一种电机驱动变径的PDC钻头

一种电机驱动变径的pdc钻头
技术领域
1.本发明是一种电机驱动变径的pdc钻头，具体涉及一种通过电机驱动改变pdc钻头直径的装置，属于石油天然气钻探技术领域。


背景技术：

2.石油天然气钻井作业中，pdc钻头因其提升钻速更容易，无滚轮掉落危险，坚固可靠，使用寿命长，脱口次数相对减少，适应地层更宽等优势被广泛应用。但是在砂砾层、盐膏层、不均质地层、塑性较强地层等不稳定地层钻进时，往往会遇到井眼缩径或部分垮塌导致钻头卡钻现象，起钻难度加大，导致经济投入显著提高。
3.由于常规pdc钻头刀翼固定，无法在缩径地层或起钻困难井段通过改变钻头直径轻松提升钻头，而现有的相关专利技术，一是通过气压传动实现变径不稳定；二是通过铰链机构将上下运动转换成刀翼的横向运动达到改变钻头直径目的，但铰链机构在钻进时对岩石与刀翼产生强大的冲击力作用下易损坏，还会出现卡死现象，不利于起下钻；三是通过齿轮齿条等传动技术实现变径，但是在钻头内部某一区域设计齿轮传动机构实现变径显然齿轮轮齿的强度较难保证。且现有技术无法适时通过地上控制平台实现对钻头直径的有效控制，钻头变径较为困难。
4.现有技术中，公开号为cn215169747u的实用新型专利（授权日期2021年12月14日）公开了一种灌注桩变径扩底钻头，包括钻头基体、三组刃板、联动座和驱动缸，三组刃板于驱动缸、联动座的共同作用下沿所述钻头基体径向方向伸缩，通过联动座控制三组刃板回缩减小钻头直径，钻头可以在刃板收缩状态下探至基础桩孔底部后再展开变径，从而可以缩小基础桩孔的大小，降低施工工作量。公开号为cn110666220b的发明专利（授权公告日2020年08月14日）公开了一种可变径钻头，包括弹性排屑筒、中心杆、变径调节螺杆、第一变径锥度轴、第二变径锥度轴、第一钻头以及若干间隔滑动连接在第二变径锥度轴上的第二钻头通过设置变径调节螺杆与第二变径锥度轴配合，达到调节第二钻头的活动半径的目的。综上所述，现有技术中还未提供解决上述及相关问题的技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的是通过在钻头内设置电机驱动单元，使楔形t型块在其驱动下，于可动刀翼内侧设置的与其配合的楔形t型槽内沿其楔形滑动，同时带动可动刀翼于钻头本体的径向运动，从而使钻头直径发生变化，为解决钻井过程中的缩径卡钻、钻头变径困难以及现有技术中因传动技术造成的变径不稳定、对刀翼冲击力大易损和变径效果无法保证等问题，提供了一种电机驱动变径的pdc钻头，有效解决钻头卡钻及钻头变径较为复杂等带来的经济损失和较为繁杂的操作等难题，另外，还在提高钻井作业的效率的同时，降低了钻井作业的成本。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，包括钻头本体、筒体、公接头、电机驱
动单元和可动刀翼，所述钻头本体设贯穿至其内部的刀翼槽，所述筒体两端分别与所述钻头本体和公接头连通，形成圆柱状的空腔，所述电机驱动单元设于所述空腔内，包括固定设置于所述空腔下端的电机、设于所述空腔轴线上的传动轴和导向头，所述电机通过转轴与所述传动轴一端的连接轴连接，所述传动轴另一端通过丝杠副与所述导向头连接，所述可动刀翼内侧设楔形t型槽，并通过所述刀翼槽进入所述空腔内，所述楔形t型槽内设有沿其楔形滑动的楔形t型块，所述楔形t型块与所述导向头固定连接，并随之于所述空腔的轴线方向运动。
7.可选的，所述楔形t型块与所述楔形t型槽的楔形角度相等，角度范围为10
°
~26
°
之间。
8.可选的，所述刀翼槽内设贯穿所述钻头本体侧壁至其内部的第二导向槽，所述刀翼槽内侧设有沿所述钻头本体径向的第一导向槽，所述楔形t型槽与所述第二导向槽配合设置，并通过所述第二导向槽进入所述空腔内，所述楔形t型槽侧面设有与所述第一导向槽配合的导向块。
9.可选的，所述钻头本体顶部中心位置设有用于安装顶齿的顶齿孔，所述可动刀翼上设有切削齿和心部齿，且所述心部齿设于所述可动刀翼顶部内侧。
10.可选的，所述刀翼槽顶端设条形水孔，所述条形水孔径向长度不小于可动刀翼径向位移。
11.可选的，于所述钻头本体顶部中心位置的刀翼槽之间设有喷嘴。
12.可选的，所述筒体与所述公接头的连接端于周向均匀布置有至少两个沉槽，所述电机上设有与之配合固定所述电机的固定块。
13.可选的，所述电机驱动单元还包括供电装置，所述供电装置为设有液驱叶轮的微型液力发电机，所述电机通过所述微型液力发电机上设置的电接头与之连接并通电，所述电机上设有用于接收所述电机的控制信号的信号通道接口。
14.可选的，所述供电装置外设有用于防止钻井液进入的缓冲保护罩，所述电机设有防止钻井液进入的的转轴胶套，所述丝杠副外设波纹密封管。
15.一种如权利要求1所述pdc钻头的变径方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.启动电机，电机带动传动轴转动；s2.传动轴带动导向头于所述空腔轴向运动；s3.导向头带动楔形t型块于楔形t型槽内滑动；s4.楔形t型块带动楔形t型槽于刀翼槽内沿钻头本体径向移动；s5.楔形t型槽带动可动刀翼沿钻头本体径向伸缩。
16.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：（1）本发明是通过于钻头本体设置贯穿至其内部的刀翼槽，由筒体连通钻头本体和公接头形成圆柱状的空腔，于所述空腔内设置电机驱动单元，并通过传动轴、丝杠副转换导向头的运动方向等一系列设置，实现了电机驱动楔形t型块于可动刀翼内侧设置的楔形t型槽内沿其楔形滑动，推动可动刀翼于钻头本体的径向伸缩，使钻头变径的目的。
17.（2）本发明是通过设置倾斜角度范围在10
°
~26
°
之间的相等楔形角度的楔形t型块与楔形t型槽，使所述楔形t型块在楔形t型槽滑动更加顺畅，起到防止楔形t型块在滑动过程中出现卡死现象，避免发生井下事故的风险增加的作用，从而取得更好、更稳定的变径效
