一种可增减压的PDC钻头自调节元件及其安装方法与流程

一种可增减压的pdc钻头自调节元件及其安装方法
技术领域
1.本发明涉及石油和地质钻井领域，特别涉及一种可增减压的pdc钻头自调节元件及其安装方法。


背景技术：

2.pdc钻头卡滑现象一直是石油和地质钻井行业面临的主要挑战，卡滑造成的不稳定性会引起钻头过早损坏，限制了钻头的寿命，增加了起下钻次数，延长了钻井周期，提高了钻井成本。切削深度控制技术是钻头技术进步的一个重要标志，该技术减缓了卡滑振动，拓宽了pdc钻头的应用范围，但固定式的切削深度控制技术，会牺牲部分机械钻速。切深自调节pdc钻头对不同地层和钻井工况的适应性大大增强。目前针对切深自调节pdc钻头，需要研究一种能够随着钻进环境变化实现自动调整切削深度的可增减压的pdc钻头自调节元件，完善自调节元件的功能性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可增减压的pdc钻头自调节元件及其安装方法。
4.其技术方案如下：一种可增减压的pdc钻头自调节元件，包括齿柱、增减压装置、自调节装置，所述增减压装置主要由活塞一、活塞缸一、活塞二、活塞缸二组成，活塞一和活塞二分别设置于活塞缸一和活塞缸二内，齿柱设置于活塞一，所述活塞缸一的缸径大于所述活塞缸二的缸径，所述活塞缸一和活塞缸二通过连接管路连通；所述自调节装置主要由自调节活塞缸、自调节活塞、回复弹簧、流量控制装置组成，所述自调节活塞设置于自调节活塞缸内，所述自调节活塞两端分别设置有自调节活塞腔一和自调节活塞腔二，所述自调节活塞一端通过连接杆穿过自调节活塞腔一、自调节活塞缸与活塞二连接，所述自调节活塞腔二内设有回复弹簧，所述自调节活塞内部设有流量控制装置，所述流量控制装置连通自调节活塞腔一和自调节活塞腔二；所述连接杆、配压杆与自调节活塞缸滑动密封配合。
5.所述自调节活塞另一端设有配压杆，所述配压杆一端与自调节活塞连接，另一端伸出自调节活塞缸外部，所述回复弹簧套设于配压杆。
6.进一步的，所述流量控制装置为单向流量控制阀。
7.进一步的，所述流量控制装置主要由自调节活塞泄流孔、活塞内部流道、钢珠容纳腔、单向阀钢珠、配压杆泄流孔、单向阀弹簧组成，所述自调节活塞泄流孔开设于自调节活塞的侧壁，所述自调节活塞的侧壁上设有流通间隙，所述自调节活塞泄流孔与自调节活塞腔一之间通过流通间隙连通，所述自调节活塞泄流孔通过活塞内部流道连通钢珠容纳腔，所述钢珠容纳腔连通配压杆泄流孔，所述配压杆泄流孔连通自调节活塞腔二，所述配压杆泄流孔开设于配压杆侧壁，所述单向阀钢珠设置于钢珠容纳腔内，单向阀钢珠置于活塞内
部流道的口部，其直径大于所述活塞内部流道，与所述活塞内部流道的口部之间留有间隙，所述单向阀弹簧设置于单向阀钢珠与钢珠容纳腔内壁之间。
8.进一步的，所述连接管路为直管；所述连接管路为硬质管路。所述活塞一与活塞缸一、活塞二与活塞缸二、连接杆与自调节活塞缸、配压杆与自调节活塞缸之间设有密封圈。
9.基于上述一种可增减压的pdc钻头自调节元件的安装方法，所述一种可增减压的pdc钻头自调节元件安装在pdc钻头的后排齿位置，齿柱1裸露在pdc钻头的主切削齿后面。
10.进一步的，所述一种可增减压的pdc钻头自调节元件装在pdc钻头内部，末端的齿柱裸露在钻头切削齿后方。
11.进一步的，所述pdc钻头为全面钻进胎体pdc钻头或全面钻进钢体pdc钻头。
12.本发明的有益效果是：该自调节元件安装在pdc钻头内部，末端的齿柱裸露在钻头切削齿后方，可以根据外界压力的变化自动伸出或回缩。当钻头稳定钻进时，齿柱回缩，实现较大的切削深度，提高钻井速度；当钻头钻进不稳定受到瞬间冲击载荷时，齿柱迅速弹出，抵抗外界的冲击力，以保护pdc钻头切削齿。
