CN111594054B

CN111594054B - 一种防堵pdc钻头及使用方法

Info

Publication number: CN111594054B
Application number: CN202010508677.1A
Authority: CN
Inventors: 孙继光; 赵果; 王尧军; 范玉栋
Original assignee: Shengli Oil Field Wanhe Oil Construction Technique ltd LLC
Current assignee: Shengli Oil Field Wanhe Oil Construction Technique ltd LLC
Priority date: 2020-06-06
Filing date: 2020-06-06
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2040-06-06
Also published as: CN111594054A

Abstract

本发明涉及石油、地质钻头装置技术领域，具体涉及一种防堵PDC钻头及其使用方法包括钻头本体和立式钻井泵，所述立式钻井泵包括泵体罩、驱动电机和泵轮，所述驱动电机固定设置在泵体罩的上表面，所述驱动电机的输出轴伸入泵体罩的内腔与泵轮相连接，所述泵体罩的侧面连接有进水管，所述泵体罩的下表面连接有出水管；本发明在旋转空心轴与钻头体之间设置圆筒，圆筒外表面设置螺旋肋条，其螺旋肋条在随钻头体旋转的过程中，其螺旋肋条起到运输螺旋叶的作用，能够将沟道中被冲刷出的岩屑向上方运输，从而快速将岩屑排出，防止岩屑堆积，能够有效防止其钻头体被堵塞，其结构简单，防堵塞效果优异。

Description

一种防堵PDC钻头及使用方法

技术领域

本发明涉及石油、地质钻头装置技术领域，具体涉及一种防堵PDC钻头及其使用方法。

背景技术

钻头是钻井破碎岩石的主要工具，从出现至今，针对不同的地层及岩性，已发展成不同的类型和系列。通常在选择钻头的时候，在考虑工程、地质条件的同时，兼顾经济效益方面因素。PDC钻头是一种聚晶金刚石复合片钻头，现有的岩屑不易堵塞的PDC钻头在对中软地层和硬夹层进行钻进，当钻头在高速钻进时，由于切削齿产生的岩屑较多，易产生岩屑的堆积。目前，由于刀翼之间的沟道与钻头体的中轴线平行，钻头体在钻进转动的过程中，岩屑会堆积在沟道中，使得岩屑不易排出，岩屑只会随着岩屑的不断增多，被挤出沟道。在钻孔过程中，齐国岩屑的排出不畅，使得钻头在钻进时受到的阻力增大，影响钻头钻进的速度，且岩屑与钻头不断的摩擦，对钻头的刀翼和切削齿的使用状况会造成严重影响。

专利号为CN110374517A的发明公开了一种防堵PDC钻头，内锥和外锥都有一定高度，冠部轮廓采用国际钻井承包商协会钻头剖面分类表中2，3，5，6所描述的冠部轮廓，PDC钻头切削齿选择Φ19mm～*13mm复合片，该PDC钻头通过对喷嘴的特殊设计，能够使得钻孔过程中的岩屑从沟道间冲刷，但是当PDC上方岩屑堆积较多时，仅依靠喷嘴的射流难以有效将其清理干净，在实际使用过程中仍然会出现堵塞情况。因此，针对现有PDC在实际使用过程中容易出现堵塞的不足，设计一种能够有效将两个切削翼板之间沟道中岩屑清理疏通的防堵PDC钻头及其使用方法是一项有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有防堵PDC钻头上述不足，设计一种能够有效将两个切削翼板之间沟道中岩屑清理疏通防堵PDC钻头及其使用方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种防堵PDC钻头，包括钻头本体和立式钻井泵，所述立式钻井泵包括泵体罩、驱动电机和泵轮，所述驱动电机固定设置在泵体罩的上表面，所述驱动电机的输出轴伸入泵体罩的内腔与泵轮相连接，所述泵体罩的侧面连接有进水管，所述泵体罩的下表面连接有出水管，所述泵体罩的外侧面均匀设置有若干耳座，位于所述泵体罩的正下方设置有固定底板，所述固定底板的上表面设置有与每个耳座相对应的液压缸，所述液压缸的顶端与耳座相连接，所述固定底板的中间开设有通孔，所述出水管上连接有穿过通孔伸入地面中的多段式连接高压水管，所述多段式连接高压水管的底端与钻头本体相连接；