果。
18.（3）本发明是通过所述刀翼槽内设置于所述钻头本体侧壁上贯穿至其内部的第二导向槽，于所述刀翼槽内侧设有沿所述钻头本体径向的第一导向槽，所述楔形t型槽与所述第二导向槽配合设置的，并于其上设置与所述第一导向槽配合的导向块，使可动刀翼第一导向槽、第二导向槽的导向方向伸缩，从而起到了控制可动刀翼变径方向，使其变径过程更加稳定的作用，同时也使可动刀翼在变径后，能够按照变径方向进行恢复，以避免钻头在变径过程中受到损坏而影响后续的工作进程。
19.（4）本发明是通过在钻头本体顶部中心位置设置用于安装顶齿的顶齿孔和在可动刀翼上设切削齿和心部齿，同时将心部齿设置于可动刀翼顶部内侧，使周向破碎和顶部冲击压碎复合作用下得到有效解决，防止因设置可动刀翼而造成钻头中心区域的空白，避免沿钻头轴向形成岩石柱对钻头造成轴向冲击，进而防止了因此对钻头本体的损伤，同时还在可动刀翼竖直侧设有心部齿，通过轴向和周向对岩石柱形成复合破碎，有效预防岩石柱形成后对钻头造成轴向冲击使钻头本体破坏降低寿命，也可以避免岩石柱轴向冲击对钻头破岩造成过大轴向震动影响钻进破岩效率。
20.（5）本发明是通过在刀翼槽顶端设置径向长度不小于所述可动刀翼的条形水孔，可以对所述刀翼槽进行充分的冲洗，能够有效避免岩屑在刀翼槽内的堆积，避免因此影响可动刀翼伸缩，从而降低钻井时的卡钻风险。
21.（6）本发明是通过在钻头本体顶部中心位置的刀翼槽之间设置喷嘴，冲洗对刀翼起到清洗和降温冷却作用，防止岩屑在此堆积形成泥包，进而影响可动刀翼伸缩，同时又能起到降低钻井时的卡钻风险的作用；另外，还可以使钻井液能够快速循环，为微型液力发电机的设置提供动力。
22.（7）本发明是通过在所述筒体与所述公接头的连接端的周向均匀布置有至少两个沉槽，所述电机上设有与之配合的固定块，起到固定所述电机的目的。
23.（8）本发明通过设有液驱叶轮的微型液力发电机做为供电装置，并通过电接头连接电机并为之供电，使供电装置在钻井液作用下依靠液压冲击力转动发电并通过电接头为电机及其带动下的钻头变径提供不断的合适电压的电能，通过在所述电机上设置用于接收所述电机的控制信号的信号通道接口，来实现地面对所述电机的控制，达到地面控制钻头变径的目的。
24.（9）本发明通过在供电装置外设置用于防止钻井液进入的缓冲保护罩、所述电机设置防止钻井液进入的的转轴胶套解决了供电装置、电机以及其传动装置的密闭性问题，从而避免钻井液进入供电装置和电机，造成其损坏或影响其正常工作状态；在所述丝杠副外设置波纹密封管，起到避免泥沙等影响其传动效果的作用。
25.综上所述，本发明通过上述设计得到的一种电机驱动变径的pdc钻头，其可通过地面控制系统控制电机正转或反转，从而驱动传动轴转动并经丝杠副推动导向头上升或下降，在导向头因丝杠副被推动上升或下降时，由于可动刀翼与导向头是楔形t型槽块连接副连接，从而实现将导向头上升或下降转变成刀翼的径向伸出或缩回，从而达到pdc钻头变径的目的。其中导向块与第一导向槽的配合保证了可动刀翼的强度，确保了破岩的可靠性和稳定性，对内部的电机驱动单元也不会造成任何冲击损害，有效解决了钻井过程中井眼缩径卡钻引起的起下钻困难等难题，降低了钻井作业的经济成本和人力成本。
附图说明
26.图1为钻头变径前的结构示意图；图2为钻头变径后的结构示意图；图3为钻头变径前的俯视图；图4为钻头变径后的俯视图；图5为钻头变径前的剖面视图；图6为钻头变径后的剖面视图；图7为钻头本体的结构示意图；图8为钻头本体的剖面视图；图9为可动刀翼的结构示意图；图10为导向头的结构示意图；图11为电机驱动单元与可动刀翼配合的结构示意图；图12为筒体的结构示意图；图13为公接头的结构示意图；图14为电机驱动单元的结构示意图；图15为电机驱动单元去掉缓冲保护罩后的结构示意图；图16为供电装置和功率电机外部结构示意图；图17为电机驱动单元中传动轴结构示意图；图18为顶齿和心部齿复合破碎心部岩石柱示意图；其中，100—钻头本体，110—刀翼槽，111—第一导向槽，112—条形水孔，113—第二导向槽，120—顶齿孔，130—第一接口，140—喷嘴，200—可动刀翼，210—导向块， 220—楔形t型槽，300—筒体，310—第一接头，320—第二接口，321—沉槽，400—公接头，410—公锥螺纹，420—第二接头， 510—供电装置，511—液驱叶轮，512—电接孔，513—插接脚，520—电机，521—固定块，522—电接头，523—信号通道接口，524—插接孔，525—转轴，530—传动轴，531—外丝杠螺纹，532—连接轴，540—导向头，541—楔形t型块，542—内丝杠螺纹，550—缓冲保护罩，560—波纹密封管，570—转轴胶套， 600—顶齿，700—切削齿，800—心部齿。
具体实施方式
27.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
28.实施例1：如图1~图6结构所示，本实施例公开了一种电机驱动变径的pdc钻头，包括钻头本体100、筒体300、公接头400、电机驱动单元和可动刀翼200；所述钻头本体100设置有沿径向贯穿至其内部的刀翼槽110，所述筒体300两端分别与所述钻头本体100和公接头400连接，并其内部连通形成圆柱状的空腔；所述电机驱动单元设置于所述空腔内，包括固定设置于所述空腔下端的电机520、设于所述空腔轴线上的传动轴530和导向头540，所述电机520通过转轴525与所述传动轴530一端的连接轴532连接，所述传动轴530随所述转轴525转动，所述传动轴530另一端通过丝杠副与所述导向头540连接，所述导向头540在传动轴530和丝杠副的作用下于所述空腔的轴向运动，在所述可动刀翼200内侧设置楔形t型槽220，所述楔形
