一种适用于难钻地层的冲切复合钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于难钻地层的冲切复合钻头，包括钻头本体、刀翼以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，钻头上还设有冲击切削结构和冲击力传递机构，冲击切削结构上布置有冲击切削齿，至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。这种结构特征可使钻头以异步切削方式工作，不仅能增加钻头的纵向磨损长度，延长钻头寿命，而且能使钻头在整个钻进过程都处于高比压钻进状态，增强钻头侵入岩石的能力，从而使钻头在难钻地层的钻速和寿命都得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文、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PDC钻头、牙轮钻头和冲旋钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，PDC钻头由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，在钻井工程中得到广泛使用。现有的以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)。但当钻遇硬地层时，PDC钻头的鼻部和肩部上的切削齿很难有效吃入地层，从而大大降低了机械钻速。牙轮钻头以冲击压碎的方式破岩，在井底形成较深的破碎齿坑。当地层较硬时，不能使岩石产生体积破岩，从而降低能量的利用率，破岩效率较低。冲旋钻头是冲旋钻井中配合潜孔冲击器(潜孔锤)使用的固定齿破岩工具。冲旋钻头的破岩机理与牙轮钻头的压碎机理以及PDC钻头的切削机理均具有显著区别。冲旋钻头的依靠牙齿的瞬间冲击力实现对井底岩石的破碎。冲旋钻头的上端连接着潜孔冲击器，工作时其冲锤在循环流体的作用下往复运动，反复撞击钻头，给牙齿提供冲击载荷。通常情况下，冲旋钻头在脆性地层特别是较硬地层钻进时，能取得较高的破岩效率。西南石油大学提交的中国专利“一种刮切—冲击复合式钻头”(专利号：2012101255406.8)中，在钻头固定切削结构的基础上，增加了冲击切削结构和冲击力传递机构，充分利用冲击破岩方式的优势，通过冲击切削结构对岩石的破碎和损伤，增进钻头切削齿对岩石的吃入，提高破岩效率，从而达到提高钻头在高强度、高研磨性或强非均质性等难钻地层的工作能力。此外，通过传力机构传递的冲击力只作用在冲击切削结构上，而固定刀翼上的切削齿不会受到冲击力的作用，在提高破岩效率的同时，能够保证切削齿具有较长的工作寿命。本专利技术中的冲击力传递机构，与上诉专利相同。但是，在包括上述专利技术的现有技术中，固定切削齿所在的刀翼均按照同步切削原理进行设计，即每个刀翼上不同径向位置的切削齿同时或同步(或基本同时、基本同步)进入工作状态，开始切削井底岩石，并同时开始发生磨损。新钻头在理想工作状态下(钻头中心与井眼中心重合的稳定钻进状态)钻削岩石时，同时参与刮切岩石的所有切削齿均为主切削齿，主切削齿是钻头破碎岩石的主要切削元件，通常被设置在各刀翼的前侧，以利于达到更好的冷却和清洗效果。除了切削齿以外，还可根据需要在钻头上设置后备切削齿(即当主切削齿磨损到一定程度后才投入工作的切削齿，如后排齿等)和辅助切削结构(主要指帮助主切削齿破岩的结构，如锥齿，或保护切削齿作用的缓冲结构，如缓冲节或缓冲齿等)。在钻头设计过程中，通常会任意确定一个通过钻头中心轴线的平面作为布齿轴面(亦简称为轴面)，钻头上各切削齿的径向和轴向位置均能在该轴面上得到准确的表达。当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将钻头上所有主切削齿(或若干指定刀翼或盘刀上的所有主切削齿)的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图(或若干指定刀翼或盘刀的轴面布齿图)。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。在钻头的井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头的切削轮廓线(也即钻头的冠部轮廓线)，如图3所示，为现有技术中常规PDC钻头的井底覆盖图，其中，标记为R的水平方向为钻头径向，标记为Z的竖直方向为钻头轴向，标号11的曲线即为现有技术中钻头的切削轮廓线。在钻头的井底覆盖图中，若仅将某个指定刀翼或盘刀上的切削齿表示出来，而将其它刀翼或盘刀上的切削齿隐去，就形成了该刀翼或盘刀的轴面布齿图。在刀翼或盘刀的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该刀翼或盘刀的切削轮廓线。刀翼的切削轮廓线反映了当刀翼上主切削齿分布足够密(能完全覆盖该刀翼所在的井底径向区域)时，该刀翼所独立切削出的井底的基本或理想轮廓形状特征。