本發(fā)明屬于石油工程技術領域，涉及鉆井工具，具體地說，涉及一種自適應扭矩平衡鉆頭。

背景技術：

鉆井現(xiàn)場實踐表明，通過改變鉆井過程中井底的結構可以提前釋放井底地層應力而有效提高鉆頭的破巖效率。基于上述原理，國外nov公司研發(fā)了同心雙級speeddrillbits，國內勝利鉆井院彭燁等研發(fā)了雙級pdc鉆頭。

公開號為cn105443041a的中國發(fā)明專利申請公開了一種差壓式鉆頭，具體公開了以下特征：差壓式鉆頭包括轉換接頭、傳液傳力短接、擴眼鉆頭、蓄力彈簧、領眼鉆頭；轉換接頭、傳液傳力短接與領眼鉆頭螺紋連接成一體；擴眼鉆頭位于轉換接頭與領眼鉆頭之間，安裝于傳液傳力短接外側；擴眼鉆頭與轉換接頭、傳液傳力短接、領眼鉆頭構成的整體可實現(xiàn)軸向相對運動；蓄力彈簧安裝于傳液傳力短接中部，蓄力彈簧用于實現(xiàn)擴眼鉆頭與轉換接頭、傳液傳力短接、領眼鉆頭構成的整體之間彈力的儲備及相對位置的恢復。本發(fā)明原理及結構簡單，適用范圍廣，用于防斜打直時可以保證小鉆壓快速鉆進，提高易斜地層直井鉆進效率；鉆井過程中與常規(guī)鉆井完全相同，有利于推廣和使用。

公開號為cn105317377a的中國發(fā)明專利申請公開了一種中心差壓式鉆頭，具體公開了以下特征：中心差壓式鉆頭包括擴眼鉆頭、壓力調節(jié)彈簧、分流傳力總成、領眼鉆頭；領眼鉆頭與分流傳力總成連接成一體，安裝于擴眼鉆頭的軸向傳扭孔內，領眼鉆頭凸出于擴眼鉆頭冠部；壓力調節(jié)彈簧設于分流傳力總成頂端與擴眼鉆頭接頭下端之間；擴眼鉆頭可以設置一級或者多級。本發(fā)明原理及結構簡單，適用范圍廣，可應用于各種地層，其使用效果在多夾層地層中更佳；可以與脈沖射流發(fā)生裝置一起使用，進一步提高鉆井速度；鉆井過程中，操作施工跟常規(guī)鉆井完全相同，對地面設施、鉆井管柱、鉆頭類型沒有特殊要求，有利于鉆頭的推廣和使用。

公開號為106703701a的中國發(fā)明專利申請公開了一種脈動沖擊產生機構及含有該產生機構的中心差壓鉆頭，脈動沖擊產生機構包括依次放置的扶正元件、驅動元件、轉動元件和節(jié)流元件，扶正元件、驅動元件和轉動元件依次連接，節(jié)流元件與轉動元件間隙配合，扶正元件和節(jié)流元件上均設有用于鉆井液流通的過流通道，驅動元件驅動轉動元件轉動，轉動元件與節(jié)流元件上的過流通道相對運動。中心差壓鉆頭包括擴眼鉆頭、脈動沖擊產生機構、壓力調節(jié)元件、傳動機構和領眼鉆頭，壓力調節(jié)元件、傳動機構、領眼鉆頭依次連接。該專利申請能夠實現(xiàn)領眼鉆頭旋沖鉆進的同時，減少領眼鉆頭和擴眼鉆頭巖屑的壓持效應，進而達到保護鉆頭、提高鉆頭壽命和鉆井速度的目的，鉆井效果進一步提高。