t型槽220通过所述刀翼槽110进入所述空腔内，所述楔形t型槽220内设有沿其楔形滑动的楔形t型块541，所述楔形t型块541与所述导向头540固定连接，并随所述导向头540于所述空腔的轴向运动。
29.本实施例中，所述楔形t型槽220、所述楔形t型槽220的楔形向上，初始状态如图5结构所示，所述楔形t型块541位于所述楔形t型槽220的最下端（即楔形底部），所述可动刀翼200紧靠于所述刀翼槽110内，此时钻头的直径最小；所述电机520通过钻头电源供电并控制其正反转。
30.本实施例中，可动刀翼200的截面为扇形，因此，在钻井作业时，钻头扩径（即钻头直径变大）后，可动刀翼200与钻头本体100之间会存在空隙，在遭遇松软地层，很可能出现泥沙堵塞所述空隙，而对钻头的变径功能造成不利影响。为防止这一现象发生，可采用在刀翼槽110内壁设置伸缩件的方式来填补上述空隙，在需要缩径时，再将所述伸缩件收回，从而解决泥沙堵塞所述空隙对钻头变径造成的不利影响。但更佳的方式是采用截面为矩形的可动刀翼200和刀翼槽110内设置水孔或喷嘴的方式，设置矩形截面的可动刀翼200可以防止可动刀翼200侧面与钻头本体100之间产生空隙，利用水孔或喷嘴清洗扩径后可动刀翼200顶端与钻头本体100本体间的空隙，从而防止泥沙堵塞，避免因此对钻头变径功能的不利影响。另外，也可以利用流体效应，在这些出现空隙的位置设置水孔、喷嘴，达到对冲洗所述空隙，避免泥沙堵塞的作用，从而有效保证了钻头变径的顺利进行。
31.工作状态1：如2、图4和图6所示，钻井时，需要使钻头直径增大，控制所述电机520正转，所述传动轴530在所述电机520驱动作用下正转，使所述导向头540在丝杠副的作用下上升。带动所述楔形t型块541沿所述楔形t型槽220向上滑动，此过程中，由于所述楔形t型块541到所述导向头540轴心线的距离恒定不变，而所述楔形t型槽220随着所述楔形t型块541向上滑动，其斜坡面到所述导向头540轴心线的距离是逐渐减小的，使得所述楔形t型块541推动所述楔形t型槽220及其连接的可动刀翼200向外运动，从而使钻头直径增大，直至增大至设定直径为止，停止电机520工作。
32.工作状态2（即恢复初始状态）：如图1、图3和图5所示，起钻时，需要使钻头直径缩小，控制所述电机520反转，所述传动轴530在所述电机520驱动作用下反转，使所述导向头540在丝杠副的作用下向下运动，带动所述楔形t型块541沿所述楔形t型槽220向下滑动，此过程中，由于所述楔形t型块541到所述导向头540轴心线的距离恒定不变，而所述楔形t型槽220随着所述楔形t型块541向下运动，其斜坡面到所述导向头540轴心线的距离是逐渐增大的，使得所述楔形t型块541拉动所述楔形t型槽220及其连接的可动刀翼（200）向内运动，从而使钻头直径减小，直至减小至设定直径为止，停止电机520工作。
33.该电机驱动变径的pdc钻头的工作原理：可动刀翼200可动安装在钻头本体100上，并通过其内侧设置的楔形t型槽220与导向头540上的楔形t型块541连接，其中导向头540通过传动轴530与电机520的转轴525连接，通过控制固定设置于所述空腔下端的电机520正转或反转，驱动传动轴530正转或反转，使与传动轴530仅通过丝杠副连接的导向头540于在丝杠副的作用下上升或下降，使与导向头540固定连接的楔形t型块541在可动刀翼200内侧设置的楔形t型槽220内沿其楔形滑动，通过上下位移过程中，相对距离的变化，从而起到使可动刀翼200沿径向伸缩运动的作用，进而实现pdc钻头的变径的目的。
34.实际运用过程中，可以通过控制电机520正反转时间的长短，来控制导向头540上
下移动的距离，实现变径最大范围内的任意多个变径值的变径操作，从而解决了井眼缩径导致的钻头卡钻问题，提高了钻井效率。
35.进一步的，如图7、图8至图10结构所示，使所述楔形t型块541在楔形t型槽220滑动更加顺畅，防止楔形t型块541在滑动过程中出现卡死现象，避免发生井下事故的风险增加，因此，所使用的楔形t型块541与楔形t型槽220的楔形角度均相等。为使变径效果更好，更稳定，所述楔形角度范围设置在10
°
~26
°
之间，最佳楔形角度范围为：16.2
°
~17.4
°
。
36.进一步的，如图7、图8和图9结构所示，为控制可动刀翼200变径方向，使其变径过程更加稳定，避免钻头在变径过程中受到损坏，通过在所述刀翼槽110内设置贯穿所述钻头本体100侧壁至其内部的第二导向槽113，所述刀翼槽110内侧设有沿所述钻头本体100径向的第一导向槽111，所述楔形t型槽220与所述第二导向槽113配合设置，所述楔形t型槽220通过所述第二导向槽113进入所述空腔内，所述楔形t型槽220内楔形t型块541于所述空腔内与所述导向头540固定连接；所述楔形t型槽220侧面设有与所述第一导向槽111配合的导向块210。
37.进一步的，如图3、图4、图8、图9和图18所示，为提高钻井效率，防止因设置可动刀翼200而造成钻头中心区域的空白，避免沿钻头本体100轴心形成的岩石柱对钻头造成轴向冲击，进而防止了因此对钻头本体100的损害，从而延长钻头的寿命。在所述钻头本体100顶部中心位置设置有用于安装顶齿600的顶齿孔120，在所述可动刀翼200上设置有切削齿700和心部齿800，且所述心部齿800设置于所述可动刀翼200顶部内侧，从而使安装的顶齿600与心部齿800的周向破碎和顶部冲击压碎复合作用下得到有效解决，进而提高了钻井效率。
38.进一步的，如图7结构所示，避免岩屑在刀翼槽110内的堆积，影响可动刀翼伸缩，在所述刀翼槽110顶端还设置有条形水孔112，所述条形水孔112径向长度不大于所述可动刀翼200径向位移，从而进一步降低了钻井时的卡钻风险。