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线，如图3或12所示，其中标号为32的曲线，即为刀翼的本体轮廓线。同样地，盘刀的本体轮廓线也是如此。通常情况下，由于布置在刀翼布齿面上的主切削齿的出露高度是相同或相近的(临近规径面的区域除外)，所以刀翼的切削轮廓线与其本体轮廓线的形状基本呈平行状态，仅在临近规径的区域可能有明显差异。因此，基于实现同步切削原理的需要，现有技术中钻头各个刀翼的本体轮廓线是互相重合或基本重合的。换言之，理论上钻头各刀翼的本体轮廓线均在同一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面上，因而它们都是相同的一条曲线或相同曲线上的一段。这种特征可称之为钻头各刀翼本体轮廓线的一致性或共线性。显然，这种一致性或共线性不仅存在于各刀翼的本体轮廓线，而且对各刀翼的切削轮廓线也是成立的。正是这一结构特征，使得固结在钻头各刀翼上的主切削齿能够同时或同步切削井底岩石，进而形成井筒。现有的具有同步切削原理的PDC钻头在面对复杂难钻地层(高硬度、高研磨性乃至含砾石层、夹层等不均质地层)时，不仅钻进效率受到限制，其使用寿命也不理想。其主要原因是：第一，为了保证钻头在硬地层钻进时能够具备较强的吃入或侵入岩石表面的能力，就需要采用尺寸(直径)较小的切削齿，然而小直径切削齿的出露高度小，可磨损高度显著低于大直径切削齿，但此时切削齿的磨损速度却更快，因此就形成了一个难钻地层钻头设计中难以解决的矛盾：若采用大直径切削齿，切削齿难以侵入岩石(特别是发生一定程度磨损以后)，钻头破岩效率低；若采用小直径切削齿，切削齿的工作寿命又不够。第二，钻头在硬地层、不均质地层中钻进时切削齿常常受到较强的冲击载荷，易发生少量甚至个别切削齿的脱落、断裂、碎裂、金刚石层的崩裂等快速失效现象，这种现象一旦发生，将引发临近区域切削齿因工作负荷增加而导致的连锁失效，继而产生环切现象，即钻头在该径向区域内的切削齿的出露部分被全部或大部分磨掉，并进而在钻头各刀翼本体上磨出环形槽。环切现象一旦出现，钻头上各刀翼的本体均直接与岩石形成面接触，即便刀翼上的切削齿尚未全部磨完，但由于比压严重降低，所以钻头的破岩效率会显著下降。所以，当钻头上磨出环槽后，一般就认为钻头已丧失或接近丧失切削能力，不仅不能再入井使用，严重时甚至连修复(更换或翻新已磨损的切削齿)都难以实施。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种适用于难钻地层的冲切复合钻头，能显著提升钻头在复杂应用条件、难钻地层，特别是高硬度、高研磨性、高不均质性等地层条件下的工作性能。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种适用于难钻地层的冲切复合钻头，包括钻头本体、刀翼以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，钻头本体上还设有冲击切削结构和冲击力传递机构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于难钻地层的冲切复合钻头，包括钻头本体、刀翼以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，钻头本体上还设有冲击切削结构和冲击力传递机构，冲击切削结构上布置有冲击切削齿，冲击切削结构能够相对钻头本体滑移，其特征在于：至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。

【技术特征摘要】
1.一种适用于难钻地层的冲切复合钻头，包括钻头本体、刀翼以及布置在钻头本体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，钻头本体上还设有冲击切削结构和冲击力传递机构，冲击切削结构上布置有冲击切削齿，冲击切削结构能够相对钻头本体滑移，其特征在于：至少有一个刀翼的本体轮廓线与至少另外一个刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。2.如权利要求1所述的适用于难钻地层的冲切复合钻头，其特征在于：至少有两个刀翼的本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线，且所述各曲线外凸区域顶点沿钻头径向的径向位置不同。3.如权利要求1所述的适用于难钻地层的冲切复合钻头，其特征在于：至少有两个刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。4.如权利要求3所述的适用于难钻地层的冲切复合钻头，其特征在于：所述曲线之间相互错开的局部凸起分布于钻头三分之一半径以外的径向区域。5.如权利要求3所述的适用于难钻地层的冲切复合钻头，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，张春亮，林敏，黄奎林，戚清亮，王吉，
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：发明
国别省市：四川;51