上述現(xiàn)有鉆頭在室內或現(xiàn)場均取得了大幅度的鉆井提速效果。由于石油勘探領域的主力鉆頭—pdc鉆頭(英文：polycrystallinediamondcompactbit)對地層具有極強的選擇性，當鉆遇硬地層或者多夾層地層時，粘滑現(xiàn)象及其導致的沖擊損壞將會導致較低的機械鉆速、單只鉆頭進尺減少并極大地延長建井周期。雖然上述現(xiàn)有鉆頭可加裝吃深控制單元，但由于無法主動控制鉆遇復雜地層時的吃入深度，仍然有潛在的產生粘滑現(xiàn)象的可能，從而導致鉆進時的鉆頭扭矩波動較為強烈，引起鉆頭或者底部鉆具組合的疲勞損壞，也未能將此類鉆頭的鉆進效率提至最佳。因此，亟需一種能夠在復雜地層中利用應力釋放原理提高機械鉆速又能自動平衡鉆進過程中由于粘滑現(xiàn)象產生橫向沖擊扭矩的鉆頭，以滿足不同地層、不通過井型井眼鉆井提速的需要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提供了一種自適應扭矩平衡鉆頭，該鉆頭可以實現(xiàn)鉆進過程中無效扭矩的自適應平衡，減緩甚至是避免鉆進過程中粘滑現(xiàn)象產生的扭轉沖擊振動，達到鉆進過程中的無效振動自動吸收與釋放，進而保護鉆頭與底部鉆具組合；同時由于領眼鉆頭和擴眼鉆頭的尺寸存在差異，可以實現(xiàn)鉆井過程中井底結構的變化以提前釋放地層應力加快鉆進速度。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種自適應扭矩平衡鉆頭，包括擴眼鉆頭和領眼鉆頭，所述擴眼鉆頭包括擴眼鉆頭接頭和與所述擴眼鉆頭接頭連接的擴眼鉆頭冠部，所述領眼鉆頭安裝于所述擴眼鉆頭冠部內，并突出于所述擴眼鉆頭冠部，所述擴眼鉆頭接頭接頭與所述擴眼鉆頭冠部連接形成的內部空腔內安裝有扭矩傳動裝置，所述扭矩傳動裝置包括轉動件和與所述轉動件固接為一體的傳動件，所述傳動件與所述領眼鉆頭連接，所述轉動件上設有至少一個止動件，所述扭矩傳動裝置還包括與所述止動件配合的限位件，所述限位件設于所述擴眼鉆頭冠部；所述止動件與所述擴眼鉆頭冠部之間設有與所述止動件配合使用的用于傳遞部分領眼鉆頭破巖扭矩、緩沖扭矩波動的彈性件。

進一步的，所述擴眼鉆頭冠部內壁上設有用于放置所述彈性件的彈性件放置腔。

優(yōu)選的，所述擴眼鉆頭為pdc鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭中的任意一種，所述領眼鉆頭為pdc鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭中的任意一種，所述擴眼鉆頭與所述領眼鉆頭任意組合搭配形成不同種類的組合式鉆頭。

