所述轉(zhuǎn)子82外圍，由上、下電機端蓋84臺階定位；所述步進電機的轉(zhuǎn)子82的中心軸向設有一與所述絲杠66螺旋配合的螺紋孔821，所述絲杠66密封穿過所述密封套7并螺旋連接在所述螺紋孔821中，所述絲杠66與轉(zhuǎn)子的螺紋孔821構成螺旋傳動副(可以為滾珠絲杠副)。由于有限位滑塊17的限位作用，因此，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，通過螺旋傳動副可以使換向滑套6沿鉆井液通道上下移動。
[0032]如圖1、圖6所示，在本實施方式中，在密封套7內(nèi)且位于密封套上部設有一給步進電機8供電的渦輪發(fā)電機9，所述渦輪發(fā)電機9包括渦輪葉片91、輸入軸92、轉(zhuǎn)子磁鋼93、電樞94和滾動軸承95 ;所述轉(zhuǎn)子磁鋼93位于渦輪發(fā)電機中部，由上、下滾動軸承95定位，電樞94位于所述轉(zhuǎn)子磁鋼93外圍，由渦輪發(fā)電機的端蓋96上臺階定位；彈簧墊片97位于滾動軸承95與轉(zhuǎn)子磁鋼93之間，起到緩沖軸向振動的作用；所述輸入軸92與轉(zhuǎn)子磁鋼93配合，由滾動軸承95定位；所述渦輪發(fā)電機的輸入軸92向上密封伸出所述密封套7，伸出的輸入軸92上設置渦輪葉片91，渦輪葉片91位于密封套外，可與鉆井液直接接觸，由鉆井液驅(qū)動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)。
[0033]進一步，在本實施方式中，如圖3所示，所述呈放射狀的刀翼3是由中心連接部32和多個間隔設置的刀翼本體33構成的；所述刀翼本體33上設有金剛石331 ;所述多個刀翼本體33恰好設置在各凸出部15之間的間隔部，由此構成所述牙輪2和刀翼本體33呈周向均勻交錯布置；在本實施方式中，所述牙輪2和刀翼本體33分別設置三個。
[0034]如圖7所示，在本實施方式中，所述中空導桿4與密封端蓋5之間的導向鍵連接為花鍵連接；所述花鍵由中空導桿4上間隔設置的滑塊42和密封端蓋5上相應設置的鍵槽51構成。
[0035]在本實施方式中，所述換向滑套6外壁面與鉆井液通道19內(nèi)壁面之間設有密封元件；所述中空導桿4與鉆頭本體I和密封端蓋5的滑動連接處設有密封元件；所述活塞41與容置空間18內(nèi)壁之間設有密封元件。
[0036]下面結合附圖對本實施方式的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭100的使用過程作出描述。
[0037]如圖1、圖6所示，鉆井液經(jīng)鉆頭中間流道進入鉆頭，流經(jīng)渦輪發(fā)電機9的渦輪葉片91，由渦輪葉片91將流體的壓能或動能轉(zhuǎn)化為機械能，從而帶動輸入軸92轉(zhuǎn)動，輸入軸92增速后帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鋼93旋轉(zhuǎn)，渦輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子磁鋼93由三對磁極組成。其對應的電樞94中的導磁片也由三對組成，其上繞有線圈；當輸入軸92高速轉(zhuǎn)動帶動磁鋼93旋轉(zhuǎn)時，其三對磁通路中的磁通不斷改變方向，使線圈中形成變化的磁通；由于該變化磁通按設置的磁通路不斷的穿過電樞94中的線圈，線圈切割磁感線，從而在線圈中產(chǎn)生感應電動勢，此電動勢經(jīng)過整流、濾波后給下面步進電機8提供電能；彈簧墊片97位于滾動軸承95與轉(zhuǎn)子磁鋼93之間，起到緩沖軸向振動的作用。步進電機8的定子鐵芯81具有均勻分布的三對磁極，如圖5所示，磁極上繞有繞組，兩個相對磁極組成一組；步進電機8的動作由鉆井液脈沖控制(現(xiàn)有技術)；在輸送鉆井液的立管上引出一條分支管線，通過地面監(jiān)控計算機形成控制指令，控制脈沖閥的開啟與關閉；當脈沖閥打開時，鉆井液通過脈沖閥分流了正常排量的20%的鉆井液；由于鉆井液的瞬間分流，導致立管以及鉆柱內(nèi)壓力驟降；當脈沖閥關閉時，循環(huán)系統(tǒng)的壓力恢復到正常值；因此，通過脈沖閥的開啟與閉合，產(chǎn)生鉆井液壓力降、升的鉆井液負脈沖波形信號(此部分為現(xiàn)有成熟技術)。這種排量的變化必然會引起渦輪發(fā)電機9轉(zhuǎn)速的變化，進而引起電壓的變化。