一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，属于钻探领域。钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。本专利能够显著增强钻头在定向钻进过程中的抗冲击能力，避免或减缓切削齿及其他井下工具造成冲击损坏或过早的功能性失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。

Diamond bit with fixed buffer structure

The utility model discloses a diamond bit with fixed buffer structure, which belongs to the field of drilling. A drill body, a plurality of blades, water holes or nozzles extending from the drill body or fixed on the drill body, at least one blade is provided with scraping teeth, and at least one blade is provided with only a buffer element or a cushioning and wear-resisting layer, or at least one blade has a cushioning seat extending from the blade at the front end and/or the rear end, on the cushioning seat. A buffer element or a buffer wear layer are provided. This patent can significantly enhance the impact resistance of the bit during directional drilling, avoid or slow down the impact damage or premature functional failure caused by cutting teeth and other downhole tools, improve the working stability of the bit and extend the service life of the bit.

【技术实现步骤摘要】
一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头
本专利技术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，特别是涉及一种钻进钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，常用的有聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。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元件（对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。在钻井过程中，PDC钻头的复合片切削齿在钻压和扭矩的作用下，克服地层应力吃入地层并向前钻进。PDC钻头以剪切的方式破碎岩石的工作特点，相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。在理想钻进过程中，在一定的钻压下，PDC均匀的吃入地层深度恒定，对岩石产生的是均匀刮切，其扭矩反馈趋于平稳状态。然而，由于井下地层情况的复杂性，特别是在钻遇软硬交错的地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头扭矩反馈的振动程度也就越剧烈。严重时，钻头吃入地层深度过深，会造成驱动扭矩不能驱动钻头进行旋转导致钻头停转。此时钻柱在转盘的驱动下继续扭转。当钻柱所积能量足以克服钻头与地层之间互作用的扭矩时，钻头从静止状态向运动状态过渡，钻柱所积累的能量瞬间释放，钻头突然超过正常速度的数倍加速旋转。这就是钻头的粘滑现象。这种现象，易引起钻头和钻具的高速旋转和扭阵，使钻头切削齿承受大的周向冲击载荷，导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、及其他井下工具和测量仪器的损坏，严重影响钻进效率。另外，由于PDC钻头吃入地层的深度对钻压的变化特别敏感，加之切削齿与岩石互作用的复杂性，PDC钻头还存在沿钻头轴向方向的纵向振动也会对钻头寿命和机械钻速产生影响。因此，如何控制钻头吃入岩石的深度，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，消除钻头卡滑憋跳，使钻头扭矩在给定钻压下保持在相对稳定的运动状态，是延长井下钻具和钻头的使用寿命，是提高钻井效率的重要技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种钻井用的PDC钻头，能够显著增强钻头在定向钻进过程中的抗冲击能力，避免或减缓切削齿及其他井下工具造成冲击损坏或过早的功能性失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。对于本专利技术所涉及的钻头体、牙齿、刀翼、水眼或喷嘴为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考如图1、2、3、4、9、10、12-21，为本专利技术钻头的结构示意图，其中，1为钻头体、2为刀翼、21为刮切齿、15为水眼或喷嘴。