[发明专利]一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具

说明书

本发明公开了一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具，包括PDC钻头，旋转驱动动力装置以及PDC钻头上方的扭矩自适应冲击工具，扭矩自适应冲击工具处于PDC钻头和旋转驱动动力装置之间，所述扭矩自适应冲击工具包括外壳体、上端盖，主轴、弹性元件、上冲击体以及下冲击体。本发明中钻头在正常工作时工具对钻头不产生冲击，而是随旋转驱动动力装置一起旋转进行钻进，当钻头所需破岩扭矩超过驱动扭矩时冲击工具才对钻头进行冲击，这种根据驱动扭矩和阻力扭矩大小决定是否产生冲击的工作方式，可以降低PDC齿冲击次数，提高PDC齿寿命，也可以减缓PDC钻头的粘滑，保护PDC齿和上部钻具，旋转冲击还可以提高钻头的破岩效率。

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种适用于PDC钻头的扭矩自适应冲击工具。

背景技术

破岩是钻井的根本问题。机械破岩仍然是现阶段油气钻井中主要的作业方式，钻头是用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，钻头作为绝对主力在钻井工程中发挥着不可替代的作用，其中，牙轮钻头和PDC钻头最为常用。牙轮钻头依靠牙齿对井底岩石的挤压作用产生侧压力，侧压力又形成剪切力，岩石达到剪切强度后发生破裂失效，在这一过程中能量的传递与转化降低了其利用率。PDC钻头凭借高效的剪切方式破岩，在软至中硬地层中逐步替代牙轮钻头。特别是，切削齿材料技术、钻头基础理论、钻头设计技术的快速进步，使PDC钻头的地层适应性变宽，在油气钻井总进尺中的比例，已由十九世纪八十年代的5%增长至90%。

以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削齿（对PDC钻头，切削齿主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。据资料显示，仅占总进尺20%的深部复杂地层，就花费了整个钻井周期80%的总成本。

在钻井过程中，PDC钻头的切削齿在钻压的作用下克服地应力吃入地层，在扭矩的驱动下剪切破碎地层材料。相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。PDC钻头在钻进深部难钻地层时，特别是在钻遇软硬交错、含砾地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头易发生粘滑振动现象。粘滑振动以钻头的粘滞与滑脱交替出现为特征：粘滞阶段，钻头因破岩扭矩不足停止转动，钻柱在转盘的驱动下继续扭转，当钻柱所积能量足以破碎岩层时，粘滞的钻头便滑脱；滑脱阶段，钻柱积蓄的能量瞬间释放，钻头在正反方向突然加速与减速，钻头角速度数倍于转盘转速，钻头所受岩层阻碍其转动的扭矩也剧烈波动。粘滑振动导致机械钻速降低，钻柱能量释放后钻头沿钻柱轴线来回振荡，钻头受不规则冲击，失效加快。

螺杆钻具作为一种井下动力工具获得了迅速发展，其优势在于：井底直接提供动力，增加钻头的转速和扭矩，可准确地定向、造斜、纠偏，在水平井、开窗侧钻、扩眼等钻井施工中得到广泛应用。通用螺杆、特异型螺杆和特殊用途螺杆钻具也逐渐增多，其发展前景主要是向长寿命、大扭矩、高转速、多功能靠拢。

虽然利用螺杆驱动钻头高速旋转破岩可以提高钻头的破岩效率，但是当在不均质地层钻进时，若钻头吃入地层深度过深发生粘滑时，螺杆传动轴要承受交变扭转载荷，导致螺杆钻具失效加快。严重时，钻头处于粘滞状态，造成憋泵现象，导致井口地面设备损坏。

提高复杂难钻地层中PDC钻头的机械钻速、降低作业成本、缩短作业周期是油气勘探开发过程中永恒的话题。理论研究和现场实践证明，扭转冲击钻井技术是提高PDC钻头破岩效率和机械钻速、解决钻头粘滑振动的有效途径之一。扭转冲击提速工具能在钻头旋转的同时对钻头产生周期性的扭转冲击作用以破碎岩石。