這種電壓的變化通過與渦輪發(fā)電機9相連的微處理器識別處理，負責向步進電機8發(fā)出指令。不同的鉆井液脈沖對應步進電機8不同的動作。由微處理器對步進電機8傳輸信號，每輸入一個脈沖信號，步進電機的轉(zhuǎn)子82就向前進一步，進而帶動轉(zhuǎn)子82轉(zhuǎn)動。步進電機轉(zhuǎn)子82的螺紋孔821與換向滑套6上端的絲杠組成滾珠絲杠機構，轉(zhuǎn)子82正向或反向轉(zhuǎn)動帶動換向滑套6上升或下降，限位滑塊17位于換向滑套6與鉆頭本體I內(nèi)壁之間，起到限制換向滑套6相對于鉆頭本體I周向旋轉(zhuǎn)的作用，使換向滑套6僅有垂直方向的自由度。當換向滑套6在絲杠的作用下上升時，第二透孔62與第二流道12接通，第一缺槽63接通第一流道11與泄流道13，此時鉆井液通過第二透孔62經(jīng)過第二流道12進入容置空間的下腔182，容置空間的上腔181的鉆井液經(jīng)第一流道11、第一缺槽63、進入泄流道13由環(huán)空流出，此時，活塞41在鉆井液液壓力作用下帶動中空導桿4及與其連接的刀翼3向上運動，實現(xiàn)復合鉆頭向牙輪鉆頭的轉(zhuǎn)換。當換向滑套6在絲杠的作用下下降時，第一透孔61與第一流道11接通，第二缺槽64接通第二流道12與泄流道13，此時鉆井液通過第一透孔61經(jīng)過第一流道11進入容置空間的上腔181，容置空間的下腔182的鉆井液經(jīng)第二流道12、第二缺槽64、進入泄流道13由環(huán)空流出，此時，活塞41在鉆井液液壓力作用下帶動中空導桿4及與其連接的刀翼3向下運動，實現(xiàn)復合鉆頭向金剛石鉆頭的轉(zhuǎn)換。換向滑套6外表面安裝多個密封圈，防止鉆井液在流道之間竄動，從而防止換向失效。鉆井液經(jīng)中空導桿4和相應流道由第一噴嘴31噴出，鉆井液經(jīng)相應流道由第二噴嘴151噴出，清洗牙輪和金剛石鉆頭。鉆頭本體I通過密封端蓋5將力傳遞給中空導桿4下端的花鍵，由中空導桿4帶動刀翼3轉(zhuǎn)動切割巖石。在鉆頭工作時，換向滑套6復位回復到中間位置，此時，第一流道11和第二流道12被換向滑套6封閉，容置空間18成為死腔，由此來承受鉆頭所承受的反作用力。
[0038]本實用新型的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭將普通牙輪鉆頭和金剛石鉆頭相結合，在應對復雜的地層時，可根據(jù)地層的不同要求，主動實現(xiàn)牙輪鉆頭與金剛石鉆頭之間的轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)牙輪鉆頭與金剛石鉆頭的破巖量分配；在合適的鉆進環(huán)境下，不僅加快了鉆進速度，延長了鉆頭的壽命，同時也大大提高了鉆井的經(jīng)濟效益。本實用新型主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭適用于復雜的多套地層的油氣勘探開發(fā)，具有鉆進速度快，工作壽命長，適應性強的優(yōu)點。
[0039]以上所述僅為本實用新型示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本實用新型的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬于本實用新型保護的范圍。
【權利要求】
1.一種主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，該復合鉆頭包括有鉆頭本體，鉆頭本體內(nèi)軸向設有貫通的鉆井液通道；其特征在于:所述鉆頭本體的端部沿其周向均勻間隔地設有多個軸向凸出部；所述各凸出部上固定設有牙輪；所述該本體端部的中心部以及各凸出部之間的間隔部構成相互連通的放射狀溝槽；一呈放射狀的刀翼設置在所述放射狀溝槽中，所述刀翼的中心部軸向固定連接有一中空導桿，該中空導桿沿鉆頭本體軸向設置于所述鉆頭本體內(nèi)并與所述鉆井液通道導通；所述中空導桿由一驅(qū)動裝置控制固定于鉆頭本體內(nèi)或沿鉆頭本體軸向往復移動，中空導桿與鉆頭本體之間通過鍵連接；所述刀翼的中部設有與中空導桿連通的第一噴嘴；所述各凸出部上設有與鉆井液通道連通的第二噴嘴。
