[发明专利]用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和钻头

说明书

本发明公开了一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和钻头，该用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元包括液压缸筒(1)、下行循环管路(3)、上行循环管路(4)、活塞(5)和连杆(6)，上行循环管路(4)的过流面积大于下行循环管路(3)的过流面积，下行循环管路(3)上设有下行单向阀(11)，上行循环管路(4)上设有上行单向阀(12)。所述活塞与连杆在腔体内可做往复运动，并带动钻头限位齿运动、控制限位齿伸缩。通过控制限位齿的伸缩和与切削齿的高差，使钻进时钻头吃入岩石的深度得到优化，将有效消除或减弱钻头与钻具粘滑振动的发生，且结构简单、无电子元件，能够适应井下复杂恶劣的工作条件。

技术领域

本发明涉及钻井工具领域，具体的是一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，还是一种含有该用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元的钻头。

背景技术

石油天然气资源是经济保持持续发展、关系国家战略安全的重要物资。近年来，油气开采已不可逆转得走向了深部复杂地层，其显著特点是硬度高、压力高、温度高。

PDC钻头是目前公认的钻进效率高的破岩工具，但在深部硬地层钻进时易出现憋跳、摆动、屈曲、粘滑振动等有害振动现象。钻至硬地层或软硬交互等复杂岩性地层时，钻头切削齿吃深过大需较大能量才能破碎岩石，此时钻头突然停止转动，钻柱扭矩增大、钻头内能积聚，直至剪切破碎齿前岩石，内能释放使钻头以数倍于转盘的转速旋转，使钻柱某中性点承受双方向交替扭转。

钻具长期发生粘滑振动，将导致破岩效率下降、钻具寿命缩短，甚至破坏井筒完整性、引发断钻具等严重事故，造成进尺、周期与成本的浪费。因此，寻求改进钻头结构、发展高效钻头是解决粘滑振动的根本症结，对提高钻井效率、缩短周期、高效开发非常规资源具有重要的现实意义。

目前对于井下钻具有害振动的识别判断主要通过有限元分析、地面测量判断、井下仪器测量等方法。近期的一些研究成果指出，钻头结构设计对钻具粘滑振动的表现有显著的影响，发生粘滑振动的根源在于钻头与岩石的相互作用。由于地层的岩石力学性质变化以及岩石的各向异性，导致钻头切削齿吃入深度的变化，进而导致钻头破岩效率和井底运动状态的变化。

基于对粘滑振动的研究，一些文献提出了相应的解决方法，主要有钻井参数优化、减震工具、钻头结构设计等。Kyllingstad(基林施塔得)和Hasley(哈斯利)提出减小井底静摩擦力或控制转盘转速以及通过安装井下工具来钻头转速；李文飞等发明一种减震器来实时调节钻头与井底的相对位置；一些新型钻头增加了限位齿、限位块等结构设计等等。

以上解决方法的应用程度大多比较有限，虽能够在一定程度上减弱钻具粘滑振动或其他有害振动形式，但仍主要存在以下问题：粘滑振动产生机理不清；工具结构复杂，应用对象要求严格、局限性强；在减弱有害振动的同时也严重影响了钻进速度。

发明内容

为了解决现有钻头存在的粘滑振动问题。本发明提供了一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和钻头，该用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元能够带动钻头限位齿运动、以及控制限位齿伸缩，使钻进时钻头吃入岩石的深度得到优化，将有效消除或减弱钻头与钻具粘滑振动的发生，且结构简单、无电子元件，能够适应井下复杂恶劣的工作条件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元，包括液压缸筒、下行循环管路、上行循环管路、活塞和连杆，液压缸筒内含有液压腔，液压腔被活塞分隔为上腔室和下腔室，下行循环管路和上行循环管路均设置于液压腔外，下行循环管路的两端分别与上腔室和下腔室连通，上行循环管路的两端分别与上腔室和下腔室连通，上行循环管路的过流面积大于下行循环管路的过流面积，下行循环管路上设有下行单向阀，上行循环管路上设有上行单向阀，连杆的上端与活塞连接固定，连杆的下端位于液压缸筒外；当活塞向下移动时，下腔室内的流体仅能够通过上行循环管路进入到上腔室内；当活塞向上移动时，上腔室内的流体仅能够通过下行循环管路进入到下腔室内。