39.进一步的，如图3、图4、图7和图8结构所示，避免钻头上的泥沙影响可动刀翼200的伸缩，在所述钻头本体100顶部中心位置的刀翼槽110之间设有喷嘴140，从而降低钻井时卡钻的风险，也提升了钻进液的循环速度，避免了堵塞。
40.工作状态1：如图2、图4和图6所示，钻井时，需要使钻头直径增大，控制所述电机520正转，所述传动轴530在所述电机520驱动作用下正转，使所述导向头540在丝杠副的作用下上升。带动所述楔形t型块541沿所述楔形t型槽220向上滑动，此过程中，由于所述楔形t型块541到所述导向头540轴心线的距离恒定不变，而所述楔形t型槽220随着所述楔形t型块541向上滑动，其斜坡面到所述导向头540轴心线的距离是逐渐减小的，使得所述楔形t型块541推动所述楔形t型槽220及其连接的可动刀翼（200）在第一导向槽111、第二导向槽113和导向块210的共同作用下，稳定的沿所述钻头本体100径向向外运动，从而使钻头直径增大，直至增大至设定直径为止，停止电机520工作。
41.工作状态2（即恢复初始状态）：如图1、图3和图5所示，起钻时，需要使钻头直径缩小，控制所述电机520反转，所述传动轴530在所述电机520驱动作用下反转，使所述导向头540在丝杠副的作用下向下运动，带动所述楔形t型块541沿所述楔形t型槽220向下滑动，此过程中，由于所述楔形t型块541到所述导向头540轴心线的距离恒定不变，而所述楔形t型槽220随着所述楔形t型块541向下运动，其斜坡面到所述导向头540轴心线的距离是逐渐增大的，使得所述楔形t型块541拉动所述楔形t型槽220及其连接的可动刀翼（200）在第一导
向槽111、第二导向槽113和导向块210的共同作用下，稳定的沿所述钻头本体100径向向内运动，从而使钻头直径减小，直至减小至设定直径为止，停止电机520工作。
42.该电机驱动变径的pdc钻头的工作原理：可动刀翼200可动安装在钻头本体100上，并通过与导向头540楔形t型槽块连接，其中导向头540通过传动轴530与电机520的转轴525连接，通过控制固定设置于所述空腔下端的电机520正转或反转，驱动传动轴530正转或反转，使与传动轴530仅通过丝杠副连接的导向头540于在丝杠副的作用下上升或下降，由于楔形t型槽220和楔形t型块541以相同倾斜角度配合且该角度范围在10
°
到26
°
之间，使与导向头540固定连接的楔形t型块541在可动刀翼200内侧设置的楔形t型槽220内沿其楔形滑动，通过上下位移过程中，相对距离的变化，从而起到使可动刀翼200沿径向伸缩运动的作用，进而实现pdc钻头的变径的目的。
43.实际运用过程中，可以通过控制电机520正反转时间的长短，来控制导向头540上下移动的距离，实现变径最大范围内的任意多个变径值的变径操作，从而解决井眼缩径导致的钻头卡钻的问题，进一步提高了钻井效率，降低因卡钻造成的经济损失。
44.实施例2：本实施例中，如图5、图6、图11、图14、图15和图16结构所示，公开了一种电机驱动变径的pdc钻头，在实施例1的基础上，所述电机驱动单元还包括供电装置510，所述供电装置510为设有液驱叶轮511的微型液力发电机，所述电机520通过所述微型液力发电机上设置的电接头522与之连接并通电，所述电机520上设有用于接收所述电机520的控制信号的信号通道接口523。是通过设有液驱叶轮511的微型液力发电机做为供电装置510，并通过电接头522连接电机520并为之供电，使供电装置510在钻井液作用下依靠液压冲击力转动发电并通过电接头522为电机520及其带动下的钻头变径提供不断的合适电压的电能，通过在所述电机520上设置用于接收所述电机520的控制信号的信号通道接口523，来实现地面对所述电机520的控制，达到地面控制钻头变径的目的。
45.进一步的，如图11、图14和图15所示，为防止钻井液进入的缓冲保护罩550、所述电机520设置防止钻井液进入的的转轴胶套570解决了供电装置510、电机520以及其传动装置的密闭性问题，从而避免钻井液进入供电装置510和电机520，造成其损坏或影响其正常工作状态；在所述丝杠副外设置波纹密封管560，起到避免泥沙等影响其传动效果的作用。所述供电装置510外设有用于防止钻井液进入的缓冲保护罩550，所述电机520设有防止钻井液进入的的转轴胶套570，所述丝杠副外设波纹密封管560。
46.本实施例中，所述楔形t型槽220、所述楔形t型块541的楔形向上，初始状态如图1、图3和图5所示，所述楔形t型块541位于所述楔形t型槽220的最下端（即楔形底部），所述可动刀翼200紧靠于所述刀翼槽110内，此时钻头的直径最小；所述电机520通过供电装置510供电，由地面发出的控制信号控制其正反转。
47.工作状态1：如2、图4和图6所示，钻井时，需要使钻头直径增大，当电机520通过信号通道接口523接收到地面正转的信号时，所述电机520正转，并驱动所述传动轴530正转，使所述导向头540在丝杠副的作用下上升。带动所述楔形t型块541沿所述楔形t型槽220向上滑动，此过程中，由于所述楔形t型块541到所述导向头540轴心线的距离恒定不变，而所述楔形t型槽220随着所述楔形t型块541向上滑动，其斜坡面到所述导向头540轴心线的距离是逐渐减小的，使得所述楔形t型块541推动所述楔形t型槽220及其连接的可动刀翼
（200）向外运动，从而使钻头直径增大，直至增大至设定直径，信号通道接口523接收到地面发出的停止信号时，电机520停止工作。
48.工作状态2（即恢复初始状态）：如图1、图3和图5所示，起钻时，需要使钻头直径缩小，当电机520通过信号通道接口523接收到地面发出的反转信号时，所述电机520反转，并驱动所述传动轴530反转，使所述导向头540在丝杠副的作用下向下运动，带动所述楔形t型块541沿所述楔形t型槽220向下滑动，此过程中，由于所述楔形t型块541到所述导向头540轴心线的距离恒定不变，而所述楔形t型槽220随着所述楔形t型块541向下运动，其斜坡面到所述导向头540轴心线的距离是逐渐增大的，使得所述楔形t型块541拉动所述楔形t型槽220及其连接的可动刀翼（200）向内运动，从而使钻头直径减小，直至减小至设定直径为止，信号通道接口523接收到地面发出的停止信号时，电机520停止工作。