進一步的，所述轉動件內設有分流腔，所述轉動件上設有用于鉆井液流通的一個主分流孔和多個次分流孔，所述傳動件內設有與所述主分流孔連通的用于鉆井液流通的流通通道。

作為優(yōu)選，所述止動件為多個時，均布在所述轉動件的外表面。

進一步的，所述轉動件與所述擴眼鉆頭冠部之間設有止推軸承，所述轉動件上設有與止推軸承配合的止推軸承限位面。

進一步的，所述轉動件與所述擴眼鉆頭冠部之間還設有用于支撐止推軸承的軸承座，所述軸承座上設有軸承座支撐面，所述轉動件上設有與軸承座支撐面配合的軸承座限位面。

進一步的，所述軸承座限位面位于所述止推軸承限位面的下方，且所述軸承座限位面的直徑小于所述止推軸承限位面。

優(yōu)選的，所述止推軸承限位面、所述轉動件、所述軸承座以及所述擴眼鉆頭冠部形成用于安裝所述止推軸承的止推軸承安裝腔。

優(yōu)選的，所述擴眼鉆頭、所述轉動件以及所述軸承座三者安裝配合后形成整流腔，用于將所述次分流孔中的鉆井液進行整合輸入到所述擴眼鉆頭的流道中。

優(yōu)選的，所述轉動件上依次設有第一密封件、第二密封件，所述第一密封件位于所述止動件的上方，所述第二密封件位于所述止動件的下方；所述傳動件上設有第三密封件。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明鉆頭內部使用了扭矩傳動裝置和彈性件，扭矩傳動裝置用于傳遞擴眼鉆頭和領眼鉆頭之間的轉動扭矩，彈性件可以吸收旋轉鉆進過程中產生的多余無效振動，大大減緩甚至避免鉆進過程中粘滑現(xiàn)象產生的扭轉沖擊振動，達到保護鉆頭及其底部鉆具組合免受沖擊損壞的目的，延長鉆井井下工具的壽命，產生更快更加連續(xù)的鉆井速度，減少了不必要的非生產時間。

(2)本發(fā)明鉆頭原理及結構簡單，不需要安裝其他工具，不影響其他鉆井工序的實施；適用范圍廣，可用于直井、定向井等各種井型，并且可以直接連接與鉆鋌，也可以與動力鉆具或脈沖射流發(fā)生裝置等其他井下工具配合使用。

(3)本發(fā)明鉆頭采用擴眼鉆頭和領眼鉆頭兩級結構，還可以組成多級鉆頭，鉆井過程中增加了鉆頭與井底的接觸面積，使得鉆頭的方向操控穩(wěn)定性更好，非常適用于定向鉆進；同時多級結構在鉆進過程中使得井壁更加規(guī)則，提高了井眼質量。

(4)本發(fā)明鉆頭采用擴眼鉆頭與領眼鉆頭組合的形式，實現(xiàn)鉆井過程中井底結構的變化，改變了井底應力場，提前釋放地層應力，提高了鉆進速度。

(5)本發(fā)明鉆頭在鉆井過程中，其操作施工與常規(guī)鉆井完全相同，對地面設施、鉆井管柱、井下動力鉆具及工具都無特殊要求，有利于鉆頭的推廣和使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鉆頭的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明鉆頭的a-a剖面圖。

圖3為本發(fā)明鉆頭的b-b剖面圖。

圖4為本發(fā)明扭矩傳動裝置的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明鉆頭的擴眼鉆頭結構示意圖。

1、扭矩傳動裝置，101、轉動件，102、傳動件，103、止動件，104、限位件，105、分流腔，106、主分流孔，107、次分流孔，108、流通通道，109、止推軸承限位面，110、軸承座限位面，111、整流腔，112、第一密封件，113、第二密封件，114、第三密封件，2、擴眼鉆頭，201、擴眼鉆頭接頭，202、擴眼鉆頭冠部，203、接頭螺紋，204、卸扣槽，205、擴眼鉆頭噴嘴流道，206、擴眼鉆頭噴嘴，207、擴眼鉆頭刀翼，208、擴眼鉆頭切削齒，209、彈性件放置腔，3、領眼鉆頭，301、領眼鉆頭接頭，302、領眼鉆頭冠部，303、領眼鉆頭刀翼，304、領眼鉆頭切削齒，305、領眼鉆頭噴嘴，4、止推軸承，5、軸承座，6、彈性件。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發(fā)明進行具體描述。然而應當理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結構和特征也可以有益地結合到其他實施方式中。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，自適應扭矩平衡鉆頭的長度方向為安裝后的豎向；術語“內”、“外”、“上”、“中”、“下”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