附图说明
13.图1为整体结构示意图；图2为流量控制装置的结构示意图；图3为装配位置示意图；图中：1.齿柱，2.活塞一，3.活塞缸一，4.连接管路，5.活塞缸二，6.活塞二，7.自调节活塞缸，8.自调节活塞，9.流量控制装置，10.回复弹簧，11.配压杆，12.密封圈，13. 自调节活塞缸腔一，14. 自调节活塞缸腔二，15. 活塞缸腔二，16. 活塞缸腔一，17.自调节活塞泄流孔，18.单向阀钢珠，19.配压杆泄流孔，20.单向阀弹簧，21连接杆，22流动间隙，23活塞内部流道，24钢珠容纳腔，25位置一，26位置二，27后排齿，28主切削齿。
具体实施方式
14.以下结合实施例对本发明技术方案作进一步的详细阐述。
15.实施例一：如图1所示，一种可增减压的pdc钻头自调节元件，包括齿柱1、增减压装置、自调节装置。
16.所述增减压装置主要由活塞一2、活塞缸一3、活塞二63、活塞缸二5组成，活塞一2和活塞二63分别设置于活塞缸一3和活塞缸二5内并与活塞缸滑动密封配合，活塞一2上端自活塞缸一3内部伸出，齿柱1设置于活塞一2上端面，活塞一2下端面与活塞缸之间形成活塞腔一，活塞二63上端面与活塞缸二5之间形成活塞腔二，所述活塞缸一3的缸径大于所述活塞缸二5的缸径，使活塞腔一的容积大于活塞腔二的溶剂，所述活塞缸一3和活塞缸二5通过连接管路4连通，所述连接管路4为与活塞缸一3和二一体成型的连接管道，活塞二63下端自活塞缸二5下端伸出，所述活塞二63的下端面焊接有连接杆21。
17.所述自调节装置主要由自调节活塞缸7、自调节活塞8、回复弹簧10、流量控制装置9组成，所述自调节活塞8设置于自调节活塞缸7内，自调节活塞8与自调节活塞缸7滑动密封
配合，所述自调节活塞8两端分别设置有自调节活塞腔一13和自调节活塞腔二14，所述自调节活塞8一2端通过连接杆21穿过自调节活塞腔一13、自调节活塞缸7与活塞二63连接，所述自调节活塞腔二14内设有回复弹簧10，所述自调节活塞8内部设有流量控制装置9，所述流量控制装置9连通自调节活塞腔一13和自调节活塞腔二14；所述连接杆21、配压杆11与自调节活塞缸7滑动密封配合。
18.所述自调节活塞8另一端焊接有配压杆11，所述配压杆11一端与自调节活塞8连接，另一端伸出自调节活塞缸7外部，所述回复弹簧10套设于配压杆11，配压杆11与自调节活塞缸7滑动密封配合。
19.自调节活塞缸7上下两个口设有内延的环台，所述环台的内壁上开设有密封槽，所述密封槽内嵌装有密封圈12，所述环台与所述连接杆21、配压杆11滑动密封配合，位于自调节活塞缸7上部的环台、连接杆21、自调节活塞8的上端面与自调节活塞缸7构成自调节活塞腔一13，位于自调节活塞缸7下部的环台、配压杆11、自调节活塞8的下端面与自调节活塞缸7构成自调节活塞腔二14。
20.所述流量控制装置9采用单向流量控制阀，液压油通过单项流量控制阀自自调节活塞腔一13流向自调节活塞腔二14。
21.所述流量控制装置9主要由自调节活塞泄流孔17、活塞内部流道23、钢珠容纳腔24、单向阀钢珠18、配压杆泄流孔19、单向阀弹簧20组成，所述自调节活塞泄流孔17开设于自调节活塞8的侧壁，所述自调节活塞8的侧壁上设有流通间隙，所述自调节活塞泄流孔17与自调节活塞腔一13之间通过流通间隙连通，所述自调节活塞泄流孔17通过活塞内部流道23连通钢珠容纳腔24，所述钢珠容纳腔24连通配压杆泄流孔19，所述配压杆泄流孔19连通自调节活塞腔二14，所述配压杆泄流孔19开设于配压杆11侧壁，所述单向阀钢珠18设置于钢珠容纳腔24内，单向阀钢珠18与活塞内部流道23间隙配合，所述单向阀弹簧20设置于单向阀钢珠18与钢珠容纳腔24内壁之间。