49.该电机驱动变径的pdc钻头的工作原理：可动刀翼200可动安装在钻头本体100上，并通过与导向头540楔形t型槽块连接，其中导向头540通过传动轴530与电机520的转轴525连接，当电机520通过信号通道接口523接收到地面正转或反转信号时，电机520即可通过正转或反转驱动传动轴530正转或反转，由于传动轴530及以上部分通过电机520上的固定块521轴向固定在筒体300上，而位于传动轴530下面部分的导向头540仅通过丝杠副与传动530连接，导向头540上的楔形t型块541可以在可动刀翼200上的楔形t型槽220内滑动，故不受到其他限位约束固定，当电机520正转或反转时，导向头540将在丝杠副的作用下上升或下降，当导向头540上升或下降时，由于楔形t型槽220和楔形t型块541以相同倾斜角度配合且该角度范围在10
°
到26
°
之间，故导向头540可以在这样的配合条件下推动可动刀翼200沿径向伸缩运动，从而实现pdc钻头的变径，由于电机520是伺服电机或步进电机，因此可以通过控制实现变径最大范围内的任意多个变径值的变径操作，通过自动控制的变径方式可以更加自动化地解决钻井过程中因为井眼缩径导致的钻头卡钻问题，提高钻井效率。
50.在本实施例中，微型液力发电机上设有液驱叶轮511，在钻井过程中，微型液力发电机在钻井液作用下依靠液压冲击力转动发电，并通过电接头522为电机520提供电能，也就是说其液力发电是建立在钻井液冲击能的基础上的，本实施例中，如未设置储放电装置，持续驱动钻头变径的能源将无法得到有效保证，变径机构也就不能长时间、持续使用，从而影响钻头变径功能。为使钻头变径功能更加稳定、有效，建议在实际运用时使用可储放电的微型液力发电机510，以保证钻头在转动或非转动状态下均具有变径功能。
51.本发明中在选择供电装置510时是使用的微型液力发电机，其目的主要在于使变径机构实现变径功能得到有效的供电支持，确保钻头变径顺利实现。因此，只要能够满足上述要求的供电装置，如：微型振动发电机、微型液力发电机，甚至蓄电池，只要能为钻头变径所使用的电机520供电的装置均可适用于本发明。
52.本发明中，所述电机520均采用的是伺服电机或步进电机，其目的主要是使电机520的正反转能够得到控制，即传动轴530能够实现正反转，从而使导向头540能够在其驱动控制下上升或下降，因此，只能够实现上述目的的电机均可适用于本发明。
53.实施例3：如图1至图18结构所示，本实施例公开了一种电机驱动变径的pdc钻头的较佳实施方式，包括钻头本体100，所述钻头本体100设有若干刀翼槽110，所述刀翼槽110贯穿直通所述钻头本体100内部，在所述刀翼槽110两侧设有第一导向槽111，在刀翼槽110靠近钻头本
体100心部位置开设有条形水孔112，在所述条形水孔112下方，刀翼槽110居中位置开设有第二导向槽113，于所述钻头本体100顶部设有安装顶齿600的顶齿孔120，所述钻头本体100底部设有第一接口130，所述钻头本体100上的所述刀翼槽110以外的位置还设有喷嘴140或水孔；可动刀翼200：如图9、图11结构所示，可动刀翼200安装在钻头本体100上设置的所述刀翼槽110内，所述可动刀翼200包括至少于一个侧面设置的导向块210、中间靠内位置上设有楔形t型槽220及布置在所述刀翼200上的切削齿700和心部齿800，所述导向块210与所述第一导向槽111可动配合连接，起到钻进破岩时稳定钻头及刀翼的作用，同时辅助钻头通过可动刀翼200可靠稳定变径，在中间靠内位置上设有楔形t型槽220；筒体300：如图1、图2、图5、图6和图12结构所示，所述筒体（300）一端设有与所述钻头本体100的所述第一接口130配合固定连接的第一接头310，另一端设有第二接口320，所述第二接口320上还周向均匀布置有至少两个用于固定电机520的沉槽321，所述筒体300通过所述第一接头310与所述钻头本体100的第一接口130焊接连接或螺纹连接。
54.公接头400：如如图1、图2、图5、图6和图13结构所示，所述公接头400一端设有与钻铤、钻杆等钻具连接的公锥螺纹410，另一端设有第二接头420，所述公接头400通过所述第二接头420与所述筒体300的第二接口320焊接连接或螺纹连接。
55.电机驱动单元：如图6、图7、图11至图13所示，所述电机驱动单元包括供电装置510、电机520、传动轴530和导向头540；电机520：如图5、图6、图14、图15和图16（a）结构所示，电机520上至少设置有两个与筒体300上的沉槽321配合以固定电机驱动单元的固定块521，电机520上设有电接头522、插接孔524，所述电机520靠近转轴525一端设有固定块521，转轴525通过转轴胶套570紧套接防止钻井液进入所述电机520内部造成损害，另一端尾部设有与所述供电装置510连接通电的电接头522、插接孔524，电机520上还设有信号通道接口523与mwd测量装置或有线钻杆导线连接传输信号，以实现地面对电机520正转和反转控制，从而实现对可动刀翼200径向伸缩达到钻头可变径的目的。
56.传动轴530：如图5、图6、图11、图14、图15和图17结构所示，所述传动轴530一端设置有连接轴532与电机520的转轴525固定连接，另一端设置有外丝杠螺纹531，通过丝杠副连接有导向头540，导向头540一端设置有内丝杠螺纹542，导向头540的另一端至少固定连接有一个与所述楔形t型槽220配合滑动的所述楔形t型块541，传动轴530上还设置有波纹密封管560进行密封保护，防止泥沙等进入丝杠副影响传动。