參見圖1、圖2、圖4，本發(fā)明一實施例，提供了一種自適應扭矩平衡鉆頭，包括擴眼鉆頭2和領眼鉆頭3，所述擴眼鉆頭2包括擴眼鉆頭接頭201和與擴眼鉆頭接頭201連接的擴眼鉆頭冠部202，領眼鉆頭3安裝于擴眼鉆頭冠部202內，并突出于擴眼鉆頭冠部202，擴眼鉆頭接頭201與擴眼鉆頭冠部202連接形成的內部空腔內安裝有扭矩傳動裝置1，所述扭矩傳動裝置1包括轉動件101和與所述轉動件101固接的傳動件102，所述傳動件102與所述領眼鉆頭3連接，所述轉動件101上設有至少一個止動件103，所述扭矩傳動裝置1還包括與所述止動件103配合的限位件104，所述限位件104設于所述擴眼鉆頭冠部202；所述止動件103與所述擴眼鉆頭冠部202之間設有與所述止動件103配合使用的用于傳遞部分領眼鉆頭破巖扭矩、緩沖扭矩波動的彈性件6。

本發(fā)明上述實施例所述自適應扭矩平衡鉆頭，采用扭矩傳動裝置和彈性件實現(xiàn)鉆進過程中扭矩的自動吸收與釋放，減緩甚至避免鉆井過程中粘滑現(xiàn)象產生的扭轉沖擊振動，達到吸收鉆進過程中的無效振動、進而保護鉆頭與底部鉆具組合的目的；并通過領眼鉆頭與擴眼鉆頭的尺寸差異實現(xiàn)鉆井過程中井底結構的變化以提前釋放地層應力，加快鉆進速度。

參見圖2，作為上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭的優(yōu)選設計，所述擴眼鉆頭冠部202內壁上設有用于放置所述彈性件6的彈性件放置腔209。彈性件放置腔209用于限制彈性件6的位置。作為優(yōu)選方案，所述彈性件6為機械彈簧或液力彈簧，作為替代方案，還可以為其他具有彈性功能的部件或者具有液壓阻尼作用的元件。

作為上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭的優(yōu)選設計，所述擴眼鉆頭為pdc鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭中的任意一種，所述領眼鉆頭為pdc鉆頭、牙輪鉆頭、金剛石鉆頭中的任意一種，所述擴眼鉆頭與所述領眼鉆頭任意搭配形成不同種類的組合式鉆頭。例如：領眼pdc鉆頭與擴眼pdc鉆頭組合、領眼pdc鉆頭與擴眼牙輪鉆頭組合、領眼牙輪鉆頭與擴眼pdc鉆頭、領眼牙輪鉆頭與擴眼牙輪鉆頭等，共可以形成9種不同的組合方式。

繼續(xù)參見圖4，所述轉動件101內設有分流腔105，所述轉動件101上設有用于鉆井液流通的一個主分流孔106和多個次分流孔107，所述傳動件102內設有與所述主分流孔106連通的用于鉆井液流通的流通通道108。進入轉動件101內的鉆井液經過分流腔105分流，一部分由主分流孔106進入傳動102內的流通通道108，一部分由次分流孔107進入擴眼鉆頭冠部202。

作為上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭的優(yōu)選設計，所述止動件103為多個時，均布在所述轉動件101的外表面，止動件的數(shù)量根據(jù)鉆頭所遇地層性質的差異設置為兩個或多個。作為優(yōu)選方案，繼續(xù)參見圖4，所述止動件103設有兩個，對稱分布在轉動件101的外表面，為弧狀結構突起；所述限位件104的形狀與所述止動件103的形狀互補，為弧狀結構腔體，所述止動件103放置于限位件104內，兩者配合工作，可以進行一定角度的往復旋轉。繼續(xù)參見圖4，所述彈性件放置腔209設于限位件104的內部，所述彈性件放置腔209的形狀為與所述限位件104相同的弧狀結構，且所述彈性件放置腔209的弧度大于所述所述限位件104的弧度，所述止動件103穿過所述彈性件放置腔209與所述限位件104配合使用，用于傳遞領眼鉆頭鉆進過程中的破巖扭矩，所述彈性件6放置于所述止動件103的兩側，與所述止動件103配合使用，用于吸收鉆進過程中的無效扭轉沖擊振動。

