[发明专利]ONYX360°旋转PDC钻头内外排切削齿连动装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气PDC钻头技术领域，具体涉及一种ONYX360°旋转PDC钻头内外排切削齿连动装置与方法。

背景技术

石油天然气钻井作业中，通过钻头磨碎地层岩石来钻成油气的连接通道，该通道被称为井眼，通过井眼实现地面与地下油气资源的连通，从而将地下油气资源采出地面。其中，钻头是直接破碎岩石形成井眼的工具，钻头的性能会直接影响钻井速度。钻头按结构分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头、和取心钻头四大类。其中，聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bits)被简称为PDC钻头，是金刚石钻头的一种，通过PDC钻头表面固定的切削齿来破碎岩石，切削齿的主要成分是聚晶金刚石复合片，因其特殊组成成分，破碎岩石效率较高，因此，PDC钻头具有杰出的性能和优势，目前，PDC钻头在世界油气钻井市场中的钻井进尺比例已达钻井总进尺的90％左右。

目前，随着油气资源的减少，钻井的环境不断恶化和钻井深度不断加深，随着钻井深度的加深，地下的岩石强度和研磨性也随之增加，钻井过程中，PDC钻头的切削齿磨损程度更加严重，破碎岩石的效率下降明显，PDC钻头使用时间减少，从而降低了钻进速度，增加钻井成本。随着钻井深度的增加和钻井环境的恶化，对钻头提出了较高的要求，尤其是对使用量极大的PDC钻头提出了更高的要求。

史密斯钻头公司(Smith Bits)是国际油气服务商斯伦贝谢公司的下属子公司，近期研发出ONYX 360旋转PDC切削齿，是PDC钻头的一种，其特点是将原来PDC钻头表面固定的切削齿改变为可旋转的切削齿，此改变提高了钻头的使用寿命。因为在钻井过程中，原有PDC钻头的切削齿是固定的，只有切削齿一部分与地层岩石接触，磨损较严重。ONYX 360°旋转PDC钻头的特点是其表面的切削齿在破碎岩石的同时可旋转转动，该改变使得切削齿与地层岩石接触的部分是切削齿的周围的全部表面，则大大降低了切削齿磨损程度。该钻头表面设计的切削齿有外排切削齿和内排切削齿，设计的预想是，在钻井过程中，内、外排切削齿与地层岩石接触时都随着钻头的转动而转动，然而，在钻井实际应用过程中，外排切削齿可以转动，内排切削齿没有转动，因为内、外切削齿都可与地层岩石接触，外排切削齿距钻头中心的距离大，线速度较大，外排切削齿能旋转，而内排切削齿距钻头中心位置较近，线速度较小，不能旋转，使得内排切削齿磨损速度较大，使得钻头的使用寿命降低。同样降低了钻井速度。

基于以上分析，本发明设计了ONYX360°旋转PDC钻头内外排切削齿连动装置与方法，旨在通过该装置将原来静止的内排切削齿由静止状态转变成转动状态，提高内排切削齿的使用寿命，达到提高钻头进尺和钻头使用寿命的效果，实现提高钻井速度和降低钻井成本的目的。其中在钻头切削地层的过程中，外排切削齿在围绕钻头公转的同时围绕传动轴旋转，本装置在内外排切削齿间添加了4类传动齿轮，分别为外排传动齿轮、外排中间齿轮、内排传动齿轮、内排中间齿轮。外排切削齿通过传动轴与外排传动齿轮连接，外排传动齿轮经过外排中间齿轮与内排传动齿轮连接，内排传动齿轮与内排切削齿和内排中间齿轮同时连接，内排中间齿轮与另一个内排传动齿轮连接，内排传动齿轮连接再与另一个内排切削齿连接，循环内环一周，从而实现内外排切削齿的连动。

发明内容

本发明的目的在于为ONYX360°旋转PDC钻头内外排切削齿提供一种连动装置与方法，从而使内排切削齿在切削地层的过程中实现有效转动，提高内排切削齿的使用寿命，达到提高钻头进尺和钻头使用寿命的效果，实现提高钻井速度和降低钻井成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种ONYX360°旋转PDC钻头内外排切削齿连动装置与方法主要由外排切削齿、传动轴、外排传动齿轮、外排中间齿轮、内排传动齿轮、内排中间齿轮、内排切削齿、凹槽组成；外排切削齿通过传动轴与外排传动齿轮连接，外排传动齿轮经过外排中间齿轮与内排传动齿轮连接，内排传动齿轮与内排切削齿和内排中间齿轮同时连接，内排中间齿轮与另一个内排传动齿轮连接，内排传动齿轮连接再与另一个内排切削齿连接，一直循环内环一周，从而实现内外排切削齿的连动。

其中传动轴与所使用的齿轮均位于钻头内的凹槽中，该凹槽位于钻头的内部，从而能有效防止传动轴与齿轮的磨损，以确保传动轴及齿轮在钻井过程中的持续旋转。

附图说明

附图1为ONYX360°旋转PDC钻头内外排齿连动装置的结构示意图；

附图2为ONYX360°旋转PDC钻头中内外排齿与传动轴连接的示意图；