57.所述导向头540与所述可动刀翼200以楔形t型块槽连接副连接。
58.供电装置510：如图5、图6、图11、图14、图15和图16（b）结构所示，所述供电装置510为微型液力发电机，供电装置510上设有液驱叶轮511用于在钻井液作用下依靠液压冲击力转动发电并通过电接头522为所述电机520提供不断的合适电压的电能，供电装置510通过插接脚513、电接孔512分别与插接孔524、电接头522牢固插接安装在电机520的上部。所述供电装置510上还设置有缓冲保护罩550进行密封保护，所述缓冲保护罩550通过螺钉紧固在电机520上的固定块521上，且缓冲保护罩550开口端可与电机520紧配合，阻止钻井液进入损坏供电装置510。
59.进一步的，如图9、图10和图11所示，为使楔形t型块541在楔形t型槽220滑动更加
顺畅，使钻头获得更佳的变径效果更佳，将导向头540上的楔形t型块541与可动刀翼200上的楔形t型槽220的楔形角度做相等设置，且楔形角度均设置于10
°
~26
°
之间，经有限元模拟分析，角度数值以0.2为一个差值，得出的最佳角度范围为16.2
°
~17.4
°
之间，而在10
°
到16
°
或17.6
°
到26
°
其变径效果略有下降，但变径效果相差不大。。
60.经模拟实验发现，楔形t型槽220和楔形t型块541的楔形角度、楔形t型槽220长度（即斜坡面长度）和电机520转数对钻头变径的影响如下表所示：需要说明的是，上述数据并非模拟实验的全部实验数据，仅为其中较为典型的节点数据。
61.1）楔形t型槽220和楔形t型块541的楔形角度对变径效果的影响以钻井实际使用的8 1/2in钻头（即钻头直径215.9mm）为例，低于10
°
经过几何计算，其变径距离较小，以楔形t型槽长度60mm为例，其变径长度为约为10mm，根据最近某两口井眼钻井所反映的数据来看，井眼缩径需要提升钻头需要井眼直径增加6%~12%（12.95mm~25.91mm）方能容易且经济地提升钻头，故低于10
°
应不考虑在合理角度范围之内，而当高于26
°
时，虽然能够26mm以上的变径效果，但对起钻成本要求较高，且较大的范围变径或增加钻头内部的结构，占用过多内部空间，不但影响钻井液的流通，还会出现驱动机构与钻头内壁干涉等情况。
62.将楔形角度设置于0
°
~10
°
之间时，会因为其变径范围较小，无法满足所钻井眼缩径要求的情况，仍可能在起钻过程中会出现钻头再次憋卡的问题；而将楔形角度设置于26
°
以上又会出现变径范围较大，起钻成本较高，同时还会大大增加楔形t型槽220、楔形t型块541和电机驱动单元在钻头内部（即所述空腔内）所占用的空间，影响钻井液流通，甚至出现驱动机构与钻头内壁干涉等问题；变径过大对钻头造成的影响： 变经过大对内部变径机构（即楔形t型槽220、楔形t型块541和电机驱动单元）的尺寸要求就较大，一方面为避免影响钻井液顺畅流通，不得不
使可动刀翼200结构径向厚度变薄，另一方面如果可动刀翼200结构径向厚度变薄则会降低可动刀翼200的强度，使得在钻头在钻进破碎岩石过程中由于冲击力等作用下可动刀翼200可能变形过大出现其上pdc齿因受强破坏力而脱落的情况，甚至会导致可动刀翼200断裂等不可控的井下事故发生，使钻井成本的大幅增加的同时引入了不可控的风险因素。2）楔形t型槽220长度（即斜坡面）、楔形t型块541长度（沿滑动方向）对变径的影响经测试发现：限制楔形t型槽220块长度范围，可以使可动刀翼200在经济有效且在破岩钻进时对刀翼的冲击破坏降低到安全范围之内，尽可能避免井下事故的发生。
63.楔形t型槽220长度对变径的影响较大，楔形t型槽220长度设置范围为： 50mm~ 80mm，最佳长度为：60mm。
64.楔形t型块541长度对变径效果非常小，可忽略，但如果小于30mm，经有限元分析其承载能力处于危险值状态，安全系数较低，如果大于40mm，在变径径向收缩时会出现干涉，因此，将楔形t型块541长度设置范围为：30 mm~ 40mm，保证变径过程能够顺利进行均可。
65.另外，模拟实验时也测试了楔形t型槽220和楔形t型块541的宽度对变径效果的影响，实验结果表明，楔形t型槽220和楔形t型块541的宽度对变径效果无影响，只需将其宽度保持在安全范围内即可，仅需要在上述值范围内尽可能选用较大的配合宽度，以增强变径过程的稳定性。
66.3）电机520转速对钻头变径的影响实验发现，由于在钻进过程中不需要驱动可动刀翼200变径，当出现缩径卡钻时根据地面平台显示的钻压值会停止钻进并向上提升起钻，此时变径速度的快慢不会造成钻头的损害，也不会产生大量的岩屑，即使有残留的岩屑也会在井底钻井液压力作用下沿钻头流道间隙返排至地面。电机520转速对变径效果无明显影响，只需要在控制电机520转速时充分考虑楔形t型槽220的长度即可，在该长度范围内不影响变径，模拟实验测定时：电机520转速控制在300r/min，即5r/s，传功杆的丝杠副螺距p=4。
67.进一步的，如图1至图6结构所示，为使周向破碎和顶部冲击压碎复合作用下得到有效解决，提高了钻井效率，所述钻头本体100顶部中心处设有顶齿孔120，用于安装顶齿600，所述顶齿600可以是锥形齿、球形齿、楔形齿、勺形齿等。
68.进一步的，如图7和图8结构所示，为对所述进行充分的冲洗，避免岩屑在刀翼槽110内的堆积而影响可动刀翼200伸缩，在所述刀翼槽110上靠近所述钻头本体100心部位置设置条形水孔112，且条形水孔112的有效长度应等于或略大于可动刀翼200沿所述钻头本体100径向的最大移动距离，即：可动刀翼200的移动范围s应在条形水孔112的水平投影长度以内或在楔形t型槽220的最大垂直深度区间内，不能大于条形水孔112的水平投影或超出楔形t型槽220的最大垂直深度。