其中，所述钻头本体包括钻头体、旋转空心轴、圆筒和连接筒，所述连接筒的顶端开设有进水口，所述多段式连接高压水管与进水口相连接，所述连接筒中设置有鼓形隔板、水平隔板，所述鼓形隔板和水平隔板将连接筒内部分为驱动区、传动区和排污区，位于所述驱动区、传动区一侧的连接筒外壁上设置有传动盒，所述驱动区中设置有涡轮叶组件，所述涡轮叶组件一端的转轴端部伸入传动盒中设置有第一齿轮，所述传动盒的下端设置有与第一齿轮相啮合的第二齿轮，所述第二齿轮上设置有伸入传动区中的转杆，所述转杆的端部连接有第一锥形齿轮，所述旋转空心轴的顶端穿过鼓形隔板与驱动区相连通，位于所述传动区内部的旋转空心轴上设置有与第一锥形齿轮相啮合的第二锥形齿轮，位于所述排污区内部的旋转空心轴外侧面上设置有若干破碎刀片，且位于所述破碎刀片处的连接筒上开设有排污口，所述旋转空心轴的下端与圆筒相连接，所述圆筒外侧面上设置有螺旋肋条，所述圆筒的下端与钻头体相连接，所述钻头体的下端外圆周设置有若干切削翼板，相邻两个所述切削翼板之间形成沟道，所述切削翼板的外表面镶嵌有多个切削齿，所述切削翼板的侧面上设置有喷头。

作为上述方案的进一步改进，所述泵体罩的外侧面上设置有耳座为三个，所述固定底板为三角形状，且所述液压缸固定设置在固定底板的三个拐角处。

作为上述方案的进一步改进，所述固定底板的三个拐角处下表面均设置有减震垫。

作为上述方案的进一步改进，所述出水管和进水管的外端部均设置有连接法兰。

作为上述方案的进一步改进，所述多段式连接高压水管由多个短管密封连接组成，且每个短管的长度范围为～cm。

作为上述方案的进一步改进，所述旋转空心轴外侧面上设置有的破碎刀片为三个，且三个破碎刀片不处于同一水平面设置。

作为上述方案的进一步改进，所述涡轮叶组件转轴、转杆穿过连接筒处以及旋转空心轴穿过水平隔板处均设置有密封轴承。

作为上述方案的进一步改进，所述钻头体上设置的切削翼板为五个，且相邻切削翼板之间的沟道宽度由下往上逐渐增大。

作为上述方案的进一步改进，所述切削翼板的两端均镶嵌有两排切削齿，每排切削齿均为五个。

一种防堵PDC钻头的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：选定钻孔位置并做好标记；

S2：利用钻孔机出浅穴，然后移走钻孔机，将立式钻井泵安装在浅穴上方；

S3：将多段式连接高压水管的下端与钻头本体相连接，然后将多段式连接高压水管的上端与立式钻井泵的出水管相连接，同时将立式钻井泵的进水管与水源相连接；

S4：启动驱动电机，通过高速转动的泵轮、多段式连接高压水管向钻头本体的中注入高压水，其高压水带动泵轮转动，然后经过第一齿轮、第二齿轮、第一锥形齿轮和第二锥形齿轮之间的传动左右使得钻头体高速转动，并通过切削翼板和切削齿对其进行钻孔，同时利用液压缸将钻头本体推进钻孔。

S5：钻孔完成后，取出钻头本体，移走立式钻井泵即可。

有益效果：

1、本发明现有技术相比，其通过立式钻井泵注入的高压水作为动力源，其进入驱动区的高压水作用于涡轮叶组件，使得涡轮叶组件快速转动，然后通过第一齿轮和第二齿轮之间的啮合作用使得转杆转动，再通过第一锥形齿轮与第二锥形齿轮之间的啮合作用使得钻头体、旋转空心轴和圆筒快速转动，然后其切削翼板上的切削齿能够进行快速钻孔，并且进入驱动区的高压水进入旋转空心轴中被进一步加压，最后从喷头中喷出，其喷头设置在切削翼板的侧面上，能够将两切削翼板之间的沟道岩屑冲刷干净；整个PDC钻头动力大、自清洁能力强，效果优异。

2、本发明还在旋转空心轴与钻头体之间设置一个圆筒，圆筒外表面设置一个螺旋肋条，其螺旋肋条在随钻头体旋转的过程中，其螺旋肋条起到一个运输螺旋叶的作用，能够将沟道中被冲刷出的岩屑向上方运输，从而快速将岩屑排出，防止岩屑堆积，能够有效防止其钻头体被堵塞，其结构简单，防堵塞效果优异。

