一种可自动替换的钻头装置的制作方法

1.本发明涉及钻井工程技术领域，具体地涉及一种可自动替换的钻头装置。


背景技术：

2.目前钻井工程中采用过很多种类的钻头，其中，牙轮钻头、pdc钻头应用领域较广，所以在石油钻探工作中使用的也最为普遍。
3.在石油钻探的过程中，随着钻探深度的加大，钻头都会出现相应的磨损、崩齿等问题。例如牙轮钻头在井下，便会因为牙齿磨损、轴承损坏，最终导致牙轮钻头无法正常转动，直至卡死，如不及时处理，则会造成掉钻的事故。
4.目前，当钻头出现磨损、崩齿等问题时，一般需要进行起钻操作以更换或维修钻头，然后再进行下钻操作。这显然会严重耽误工程进度，降低工作效率。
5.因此，如何既能减少起下钻次数，又能降低钻头发生事故的风险成为一种亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种可自动替换的钻头装置。本装置提前在钻具中预置一个备用钻头。这样，在井下作业的过程中，当第一个钻头发生磨损时，该装置可实现在井下自动更换备用钻头，以此来降低钻头发生事故的风险，同时节约了进行起下钻操作的时间，进而有效地提高了工作效率。
7.根据本发明提供了一种可自动替换的钻头装置，包括：钻具、可旋转地安装在所述钻具内的钻头组件，以及用于控制所述钻头组件旋转的控制单元，所述钻头组件包括通过伸缩杆连接的第一钻头和第二钻头，所述第一钻头处于所述钻具外，所述第二钻头处于所述钻具内，所述第一钻头和第二钻头均包括若干个能够伸出和收回的刀片，所述控制单元构造成能够响应于指令而促动所述钻头组件旋转，使得所述第一钻头处于所述钻具内而所述第二钻头处于所述钻具外。
8.在一个实施例中，所述钻头组件还包括伸缩槽，所述伸缩杆设置在所述伸缩槽内，并由所述控制单元驱动而作伸缩运动。
9.在一个实施例中，所述钻头组件还包括旋转杆，所述旋转杆能够由所述控制单元驱动以带动所述钻头组件旋转。
10.在一个实施例中，所述钻具上设置有旋转卡扣，所述旋转卡扣与所述旋转杆对应连接，使得所述旋转杆只能旋转180度。
11.在一个实施例中，在所述可自动替换的钻头装置的初始状态下，所述第一钻头的所述刀片伸出，所述第二钻头的所述刀片收回，所述伸缩杆伸展；在所述钻头组件旋转前，所述第一钻头的所述刀片收回，所述伸缩杆收缩；在所述钻头组件旋转后，所述第二钻头的所述刀片伸出，所述伸缩杆伸展。
12.在一个实施例中，所述第一钻头和第二钻头均还包括用于收纳所述刀片的刀片
槽，以及设置在所述刀片槽内用于使所述刀片伸出所述刀片槽外或收回到所述刀片槽内的刀片伸缩杆。
13.在一个实施例中，在收回到所述刀片槽内的状态下，所述刀片的外表面处于所述第一钻头或第二钻头的外表面之内。
14.在一个实施例中，其特征在于，所述控制单元包括压力传感器，用于在所检测到的压力异常时发出指令，以促动所述钻头组件旋转。
15.在一个实施例中，所述第一钻头和所述第二钻头均构造成半球形，使得在所述伸缩杆收缩后所述第一钻头和所述第二钻头共同形成一个大致球体，所述球体的外径小于所述钻具的内径。
16.在一个实施例中，其特征在于，所述控制单元设置在所述第二钻头内的一个密封腔室中。
附图说明
17.下面将结合附图来对本发明进行详细地描述，在图中：
18.图1为根据本发明的可自动替换的钻头装置的整体结构示意图；
19.图2为根据本发明的可自动替换的钻头装置的内部结构示意图，显示了通过伸缩杆连接的第一钻头和第二钻头；
20.图3为根据本发明的可自动替换的钻头装置中的控制单元的内部结构示意图；
21.图4为根据本发明的可自动替换的钻头装置中的钻头组件的局部示意图，显示了能够将刀片伸出到刀片槽外或收回到刀片槽内的刀片伸缩杆。
22.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明做进一步说明。为了方便解释，在本说明书中，方向性用语“纵向”或“轴向”指的是图1中的竖直方向，用语“横向”或“径向”指的是垂直于“纵向”或“轴向”的方向，即图1中的水平方向，用语“上游”或“上方”或类似用语指的是靠近井口的方向，用语“下游”或“下方”或类似用语指的是远离井口的方向。