69.进一步的，如图1~图6、图9和图18所示，为使周向破碎和顶部冲击压碎复合作用下得到有效解决，提高了钻井效率，所述可动刀翼200上布置有若干切削齿700，并在靠近钻头心部竖直面上设有心部齿800，且在钻头心部周向可以同一平面或交错布置，所述心部齿800可以是pdc齿、球形齿、勺形齿、楔形齿等。
70.本实施例中，所述电机驱动单元中的电机520是可通过脉冲和方向信号控制的步进电机或伺服电机。
71.需特别说明的是，在本发明中，钻头本体100与筒体300之间、筒体300与公接头400
之间除本发明中所阐述的连接方式外，还可以是直螺纹或锥螺纹连接，也可以是铆钉连接或卡扣连接等。
72.前述本发明实施例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合，在此不再一一列举。
73.该电机驱动变径的pdc钻头的工作原理：可动刀翼200可动安装在钻头本体100上，并通过与导向头540楔形t型槽块连接，其中导向头540通过传动轴530与电机520的转轴525连接，当电机520通过信号通道接口523接收到地面正转或反转信号时，电机520即可通过正转或反转驱动传动轴530正转或反转，由于传动轴530及以上部分通过电机520上的固定块521轴向固定在筒体300上，而位于传动轴530下面部分的导向头540仅通过丝杠副与传动530连接，导向头540上的楔形t型块541可以在可动刀翼200上的楔形t型槽220内滑动，故不受到其他限位约束固定，当电机520正转或反转时，导向头540将在丝杠副的作用下上升或下降，当导向头540上升或下降时，由于楔形t型槽220和楔形t型块541以相同倾斜角度配合且该角度范围在10
°
到26
°
之间，故导向头540可以在这样的配合条件下推动可动刀翼200沿径向伸缩运动，从而实现pdc钻头的变径，由于电机520是伺服电机或步进电机，因此可以通过控制实现变径最大范围内的任意多个变径值的变径操作，通过自动控制的变径方式可以更加自动化地解决钻井过程中因为井眼缩径导致的钻头卡钻问题，提高钻井效率。
74.同时，钻头本体100上设置有顶齿600，可动刀翼200靠近钻头中心部竖直侧上在周向同一平面或不同平面交错布置有心部齿800，在顶齿600与心部齿800的周向破碎和顶部冲击压碎复合作用（如图18）下有效解决了因为钻头中部空心导致井眼中部岩心无法及时破碎对钻头本体100心部造成破坏以及对钻头造成冲击的危险，提高了钻井效率，条形水孔112在钻头变径后可以在较高压钻井液作用下有效避免岩屑在刀翼槽110内堆积影响可动刀翼200伸缩运动，降低了钻井风险。
75.实施例4：本实施例涉及一种基于实施例1至3所述的电机驱动变径的pdc钻头的变径方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.启动电机520，电机520带动传动轴530转动；s2.传动轴530带动导向头540于所述空腔轴向运动；s3.导向头540带动楔形t型块541于楔形t型槽220内滑动；s4.楔形t型块541带动楔形t型槽220于刀翼槽110内沿钻头本体100径向移动；s5.楔形t型槽220带动可动刀翼200沿钻头本体100径向伸缩。
76.钻头钻进时为全尺寸井眼钻进，当起钻到起钻困难井段时，为保证起钻顺利，采用钻头缩径方式缩小钻头尺寸，即当通过起钻困难井段时，通过控制电机520正转使得导向头540上升驱动可动刀翼200径向收缩以减小钻头直径尺寸，达到较容易起钻的目的，当起钻到起钻困难井段或缩径井段上部时又可控制电机520反转使导向头540下降驱动可动刀翼200径向伸出增大钻头直径至全尺寸井眼继续钻进，该操作可以将缩径井段以二次钻进的方式排除，达到降低起下钻频次、减小成本的目的。
77.在使用本实施例所述的变径方法的电机驱动变径的pdc钻头钻井时，其工作状态如下：
工作状态1：当根据井上平台钻压数据得出井眼缩径卡钻时，使用步骤如下：s1.启动电机520，电机520正转带动传动轴530转动；s2.传动轴530带动导向头540于所述空腔轴向向上运动；s3.导向头540带动楔形t型块541于楔形t型槽220内滑动；s4.楔形t型块541带动楔形t型槽220于刀翼槽110内沿钻头本体100径向移动；s5.楔形t型槽220带动可动刀翼200沿钻头本体100径向收缩。
78.此时，钻头直径缩小，保证其能够顺利起钻。
79.工作状态2：当起钻到起钻困难井段或缩径井段上部时，使用步骤发下：s1.启动电机520，电机520反转带动传动轴530转动；s2.传动轴530带动导向头540沿所述空腔轴向向下运动；s3.导向头540带动楔形t型块541于楔形t型槽220内滑动；s4.楔形t型块541带动楔形t型槽220于刀翼槽110内沿钻头本体100径向移动；s5.楔形t型槽220带动可动刀翼200沿钻头本体100径向伸展。
80.此时，钻头直径增大，可继续二次钻进。
81.实际运用过程中，钻井前，应先通过控制电机520正反转，控制可动刀翼200伸缩，将钻头直径调整到井眼直径大小，并在钻进保持该尺寸大小，当遇到起钻困难井段或井眼缩径井段时，再通过控制电机520改变钻头直径以便于起钻和二次钻进。
82.关于实施例的说明：1、楔形t型块541和楔形t型槽220的楔形角度是指楔形t型块541和楔形t型槽220在装配好后，楔形t型块541和楔形t型槽220的斜面相对于钻头本体100中心线形成的夹角即为楔形t型块541和楔形t型槽220的楔形角度。
83.2、钻头尺寸是指钻头的直径，钻头全尺寸是指钻头变径后的最大直径，全尺寸井眼钻进是指钻头钻进时的直径与井眼直径相同。
84.3、实施例1至3中，钻头方向如图1、图2、图5和图6所示，是竖直向上的，即钻头是竖直向上的，钻头本体100位于最上方，因此，实施例1至3中的工作状态均是按上述方向进行描述的；在实施例4中，钻头是实际运用时的状态，其钻头方向与附图1和3中的钻头方向相反，即钻头是竖直向下的，钻头本体100位于最下方，因此，实施例4中的工作状态是按实际运用时方向进行描述的。