繼續(xù)參見圖1、圖4，對上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭進一步設計，所述轉動件101與所述擴眼鉆頭冠部202之間設有止推軸承4，所述轉動件101上設有與止推軸承4配合的止推軸承限位面109。止推軸承4承受轉動件101在軸向上所施加的壓力，并為轉動件101在沿軸線的旋轉運動減小阻力。

繼續(xù)參見圖1、圖4，對上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭進一步設計，所述轉動件101與所述擴眼鉆頭冠部202之間還設有用于支撐止推軸承4的軸承座5，所述軸承座5上設有軸承座支撐面(圖中未示出)，所述轉動件101上設有與軸承座支撐面配合的軸承座限位面110。軸承座5用于支撐止推軸承4，并固定止推軸承4的位置，承受來自止推軸承4軸向上的壓力，軸承座限位面110與軸承座支撐面相配合，起到固定軸承座5的作用。軸承座5與轉動件101、止推軸承限位面109以及擴眼鉆頭冠部202相配合形成用于安裝止推軸承4的止推軸承安裝腔(圖中未示出)，保證止推軸承4不產生徑向與軸向的滑動，只能產生沿軸線的旋轉運動。作為本實施例的優(yōu)選方案，所述軸承座5為具有一定厚度的圓環(huán)，軸承座的厚度可以根據(jù)止推軸承4軸向上的壓力選擇。

繼續(xù)參見圖4，對上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭優(yōu)選設計，所述軸承座限位面110位于所述止推軸承限位面109的下方，且所述軸承座限位面110的直徑小于所述止推軸承限位面109。

繼續(xù)參見圖4，所述轉動件內所述次分流孔開設于所述軸承座限位面110上。繼續(xù)參見圖1，所述主分流孔106和所述次分流孔107均與所述分流腔105連通。作為優(yōu)選方案，所述分流腔105為圓柱狀空腔，流經上部鉆具組合的全部鉆井液均需在分流腔進行整合分流。具體地說，將流經本發(fā)明自適應扭矩平衡鉆頭的鉆井液進行分流，一部分由主分流孔流106經領眼鉆頭至環(huán)空，另一部分由次分流孔107流經擴眼鉆頭至環(huán)空完成循環(huán)。

繼續(xù)參見圖1，對上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭優(yōu)選設計，所述擴眼鉆頭冠部202、所述轉動件101以及所述軸承座5三者安裝配合后形成整流腔111，用于將所述次分流孔107中的鉆井液進行整合輸入到所述擴眼鉆頭2的流道中。

繼續(xù)參見圖1、圖4，對上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭進一步設計，所述轉動件101上依次設有第一密封件112、第二密封件113，所述第一密封件112位于所述止動件103的上方，所述第二密封件113位于所述止動件103的下方；所述傳動件102上設有第三密封件114。第一密封件112用于防止鉆井液從上部鉆頭中心通孔流入限位件104和彈性件放置腔209中。第二密封件113為動密封，用于防止流入擴眼鉆頭冠部202的鉆井液回流入限位件104和彈性件放置腔209中。第三密封件114為動密封，用于阻隔經整流腔111流入擴眼鉆頭冠部202的鉆井液直接與井筒中的鉆井液混合，實現(xiàn)鉆頭的內部密封。

繼續(xù)參見圖1、圖4，對上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭優(yōu)選設計，所述傳動件102為圓柱狀中空軸，位于設于擴眼鉆頭冠部202的傳動件通孔(圖中未示出)內，傳動件通孔對傳動件起到支撐限位的作用。所述傳動件102的上部與轉動件101連接為一體，下部通過螺紋與所述領眼鉆頭3連接，并為領眼鉆頭3提供鉆進過程中的鉆壓與扭矩。