3、本发明将连接筒的内部分为驱动区、传动区和排污区，位于排污区中的旋转空心轴上设置有若干破碎刀片，其被运输螺旋叶运输上的岩屑进入排污区中时，其较大的岩屑经过高速转动过程中破碎刀片的粉碎作用，能够被粉碎成大小均匀的细小粉屑，最后随着喷射的高压水，及时从排污口中排走，进一步有利于整个钻头本体的疏通，防止其发生岩屑堆积情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的第一角度立体结构图；

图2为本发明的第二角度立体结构图；

图3为本发明中连接筒的内部平面结构图；

图4为本发明中钻头体、旋转空心轴、圆筒的立体结构图；

图5为本发明中钻头体的立体结构图；

图6为本发明中连接筒的立体结构图；

图7为本发明中涡轮叶组件的立体结构图；

图8为本发明中钻头体的内部平面结构图。

其中，1-钻头本体，101-钻头体，102-旋转空心轴，103-圆筒，104-连接筒，1041-鼓形隔板，1042-水平隔板，1043-驱动区，1044-传动区，1045-排污区，105-传动盒，106-涡轮叶组件，107-第一齿轮，108-第二齿轮，109-转杆，110-第一锥形齿轮，111-第二锥形齿轮，112-破碎刀片，113-排污口，114-螺旋肋条，115-切削翼板，116-切削齿，117-喷头，118-密封轴承；

2-立式钻井泵，201-泵体罩，202-驱动电机，203-进水管，204-出水管，205-耳座，206-固定底板，207-液压缸，208-通孔；

3-多段式连接高压水管，301-短管，4-连接法兰，5-减震垫。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

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1～8，并结合实施例来对本发明的防堵PDC钻头进行具体说明。

实施例1

实施例1介绍了一种防堵PDC钻头，参考附图1或附图2，其主体结构包括钻头本体1和立式钻井泵2。

参考附图1和附图2，本实施例中的立式钻井泵2包括泵体罩201、驱动电机202和泵轮，驱动电机202固定设置在泵体罩201的上表面，驱动电机202的输出轴伸入泵体罩201的内腔与泵轮相连接，泵体罩201的侧面连接有进水管203，泵体罩201的下表面连接有出水管204。其中，在出水管204和进水管203的外端部均设置有连接法兰4，通过连接法兰4能够快速对管道进行连接。泵体罩201的外侧面均匀设置有若干耳座205，位于泵体罩201的正下方设置有固定底板206，固定底板206的上表面设置有与每个耳座205相对应的液压缸207，液压缸207的顶端与耳座205相连接。具体地，其泵体罩201的外侧面上设置有耳座205为三个，固定底板206为三角形状，且液压缸207固定设置在固定底板206的三个拐角处。另外，在固定底板206的三个拐角处下表面均设置有减震垫5。固定底板206的中间开设有通孔208，出水管204上连接有穿过通孔208伸入地面中的多段式连接高压水管3，多段式连接高压水管3的底端与钻头本体1相连接。其中，多段式连接高压水管3由多个短管301密封连接组成，且每个短管301的长度范围为60～100cm，具体短管301的长度根据实际钻孔深度进行选择。

本实施例中的钻头为常规PDC钻头，可参考CN110374517A的具体结构，由于其为现有技术，本处不做具体说明。

实施例2

实施例2介绍了一种防堵PDC钻头，参考附图1或附图2，其主体结构包括钻头本体1和立式钻井泵2。

本实施例中钻头本体1为特殊结构，参考附图3～8，其包括钻头体101、旋转空心轴102、圆筒103和连接筒104，连接筒104的顶端开设有进水口，多段式连接高压水管3与进水口相连接，连接筒104中设置有鼓形隔板1041、水平隔板1042，鼓形隔板1041和水平隔板1042将连接筒104内部分为驱动区1043、传动区1044和排污区1045，位于驱动区1043、传动区1044一侧的连接筒104外壁上设置有传动盒105，驱动区1043中设置有涡轮叶组件106，涡轮叶组件106一端的转轴端部伸入传动盒105中设置有第一齿轮107，传动盒105的下端设置有与第一齿轮107相啮合的第二齿轮108，第二齿轮108上设置有伸入传动区1044中的转杆109，转杆109的端部连接有第一锥形齿轮110，旋转空心轴102的顶端穿过鼓形隔板1041与驱动区1043相连通，位于传动区1044内部的旋转空心轴102上设置有与第一锥形齿轮110相啮合的第二锥形齿轮111，旋转空心轴102的下端与圆筒103相连接，圆筒103外侧面上设置有螺旋肋条114，圆筒103的下端与钻头体101相连接，钻头体101的下端外圆周设置有若干切削翼板115，相邻两个切削翼板115之间形成沟道，切削翼板115的外表面镶嵌有多个切削齿116，切削翼板115的侧面上设置有喷头117。具体地，钻头体101上设置的切削翼板115为五个，且相邻切削翼板115之间的沟道宽度由下往上逐渐增大。并且其切削翼板115的两端均镶嵌有两排切削齿116，每排切削齿116均为五个。

