一种新型伸缩式复合钻头伸缩机构的设计制作

时间：2024-08-31

傅文韬

(四川建筑职业技术学院，四川德阳 618000)

0 引言

目前，在石油和天然气的开采过程中，世界各国绝大多数仍然依赖于常规PDC钻头和牙轮钻头。其中牙轮钻头发展得较为成熟，主要用于硬地层或较复杂地层的工况中，但在遇到软地层钻进时常存在泥包、效率低、钻进速度慢等问题；而PDC钻头主要用于均质松软地层的工况中，通过刮削形成井眼，但在复杂难钻的硬地层中，其钻进阻力和难度大幅增加，常出现上下左右跳钻等振动，会使得切削齿受到过大的冲击而过早损坏，严重时还会出现PDC齿突发崩断，大大降低了其使用寿命。

为加快当前井下钻探工具的发展，提高钻具的工作效率，并增强钻具在钻遇不同地层时对钻井环境的快速适应性，减少起下钻时间和频率，使钻具的使用寿命增加，人们逐渐开展伸缩式复合钻头的研制。

2012年，西南石油大学邓嵘等[1]设计了“自适应混合钻头”，该钻头本体外侧布置了可调节刀翼，利用钻头内部的弹性元件为可调节刀翼提供轴向力，使其具备伸缩的能力，通过钻头对不同地层岩石破碎过程中所受反作用大小不同，可调节刀翼便能根据受力大小判断岩石的硬度，从而控制其伸缩功能。

2014年，中国石油大学刘忠等[2]设计了“主动调节型复合钻头”，该方案首先通过钻井液压力为发电机供电，然后由发电机为其相连的步进电机提供动力来控制换向轴套的上下运动，再利用钻头本体上部活塞中的钻井液压力的变化和滑阀的原理，从而实现钻头本体内部导杆的伸缩；其中导杆与钻头本体下部的PDC刀翼相连，以此来实现PDC刀翼的伸缩。该主动调节型复合钻头可以完成牙轮钻头和PDC刀翼之间的破岩量分配，使钻井效率和钻具寿命得到一定改善。

同年，郑国荣等[3]发明了“智能化回缩式复合钻头”，本方案是在钻头前部安装一个热感应元件，通过利用钻进过程中钻遇不同地层岩石所释放的热量，将感应到的热量转换为控制钻头本体中心小钻头伸缩的信号，从而可有效控制钻头中心小钻头的伸缩。该钻头可以根据岩石地层的特性不同，交替采用大小钻头钻进的方法破碎岩石，根据电信号智能快速的特点精准控制钻进过程，减少钻头起下钻的时间和频率，有效提高钻井效率，并达到延长钻头使用寿命的目的。

综上所述，通过调研目前伸缩式复合钻头方案，虽然，有些方案能解决破岩量分配问题，实现PDC刀翼和牙轮钻头的单独或混合破岩，但现有的伸缩式复合钻头方案均没能实现钻头准确伸缩及稳定定位的功能，其主要存在以下问题：①PDC刀翼不能通过自适应性功能区区分硬地层和软地层，使得钻探人员无法做到主动控制钻进过程；②伸缩机构通过电机控制，不适用于井下复杂地质情况；③如果岩石硬度通过热感应元件判断，则钻进过程中具有不确定性。由于现有伸缩方案中伸缩机构存在的缺陷，无法解决软硬交错地层破岩时的难题。因此，急需设计一种新型伸缩式复合钻头的伸缩机构。

1 一种新型伸缩式复合钻头的设计

1.1 新型伸缩式复合钻头总体方案设计

该新型伸缩式复合钻头结构组成如图1所示。

1.2 新型伸缩式复合钻头伸缩机构方案设计

该钻头的核心技术是其内部伸缩机构。该伸缩机构的方案是由一整套伸缩装置相配合完成伸缩的，伸缩装置由壁内突出筋板、旋转伸缩块、受压块、伸缩柱、钻头筒体下部弹簧和限位块等部分组成，且伸缩装置包含在钻头本体内部，如图2所示。

图1 新型伸缩式复合钻头结构示意图

10-弹簧；12-伸缩柱；13-旋转伸缩块；17-壁内突出筋板;18-限位块；19-受压块图2 伸缩装置的爆炸视图

本文提出的伸缩机构方案，其伸缩柱下端牙轮钻头可以通过伸缩机构的主动调节和控制，实现与PDC刀翼发生相对位移的功能，因此能够达到牙轮钻头与PDC刀翼的单独或混合破岩的目的。当该伸缩式复合钻头整体处于位置1状态时(见图3)，伸缩柱下端的牙轮钻头位于PDC刀翼所包围的中心空槽内，通过调节钻井液压力大小来控制伸缩机构的上下移动，从而控制牙轮钻头的伸出和缩回。