22.所述连接管路4为直管；所述连接管路4为硬质管路。所述活塞一2与活塞缸一3、活塞二63与活塞缸二5、连接杆21与自调节活塞缸7、配压杆11与自调节活塞缸7之间设有密封圈12。
23.实施例二：一种可增减压的pdc钻头自调节元件的安装方法，所述pdc钻头为全面钻进胎体pdc钻头或全面钻进钢体pdc钻头，所述pdc钻头主要由pdc钻头本体、刀翼、主切削齿、后排齿组成，在pdc钻头本体上加工安装孔，安装孔内壁构造与所述一种可增减压的pdc钻头自调节元件的外形一致，所述安装孔开设在两刀翼之间，可以在主切削齿后方的位置二或后排齿后方的位置一，放入后用螺纹固定。
24.实施列三：在实施例一的基础上加装一个圆柱形的外壳，外壳外部加工外螺纹，在上述安装孔的内壁上加工内螺纹，通过螺纹配合安装上述元件，所述活塞缸一3、活塞缸二5、自调节活塞缸7固定套设于外壳内。
25.本发明的工作原理是：本发明元件安装在pdc钻头的刀翼的后排齿位置，用螺纹固定。齿柱1裸露在pdc钻头的切削齿后面，当齿柱1受到外界持续稳定的作用力时，通过增减压功能的活塞一2、活塞二6
将压力降低，再将作用力传导至自调节活塞8中，自调节活塞8在外力的作用下逐渐压缩，压缩速率与流量控制装置9有关，同时并带动回复弹簧10逐渐压缩，齿柱1与前排齿高差增加，前排齿的切削深度增大；当齿柱1不受外力后，自调节活塞8在回复弹簧10的回弹力作用下迅速弹出，弹出速率也与流量控制装置9有关，流量控制装置9上设计有活塞泄流孔17、单向阀钢珠18、配压杆泄流孔19以及单向阀弹簧20，通过单向阀和泄流孔的综合阻尼作用，实现不同受力情况下压缩、回弹的不同的速率表现，实现阻尼的作用。回弹作用力通过活塞二6、活塞一2实现增压传递给齿柱1；当齿柱1受到外界瞬间冲击力时，通过增减压部分将压力降低，由于流量控制装置9的阻尼作用，液压介质无法瞬间从空腔13流入空腔14，自调节活塞无法瞬间被压缩，因而齿柱可以承受瞬间冲击力而不被压缩，实现保护前排齿的作用。
26.增减压部分的活塞缸一3、活塞缸二5的两个空腔内充满液压介质，液压介质可以通过连接管路4在两个空腔间流动；活塞缸一3的直径比活塞缸二5的直径大，根据压力f=压强p
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活塞截面积s，活塞一2的压力比活塞二6的压力要大，这样来实现对外增压和对内减压的效果。自调节部分的活塞缸7被自调节活塞8分为13、14两个空腔，空腔内充满液压介质，液压介质通过流量控制装置9在两个空腔间流动，双向流动速率不同，由流量控制装置9控制。液压介质从空腔13流入空腔14时，单向阀关闭，介质通过溢流缝隙流动，流量小，介质流速慢；液压介质从空腔14流入空腔13时，单向阀被顶开，瞬间流量增大，介质流速快。通过控制单向阀截面尺寸与溢流缝隙尺寸，以实现双向流速的精确控制。齿柱1与活塞一2相连，活塞二6与自调节活塞8通过连接杆连接，实现整体连接及压力传导。配压杆11的作用是实现与外界的压力平衡，与齿柱1处在同样的环境介质里，以保证自调节元件所有液压缸内部空腔的压力平衡。
27.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
28.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。