上述方案中，所述的至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层，事实上也可以理解为是一个缓冲座，其独立于刀翼延伸自钻头体。缓冲耐磨层或缓冲元件的设置，能够明显增强缓冲座的耐磨和抗冲击能力，进而增加钻头的工作寿命。缓冲耐磨层可以为覆焊层、金刚石颗粒孕镶在缓冲座工作部位内，缓冲元件或缓冲耐磨材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。缓冲元件通过过盈配合、焊接、螺纹连接等方式与缓冲座固定连接，或与缓冲座为一体式结构。凡是通过纵向承载、分压，增加与岩石的纵向接触面积，以限制刮切齿吃入深度，并通过缓冲效果减少刮切齿冲击失效的辅助切削元件，称为缓冲元件或缓冲齿。缓冲元件的工作端要求具有较高的耐压、抗冲击强度，比如用在牙轮钻头上较“钝”的锥球牙齿、楔形牙齿。除此之外，其他具有耐压、抗冲的元器件也可作为缓冲元件，如孕镶块、孕镶齿。缓冲元件的工作端的曲面可以为平的、外凸的、凹的、以及它们之间的组合。缓冲头的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。需要特殊说明的是：刮切齿也可以起到缓冲作用，如PDC齿、TSP齿平镶在缓冲座上，此时刮切齿并非以刮切原理工作，而主要是起到分担钻压，限制钻头上其他刮切齿吃深的作用。“刮切齿”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，主要包括PDC齿（聚晶金刚石复合片）、TSP齿（热稳定金刚石聚晶片）、斧脊齿、以及具有微切削功能的孕镶卧齿、以及其他具有非平面的金刚石切削齿。刮切齿的材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。方案中所说的刀翼前端，是指对于某一刀翼上的切削齿来说，切削齿正常钻进时绕钻头轴线旋转的方向，也即切削齿工作面朝向的方向，请参阅图1标号22。与之相反，进一步地即为刀翼后端，请参阅图1标号23。本专利技术钻头缓冲座的减震缓冲原理如下：常规钻进中，钻头在绕钻头轴线旋转时，因钻头并非完整圆柱体而产生多边形效应，同时会在旋转方向上产生振动（或称为扭振），本专利技术中用玄高来评价。请参阅图6，钻头上相邻两切削结构在钻头圆周方向上相距最远，且距井壁最近的两点（或两个小的区域）之间的玄高值越大，钻头的多边形效应或周向振动就越严重，反之越小。本专利技术实施例中，在径向方向上，缓冲座至少部分在由原玄线和所截小圆弧组成的面域内，这样将原来的玄高S0变为了现有的玄高S1，玄高的降低，多变形效应得到了缓解，振动冲击减弱。特别地，在导向钻井中（请参阅图7），因螺杆自带弯角，钻头旋转轴线和钻柱轴线存在一定夹角，钻头1的自转（螺杆马达提供）和公转（转盘提供）回转中心不再重合，两者运动速度的矢量和，不再是直接叠加，钻头的运动情况更为复杂。导向钻井的复合钻进过程中，因钻头自转轴线和钻柱（或井壁）轴线出现偏差，使得实际井筒直接大于钻头直径。在此情况下，在径向范围内，钻头实际只有部分的切削结构在与未破除岩石接触。实际上，在动态的破岩过程中，钻头的工作过程中其切削结构依次轮流与岩石接触。显然，两种切削结构在切换过程中，存在着对井壁的冲击或撞击。现有牙轮-PDC复合钻头两种切削结构之间的跨度或玄高比较大，当某一切削结构向另一切削结构切换时，钻头对井底岩石的已经不再是小幅值冲击，而变为大幅值撞击，加之，钻头外部刮切齿，工作速度更大，容易产生脆断。复合钻进过程中，减小切削结构之间的跨度或玄高，能够减缓撞击，是增强钻头钻进能力的有效手段。本专利技术的钻头技术中，在牙轮和PDC两种切削结构中间设置缓冲座，能够大幅降低牙轮和PDC两种切削结构之间的玄高或跨度，在两种切削结构切换过程中，起到过渡的作用，减小撞击对刮切齿的损害程度。此外，缓冲座的设置，钻头的圆度变的更好，多边形效应也得到显著缓解。在轴向方向上，无论是常规钻井，还是导向钻井，在某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放，将会使钻头在轴向方向产生冲击，刮切齿上的比压大幅增加，容易造成刮切齿的过载损坏。本专利技术技术的缓冲座，在这种情况下，能够限制刮切齿的吃入过深，提供更多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，其特征在于：至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层；或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，所述缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。

【技术特征摘要】
1.一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴，其特征在于：至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有缓冲元件或缓冲耐磨层；或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的缓冲座，所述缓冲座上设置有缓冲元件或缓冲耐磨层。2.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：至少两个相邻刀翼之间由缓冲座相连。3.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有缓冲座，且缓冲座不与钻头体相连。4.根据权利要求1所述的一种具有固定缓冲结构的金刚石钻头，其特征在于：至少一个刀翼的前方和/或后方延伸有缓冲座，且缓冲座与钻头体相连。5.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，牛世伟，谢宗亮，张春亮，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川,51