如图3所示，该伸缩式复合钻头在钻遇硬地层时，需要由牙轮钻头作为主力钻头预先破碎岩石，通过逐渐增大钻杆上部的钻井液压力，使得受压块受到的液压力大于摩擦力和弹簧弹力之和后，便会推动受压块下部的旋转伸缩块在筋板滑槽中轴向运动，当旋转伸缩块轴向位移超过距离a之后，逃脱滑槽的限位，顺着斜面1移动到卡槽内；此时，牙轮钻头完全伸出，稳定在位置2的状态，保持钻井液压力等于摩擦力和弹簧弹力之和，即也保持住了牙轮钻头的伸出状态，实现预先破碎硬地层岩石的功能。

该伸缩式复合钻头在钻遇较为松软地层时，为避免伸出的牙轮钻头产生严重的泥包现象，需要将牙轮钻头缩回至中心空槽中，由PDC刀翼作为主力钻头来刮削破碎岩石。通过增大钻井液压力，再次使受压块受到的液压力大于摩擦力和弹簧弹力之和后，推动旋转伸缩块轴向运动超过距离b后，逃脱卡槽的约束，顺势沿着斜面2滑动，便会重新运动至壁内突出筋板的滑槽中；此时，牙轮钻头完全缩回到中心空槽，稳定在位置1的状态，保持钻井液压力等于摩擦力和弹簧弹力之和，即也保持住了牙轮钻头的缩回状态，实现PDC刀翼刮削松软岩层的功能。

1.3 新型伸缩式复合钻头伸缩机构的受力分析

新型伸缩式复合钻头的伸缩机构部分包括受压块、旋转伸缩块和壁内突出筋板在相互接触作用时的受力情况如图4所示。

图4 伸缩机构受力示意图

当钻井液压力作用于受压块上时，旋转伸缩块与受压块接触的斜面部分便将钻压力传递下去，如图4所示。此时由于竖直向下的钻压力是通过斜面传递的，所有旋转伸缩块上所受到的作用力应该是垂直于斜面。这样一来，旋转伸缩块斜面上的力就可以分解为竖直和水平两个方向的分力。

当旋转伸缩块上的筋条在壁内突出筋板的滑槽内运动时，由于受到滑槽的限制作用，即便旋转伸缩块受到水平力的作用，也只能沿着滑槽竖直向下运动，可是随着旋转伸缩块逐渐下移至脱离两侧筋板(滑槽)约束时，此时旋转伸缩块在斜面上水平力和竖直力共同作用下沿筋板斜面滑入卡槽，这样便实现了牙轮钻头伸出和稳定定位的功能。

本文提出的新型伸缩式复合钻头，其钻杆上部输入的钻井液先到达钻井液容置空间内，然后经过第一缺口流过第一流道抵达中空流道，最后从位于PDC刀翼上的第一喷嘴喷出，对井底已经破碎的岩屑进行清除。而另一部分钻井液则通过钻头本体中部的钻井液通道从牙轮上的第二喷嘴喷出[4，5]。

当该钻头在井下开展破岩钻进作业时，会受到岩石施加给钻头的反作用力，所以牙轮钻头伸出工作时，连接伸缩柱的旋转伸缩块上的筋条可稳定地处于壁内突出筋板的卡槽中，保持了破岩过程的稳定性。因此该方案实现了不同种类的钻头在井下不同岩层中的有效破岩，针对复杂难钻地层，成功地进行了钻岩量的有效分配，提高了钻井效率，延长了钻头的使用寿命。

2 伸缩式复合钻头伸缩机构的模型制作

2.1 伸缩机构的模型制作

本文所述的伸缩机构的加工模型主要包括受压块、壁内突出筋板、旋转伸缩块及伸缩柱四个部分。其加工出来的实物模型如图5所示。

图5 伸缩机构模型

2.2 模型组装及实验验证

以壁内突出筋板的套筒为基础，将壁内突出筋板内部结构插入套筒中并粘合固定；再将组成受压块及旋转伸缩块的各加工零件粘合固定，使其成为两个整体；最后按照相互配合关系，将受压块、旋转伸缩块依次安装于壁内突出筋板中，如图6所示。

当伸缩机构模型组装完成后，按动受压块端部，使其推动旋转伸缩块沿壁内突出筋板滑槽轴向向下移动，按动后观察到：弹簧逐渐被轴向压缩，旋转伸缩块上的筋条沿壁内突出筋板间的滑槽滑动一段位移后，脱离两侧筋板的约束，沿筋板端部斜面滑向卡槽内，实现伸缩柱伸出(见图7)。此时停止按动，伸缩机构整体静止，实现稳定定位。当再次按动受压块时观察到：受压块推动旋转伸缩块继续轴向向下移动，当下移一段位移后，旋转伸缩块再一次沿壁内突出筋板端部斜面下滑，此时旋转伸缩块由于没有了卡槽的限制，因此滑回筋板间的滑槽中，弹簧恢复形变，实现伸缩柱缩回(见图8)。

图6 伸缩机构组装图图7 旋转伸缩块伸出图8 旋转伸缩块缩回

综上所述，该伸缩式复合钻头伸缩机构的实体模型能够实现预期的伸缩运动及稳定定位功能，与前文理论设计运动工况一致。