繼續(xù)參見圖1以及圖3、圖5，對本發(fā)明上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭優(yōu)選設計，擴眼鉆頭2包括上部的擴眼鉆頭接頭201和下部的擴眼鉆頭冠部202。擴眼鉆頭接頭201外側上部設有用于連接上部鉆具組合的接頭螺紋203，中部設有卸扣槽204，用于拆裝鉆頭并提供鉆進工程中的鉆頭扭矩，下部設有擴眼鉆頭接頭201與擴眼鉆頭冠部202連接的螺紋連接面(圖中未示出)。擴眼鉆頭接頭201內側自上而下依次為：用于為鉆井液提供過流空間的鉆井液流道，用于為扭矩傳動裝置提供軸向力支撐及固定作用的扭矩傳動裝置限位面(圖中未示出)。擴眼鉆頭冠部202頂端為擴眼鉆頭冠部202與擴眼鉆頭接頭201連接的擴眼鉆頭冠部連接面(圖中未示出)，擴眼鉆頭冠部連接面以下為鉆頭冠；擴眼鉆頭冠部連接面與擴眼鉆頭接頭201的下部螺紋連接面形狀互補，實現(xiàn)擴眼鉆頭冠部202與擴眼鉆頭接頭201的螺紋連接。擴眼鉆頭冠部202外側均布有數(shù)量、形狀隨所鉆地層特性而變化的擴眼鉆頭刀翼207，擴眼鉆頭刀翼208上分布有數(shù)量、尺寸隨所鉆地層特性而變化的擴眼鉆頭切削齒208。擴眼鉆頭冠部202內側上端圓孔至擴眼鉆頭冠部202底端擴眼鉆頭刀翼207根部開有擴眼噴嘴流道205，擴眼噴嘴流道205底端安裝有擴眼鉆頭噴嘴206。由于擴眼鉆頭冠部202的特征會隨著隨所鉆地層的地質特征和工程需要做出相應的改變，設于擴眼鉆頭冠部202上的擴眼鉆頭噴嘴流道205、擴眼鉆頭噴嘴206、擴眼鉆頭刀翼207和擴眼鉆頭切削齒208的形狀、尺寸和數(shù)量都會隨著擴眼鉆頭冠部202變化而變化。作為優(yōu)選方案，所述擴眼鉆頭噴嘴206可以是普通射流噴嘴，也可以安裝旋轉射流、空射射流等高性能輔助破巖噴嘴，以使其性能達到最佳。

繼續(xù)參見圖1，對本發(fā)明上述實施例自適應扭矩平衡鉆頭優(yōu)選設計，領眼鉆頭3上部的領眼鉆頭接頭301和下部的領眼鉆頭冠部302，接頭與領眼鉆頭冠部連接為一體。領眼鉆頭接頭301外側的上部設有用于與所述傳動件102連接的連接螺紋(圖中未示出)，領眼鉆頭接頭301內側設有鉆井液流道，用于為鉆井液提供過流空間。領眼鉆頭冠部302形狀根據(jù)地層特征變化，與常規(guī)鉆頭設計方法相同；領眼鉆頭冠部302內側上端為鉆井液過流孔，領眼鉆頭冠部302上布有數(shù)量不等能夠使鉆頭鉆進過程自平衡的領眼鉆頭刀翼303，領眼鉆頭刀翼303上分布有用于切削破碎地層的領眼鉆頭切削齒304；領眼鉆頭冠部302內側上端鉆井液過流孔與領眼鉆頭刀翼303根部間開有鉆頭噴嘴流道，領眼鉆頭噴嘴流道底端安裝有領眼鉆頭噴嘴305；領眼鉆頭刀翼303、領眼鉆頭切削齒304、領眼鉆頭噴嘴305的數(shù)量與所鉆地層的特性密切相關，需要進行個性化設計，其設計方法與常規(guī)鉆頭相同。

將上述實施例所述自適應扭矩平衡鉆頭的領眼鉆頭更換為小直徑實施例所述自適應扭矩平衡鉆頭構成三級自適應扭矩平衡鉆頭；依照上述方式，將三級自適應扭矩平衡鉆頭的領眼鉆頭更換為更小直徑的實施例所述自適應扭矩平衡鉆頭，可形成四級自適應扭矩平衡鉆頭。根據(jù)該方法可以構造出多級自適應扭矩平衡鉆頭。

上述實施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。