24.图1为根据本发明的可自动替换的钻头装置的整体结构示意图。如图1所示，根据本发明的可自动替换的钻头装置100包括钻具10、可旋转地安装在钻具10内的钻头组件40，以及用于控制钻头组件40旋转的控制单元60。
25.钻具10包括本体12，其构造为空心的圆柱体。在本体12的表面上设置有旋转卡扣11，其功能将在下文中介绍。
26.图2为根据本发明的可自动替换的钻头装置的内部结构示意图，显示了通过伸缩杆42连接的第一钻头20和第二钻头30。如图2所示，钻头组件40包括第一钻头20和第二钻头30，第一钻头20与第二钻头30通过伸缩杆42相连接。第一钻头20和第二钻头30均构造成大致半球体的形状，并具有基本上相同的结构和尺寸。在图1所示的可自动替换的钻头装置100的初始状态下，第一钻头20处于钻具10之外，能够进行钻孔操作；而第二钻头30处于钻具10的内部，在图1中不可见。
27.容易理解，由于第二钻头30处于钻具10的内部，因此第一钻头2和第二钻头30的最
大外径均小于圆柱形钻具10的内径。
28.此外，如图2所示，钻头组件40还包括旋转杆41，使得钻头组件40作为一个整体能够围绕旋转杆41旋转。旋转杆41一方面与控制单元60连接，另一方面与旋转卡扣11对接。当第一钻头20发生磨损后，控制单元60能够驱动旋转杆41旋转，从而带动包括第一钻头20和第二钻头30的整个钻头组件40围绕旋转杆41发生旋转。由此，在整个钻头组件40旋转后，第一钻头20旋转到钻具10的内部，而第二钻头30旋转到钻具10的外部，从而能够进行钻孔操作。通过这种方式，根据本发明的可自动替换的钻头装置100能够实现钻头的自动更换，进而保障钻头使用过程中的安全性。
29.根据本发明，旋转杆41与旋转卡扣11对接，使得旋转杆41只能旋转180度，即，正好使第一钻头20和第二钻头30的位置交换。容易理解，这种旋转卡扣11的结构是本领域的技术人员所熟知的，在此略去详细的说明。
30.在根据本发明的一个实施例中，钻头组件40还包括设置在第一钻头20的内并向内凹陷的伸缩槽21。伸缩杆42设置在伸缩槽21内。另外，伸缩杆42与控制单元60连接，从而能够通过控制单元60的驱动而沿纵向作伸缩运动。
31.具体地说，如图1所示，在根据本发明的可自动替换的钻头装置100中，第二钻头处于钻具10内，并且伸缩杆42伸展开，使得第一钻头20完全处于钻具10外。此状态为可以利用第一钻头20进行钻井作业的第一状态。
32.在第一钻头20发生磨损之后，控制单元60能够响应于指令而使伸缩杆42收回，并促动包括第一钻头20和第二钻头30的整个钻头组件40围绕旋转杆41旋转，使得第一钻头20处于钻具10内而第二钻头处于钻具10外。此状态为旋转杆41经过180度旋转后的可以利用第二钻头30进行钻井作业的第二状态。
33.通过这种方式，第一钻头20与第二钻头30在钻具10处完成从第一状态到第二状态的转换，该转换的整个过程在井下即可完成，无需重复起下钻。这样一来，不仅提高工作效率，而且有效地保障了钻井过程中的使用安全。
34.图4为根据本发明的可自动替换的钻头装置的局部示意图，显示了能够将刀片伸出到刀片槽外或收回到刀片槽内的刀片伸缩杆。如图4所示，第一钻头20和第二钻头30均包括若干个能够伸出和收回的刀片50、用于收纳刀片50的刀片槽51，以及设置在刀片槽51内能够使刀片50伸出刀片槽51外或收回到刀片槽51内的刀片伸缩杆52。
35.在如图4所示的实施例中，第一钻头20和第二钻头30分别沿周向在对称的四个方向上设置刀片槽51。其中，每个刀片槽51均设置有连接刀片50的刀片伸缩杆52。此外，刀片50的尺寸与刀片槽51的尺寸相适配。
36.如图1所示，根据本发明的可自动替换的钻头装置100，在初始状态下，设置在第一钻头20上的刀片50伸出，设置在第二钻头30上的刀片50收回，此时，伸缩杆42沿纵向伸展。该状态即为可以利用第一钻头20进行钻井作业的第一状态。
37.在控制单元60需要驱动钻头组件40旋转之前，设置在第一钻头20上的刀片50收回，设置在第二钻头30上的刀片50保持收回的状态，此时，伸缩杆42沿纵向收缩。
38.在控制单元60驱动钻头组件40旋转后，设置在第二钻头30上的刀片50伸出，设置在第一钻头20上的刀片保持收回的状态，此时，伸缩杆42沿纵向伸展。该状态即为可以利用第二钻头30进行钻井作业的第二状态。