另外，参考附图3，在本实施例涡轮叶组件106转轴、转杆109穿过连接筒104处以及旋转空心轴102穿过水平隔板1042处均设置有密封轴承118。

实施例3

实施例3介绍了一种防堵PDC钻头，参考附图1或附图2，其主体结构包括钻头本体1和立式钻井泵2。

本实施例中钻头本体1为特殊结构，参考附图3～8，其包括钻头体101、旋转空心轴102、圆筒103和连接筒104，连接筒104的顶端开设有进水口，多段式连接高压水管3与进水口相连接，连接筒104中设置有鼓形隔板1041、水平隔板1042，鼓形隔板1041和水平隔板1042将连接筒104内部分为驱动区1043、传动区1044和排污区1045，位于驱动区1043、传动区1044一侧的连接筒104外壁上设置有传动盒105，驱动区1043中设置有涡轮叶组件106，涡轮叶组件106一端的转轴端部伸入传动盒105中设置有第一齿轮107，传动盒105的下端设置有与第一齿轮107相啮合的第二齿轮108，第二齿轮108上设置有伸入传动区1044中的转杆109，转杆109的端部连接有第一锥形齿轮110，旋转空心轴102的顶端穿过鼓形隔板1041与驱动区1043相连通，位于传动区1044内部的旋转空心轴102上设置有与第一锥形齿轮110相啮合的第二锥形齿轮111，位于排污区1045内部的旋转空心轴102外侧面上设置有若干破碎刀片112，其中旋转空心轴102外侧面上设置有的破碎刀片112为三个，且三个破碎刀片112不处于同一水平面设置。且位于破碎刀片112处的连接筒104上开设有排污口113。

将旋转空心轴102的下端与圆筒103相连接，圆筒103外侧面上设置有螺旋肋条114，圆筒103的下端与钻头体101相连接，钻头体101的下端外圆周设置有若干切削翼板115，相邻两个切削翼板115之间形成沟道，切削翼板115的外表面镶嵌有多个切削齿116，切削翼板115的侧面上设置有喷头117。具体地，钻头体101上设置的切削翼板115为五个，且相邻切削翼板115之间的沟道宽度由下往上逐渐增大。并且其切削翼板115的两端均镶嵌有两排切削齿116，每排切削齿116均为五个。

实施例3的一种具体使用方法如下：

S1：选定钻孔位置并做好标记；

S2：利用钻孔机出浅穴，然后移走钻孔机，将立式钻井泵2安装在浅穴上方；

S3：将多段式连接高压水管3的下端与钻头本体1相连接，然后将多段式连接高压水管3的上端与立式钻井泵2的出水管204相连接，同时将立式钻井泵2的进水管203与水源相连接；

S4：启动驱动电机202，通过高速转动的泵轮、多段式连接高压水管3向钻头本体1的中注入高压水，其高压水带动泵轮转动，然后经过第一齿轮107、第二齿轮108、第一锥形齿轮110和第二锥形齿轮111之间的传动左右使得钻头体101高速转动，并通过切削翼板115和切削齿116对其进行钻孔，同时利用液压缸207将钻头本体1推进钻孔。

S5：钻孔完成后，取出钻头本体1，移走立式钻井泵2即可。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种防堵PDC钻头，包括钻头本体（1）和立式钻井泵（2），其特征在于，所述立式钻井泵（2）包括泵体罩（201）、驱动电机（202）和泵轮，所述驱动电机（202）固定设置在泵体罩（201）的上表面；所述驱动电机（202）的输出轴伸入泵体罩（201）的内腔与泵轮相连接，所述泵体罩（201）的侧面连接有进水管（203），所述泵体罩（201）的下表面连接有出水管（204），所述泵体罩（201）的外侧面均匀设置有若干耳座（205），位于所述泵体罩（201）的正下方设置有固定底板（206），所述固定底板（206）的上表面设置有与每个耳座（205）相对应的液压缸（207），所述液压缸（207）的顶端与耳座（205）相连接，所述固定底板（206）的中间开设有通孔（208），所述出水管（204）上连接有穿过通孔（208）伸入地面中的多段式连接高压水管（3），所述多段式连接高压水管（3）的底端与钻头本体（1）相连接；