2.如權利要求1所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述驅(qū)動裝置包括在鉆頭本體內(nèi)且位于鉆井液通道下方設置的一容置空間；該容置空間底部固定設有一密封端蓋；所述中空導桿下端穿過密封端蓋與密封端蓋下方的刀翼固定連接；中空導桿上端向上穿過容置空間并伸入鉆井液通道內(nèi)；所述容置空間內(nèi)設有一活塞，所述活塞與中空導桿固定設置；所述活塞將容置空間密封分隔為上腔和下腔；所述中空導桿與密封端蓋由導向鍵連接；所述鉆頭本體上分別設有連通所述上腔與鉆井液通道側(cè)壁的第一流道和連通所述下腔與鉆井液通道側(cè)壁的第二流道；所述鉆井液通道側(cè)壁上滑動地設有一換向滑套，所述換向滑套管壁上分別設有與第一流道導通的第一透孔和與第二流道導通的第二透孔；所述鉆頭本體上設有由鉆頭本體外部導通所述鉆井液通道的泄流道；所述換向滑套外壁面上分別設有導通第一流道與泄流道的第一缺槽，和導通第二流道與泄流道的第二缺槽。
3.如權利要求2所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述第一流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口位于所述第二流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口的下方，所述泄流道連通鉆井液通道側(cè)壁的開口位于上述兩個開口中間；所述第一透孔位于第二透孔的上方；所述第二缺槽位于第一透孔的上方，第一缺槽位于第二透孔的下方；所述第一缺槽和第二缺槽均為圍繞換向滑套外壁圓周面設置的一段環(huán)槽；所述第一缺槽的寬度與第一流道開口和泄流道開口的軸向距離相等；所述第二缺槽的寬度與第二流道開口和泄流道開口的軸向距離相等；所述第一透孔下側(cè)至第二缺槽上側(cè)的軸向距離以及第二透孔上側(cè)至第一缺槽下側(cè)的軸向距離分別與第一流道開口至第二流道開口的軸向距離相等。
4.如權利要求3 所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述換向滑套為下端呈開口、上端設有端面的圓管狀結構，所述上端端面中心向上豎直設有一絲杠，上端端面上設有多個穿孔；所述換向滑套上部外壁周向間隔設有多個軸向?qū)Р?，所述各軸向?qū)Р蹆?nèi)設有限位滑塊，所述限位滑塊固定在鉆井液通道的內(nèi)壁上；位于換向滑套上方的鉆井液通道中固定設有一密封套，所述密封套內(nèi)設有一步進電機，所述步進電機的轉(zhuǎn)子中心軸向設有一與所述絲杠螺旋配合的螺紋孔，所述絲杠密封穿過所述密封套并螺旋連接在所述螺紋孔中。
5.如權利要求4所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述密封套由一支架固定于鉆井液通道中，所述支架上設有上下貫通的通孔。
6.如權利要求4所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:在密封套內(nèi)且位于密封套上部設有一給步進電機供電的渦輪發(fā)電機，所述渦輪發(fā)電機的輸入軸向上密封伸出所述密封套，伸出的輸入軸上設置渦輪葉片。
7.如權利要求1所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述呈放射狀的刀翼是由中心連接部和多個間隔設置的刀翼本體構成的；所述刀翼本體上設有金剛石；所述多個刀翼本體恰好設置在各凸出部之間的間隔部。
8.如權利要求2所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述中空導桿與密封端蓋之間的導向鍵連接為花鍵連接；所述花鍵由中空導桿上間隔設置的滑塊和密封端蓋上相應設置的鍵槽構成。
9.如權利要求2所述的主動調(diào)節(jié)型復合鉆頭，其特征在于:所述換向滑套外壁面與鉆井液通道內(nèi)壁面之間設有密封元件；所述中空導桿與鉆頭本體和密封端蓋的滑動連接處設有密封元件；所述活塞與容置 空間內(nèi)壁之間設有密封元件。
【文檔編號】E21B10/60GK203515325SQ201320630368
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權日:2013年10月12日
【發(fā)明者】劉忠, 孟堯, 蘇龍龍 申請人:中國石油大學(北京)