39.在根据本发明的一个实施例中，在刀片50收回到刀片槽51内部的状态下，刀片50的外表面处于第一钻头20或者第二钻头30的外表面之内。通过这种方式，能够保护刀片50，以防止其在的过程中因意外碰撞而受损。
40.在根据本发明的一个实施例中，第一钻头20和第二钻头30均构造成半球形。在伸缩杆42收缩后，第一钻头20和第二钻头30共同形成一个大致球体，其中该球体的外径小于钻具10的内径，以便于第一钻头20和第二钻头30在钻具10内完成旋转。需要说明的是，上述用语“大致球体”涵盖了近似于球体的各种形状。
41.在根据本发明的一个实施例中，控制单元60设置在第二钻头30内的一个密封空腔中。通过这种方式，保证了可自动替换的钻头装置100中具有控制钻头组件40伸缩与旋转功能的控制单元60的防水性能。
42.图3为根据本发明的可自动替换的钻头装置中控制元件的内部结构示意图，如图3所示，控制单元60包括压力传感器61，其用于在所检测到的压力异常时发出指令，以促动钻头组件40旋转。这样一来，可自动替换的钻头装置100在井下就可以完成钻头的自动旋转。
43.尽管在本发明的上述实施例中设置了压力传感器61来发出指令以促动钻头组件40旋转，然而本领域技术人员容易理解，在本发明中还可以设置其他不同种类的传感器，如温度传感器、光敏传感器等，或类似于传感器的指令传输设备。
44.如图3所示，控制单元60还包括：总控装置70，用于分别向第一钻头20、第二钻头30或钻头组件40发送信号；旋转组件72，其与旋转杆41相连，用于控制包括第一钻头20和第二钻头30的整个钻头组件40旋转；连接组件71，用于将控制单元60内的各个组件相连；电源组件73，为控制单元60内的各个组件提供能量。
45.在根据本发明的可自动替换的钻头装置100，如图3所示，由连接组件71对压力传感器61、电源组件73、总控装置70和旋转组件72进行环形连接。其连接方式具体为，压力传感器61分别与电源组件73和旋转组件72连接，总控装置70分别对电源组件73和旋转组件72连接。
46.使用根据本发明的可自动替换的钻头装置100来进行钻头自动替换的过程具体如下。
47.在如上所述的第一状态下，第一钻头20处于钻具10外而第二钻头处于钻具10内。利用第一钻头20进行井下破岩作业，压力传感器61实时接收与传输第一钻头20在井下作业中所遇到的阻力的情况。当第一钻头20遇到硬质地层难以前进或者接收到第一钻头20发生损坏的信号后，压力传感器61向总控装置70发出指令。
48.总控装置70对第一钻头20发出收回信号。此时，伸缩杆42控制的第一钻头20向伸缩槽21内收缩。同时，由第一钻头20上的刀片伸缩杆52控制刀片50向刀片槽51内收缩，直至刀片50外表面处于第一钻头20的外表面内。
49.之后，总控装置70对钻头组件40发出旋转信号，旋转组件72带动旋转杆41旋转，从而带动第一钻头20与第二钻头30进行旋转。此时，钻具10上的旋转卡扣11能够控制旋转杆41正好旋转180度，使得第一钻头20与第二钻头30正好进行180度的旋转。这样，第一钻头20处于钻具10内而第二钻头处于钻具10外。
50.然后，总控装置70对第二钻头30发出伸展信号，由第二钻头30上的刀片伸缩杆52控制刀片50从刀片槽51中伸出，并置于刀片槽51之外。同时，伸缩杆42伸展开，使得第二钻
头30处于图1中所示的第一钻头20的位置。自此，可自动替换的钻头装置100中的钻头自动替换工作完成。此时，该钻头装置100能够继续使用第二钻头30来对硬质岩层进行钻探作业。
51.在根据本发明一个未示出的实施例中，所安装的第一钻头20和第二钻头30为不同种类的钻头，其对不同地质状况的岩层具有不同的钻探效果。通过这种方式，该钻头装置能够根据岩层中地质的不同而在井下完成钻头的自动更换，以便用不同的钻头来对不同的岩层进行钻探作业。
52.以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员在本发明的公开范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。