85.另外，电机520正反转带动导向头540上下运动的方向，导向头540带动楔形t型块541于楔形t型槽220内的滑动方向，从而实现钻头变径的方式，均可根据实际钻井时的需要进行转换设置，均适用于本发明。
86.以上所述，仅是本发明的较佳实施方式，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，包括钻头本体（100）、筒体（300）、公接头（400）、电机驱动单元和可动刀翼（200），所述钻头本体（100）设贯穿至其内部的刀翼槽（110），所述筒体（300）两端分别与所述钻头本体（100）和公接头（400）连通，形成圆柱状的空腔，所述电机驱动单元设于所述空腔内，包括固定设置于所述空腔下端的电机（520）、设于所述空腔轴线上的传动轴（530）和导向头（540），所述电机（520）通过转轴（525）与所述传动轴（530）一端的连接轴（532）连接，所述传动轴（530）另一端通过丝杠副与所述导向头（540）连接，所述可动刀翼（200）内侧设楔形t型槽（220），所述楔形t型槽（220）通过所述刀翼槽（110）进入所述空腔内，所述楔形t型槽（220）内设有沿其楔形滑动的楔形t型块（541），所述楔形t型块（541）与所述导向头（540）固定连接，并随之于所述空腔轴向运动。2.根据权利要求1所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述楔形t型块（541）与所述楔形t型槽（220）的楔形角度相等，且所述楔形角度范围为10
°
~26
°
之间。3.根据权利要求1所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述刀翼槽（110）内设第二导向槽（113），所述刀翼槽（110）内侧设有沿所述钻头本体（100）径向的第一导向槽（111），所述楔形t型槽（220）与所述第二导向槽（113）配合设置，并通过所述第二导向槽（113）进入所述空腔内，所述楔形t型槽（220）侧面设有与所述第一导向槽（111）配合的导向块（210）。4.根据权利要求1所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述钻头本体（100）顶部中心位置设有用于安装顶齿（600）的顶齿孔（120），所述可动刀翼（200）上设有切削齿（700）和心部齿（800），且所述心部齿（800）设于所述可动刀翼（200）顶部内侧。5.根据权利要求1所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述刀翼槽（110）顶端还设有条形水孔（112），所述条形水孔（112）径向长度不小于所述可动刀翼（200）径向位移。6.根据权利要求1所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，于所述钻头本体（100）顶部中心位置的刀翼槽（110）之间设有喷嘴（140）。7.根据权利要求1所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述筒体（300）与所述公接头（400）的连接端于周向均匀布置有至少两个沉槽（321），所述电机（520）上设有与沉槽（321）配合固定所述电机（520）的固定块（521）。8.根据权利要求1至7中任一项所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述电机驱动单元还包括供电装置（510），所述供电装置（510）为设有液驱叶轮（511）的微型液力发电机，所述电机（520）通过所述微型液力发电机上设置的电接头（522）与之连接并通电，所述电机（520）上设有用于接收所述电机（520）的控制信号的信号通道接口（523）。9.根据权利要求8所述的电机驱动变径的pdc钻头，其特征在于，所述供电装置（510）外设有用于防止钻井液进入的缓冲保护罩（550），所述电机（520）设有防止钻井液进入的的转轴胶套（570），所述丝杠副外设波纹密封管（560）。10.一种如权利要求1所述pdc钻头的变径方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.启动电机（520），电机（520）带动传动轴（530）转动；s2.传动轴（530）带动导向头（540）于所述空腔轴向运动；s3.导向头（540）带动楔形t型块（541）于楔形t型槽（220）内滑动；s4.楔形t型块（541）带动楔形t型槽（220）于刀翼槽（110）内沿钻头本体（100）径向移动；
s5.楔形t型槽（220）带动可动刀翼（200）沿钻头本体（100）径向伸缩。

技术总结
一种电机驱动变径的PDC钻头，包括钻头本体、筒体、公接头、电机驱动单元和可动刀翼，所述可动刀翼内侧设楔形T型槽，楔形T型槽通过刀翼槽进入钻头本体、筒体、公接头连通后形成的空腔内，楔形T型槽内设有沿其楔形滑动的楔形T型块，楔形T型块与电机驱动单元的导向头固定连接，并随之于空腔轴向运动。通过在钻头内设置电机驱动单元，驱动的楔形T型块于可动刀翼内侧设置的楔形T型槽内沿其楔形滑动，同时带动可动刀翼于钻头本体的径向运动，从而使使钻头直径发生变化，为解决钻井过程中的缩径卡钻、钻头变径困难以及现有技术中因传动技术造成的变径不稳定、对刀翼冲击力大易损和变径效果无法保证等问题。果无法保证等问题。果无法保证等问题。


技术研发人员：李维均 宋东东 高加琼 夏宝林 祝林 陈德航 苏婉熙 王治文
受保护的技术使用者：四川职业技术学院
技术研发日：2023.09.05
技术公布日：2023/10/20