其中，所述钻头本体（1）包括钻头体（101）、旋转空心轴（102）、圆筒（103）和连接筒（104），所述连接筒（104）的顶端开设有进水口，所述多段式连接高压水管（3）与进水口相连接，所述连接筒（104）中设置有鼓形隔板（1041）、水平隔板（1042），所述鼓形隔板（1041）和水平隔板（1042）将连接筒（104）内部分为驱动区（1043）、传动区（1044）和排污区（1045），位于所述驱动区（1043）、传动区（1044）一侧的连接筒（104）外壁上设置有传动盒（105），所述驱动区（1043）中设置有涡轮叶组件（106），所述涡轮叶组件（106）一端的转轴端部伸入传动盒（105）中设置有第一齿轮（107），所述传动盒（105）的下端设置有与第一齿轮（107）相啮合的第二齿轮（108），所述第二齿轮（108）上设置有伸入传动区（1044）中的转杆（109），所述转杆（109）的端部连接有第一锥形齿轮（110），所述旋转空心轴（102）的顶端穿过鼓形隔板（1041）与驱动区（1043）相连通，位于所述传动区（1044）内部的旋转空心轴（102）上设置有与第一锥形齿轮（110）相啮合的第二锥形齿轮（111），位于所述排污区（1045）内部的旋转空心轴（102）外侧面上设置有若干破碎刀片（112），且位于所述破碎刀片（112）处的连接筒（104）上开设有排污口（113），所述旋转空心轴（102）的下端与圆筒（103）相连接，所述圆筒（103）外侧面上设置有螺旋肋条（114），所述圆筒（103）的下端与钻头体（101）相连接，所述钻头体（101）的下端外圆周设置有若干切削翼板（115），相邻两个所述切削翼板（115）之间形成沟道，所述切削翼板（115）的外表面镶嵌有多个切削齿（116），所述切削翼板（115）的侧面上设置有喷头（117），所述泵体罩（201）的外侧面上设置有耳座（205）为三个，所述固定底板（206）为三角形状，且所述液压缸（207）固定设置在固定底板（206）的三个拐角处；所述固定底板（206）的三个拐角处下表面均设置有减震垫（5）；所述出水管（204）和进水管（203）的外端部均设置有连接法兰（4）；所述多段式连接高压水管（3）由多个短管（301）密封连接组成，且每个短管（301）的长度范围为60~100cm；所述旋转空心轴（102）外侧面上设置有的破碎刀片（112）为三个，且三个破碎刀片（112）不处于同一水平面设置；所述涡轮叶组件（106）转轴、转杆（109）穿过连接筒（104）处以及旋转空心轴（102）穿过水平隔板（1042）处均设置有密封轴承（118）；所述钻头体（101）上设置的切削翼板（115）为五个，且相邻切削翼板（115）之间的沟道宽度由下往上逐渐增大；所述切削翼板（115）的两端均镶嵌有两排切削齿（116），每排切削齿（116）均为五个。

2.根据权利要求1所述的一种防堵PDC钻头的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：选定钻孔位置并做好标记；

S2：利用钻孔机出浅穴，然后移走钻孔机，将立式钻井泵（2）安装在浅穴上方；

S3：将多段式连接高压水管（3）的下端与钻头本体（1）相连接，然后将多段式连接高压水管（3）的上端与立式钻井泵（2）的出水管（204）相连接，同时将立式钻井泵（2）的进水管（203）与水源相连接；

S4：启动驱动电机（202），通过高速转动的泵轮、多段式连接高压水管（3）向钻头本体（1）中注入高压水，高压水带动泵轮转动，然后经过第一齿轮（107）、第二齿轮（108）、第一锥形齿轮（110）和第二锥形齿轮（111）之间的传动使得钻头体（101）高速转动，并通过切削翼板（115）和切削齿（116）进行钻孔，同时利用液压缸（207）将钻头本体（1）推进钻孔；

S5：钻孔完成后，取出钻头本体（1），移走立式钻井泵（2）即可。