具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种适于在硬地层定向钻进的复合式金刚石钻头，属于钻探领域。钻头主要包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，所述牙轮与牙掌转动连接，所述刀翼上设置有刮切齿。对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上，周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座，缓冲座上设置有旋转缓冲元件。本实用新型专利技术钻头能够显著减轻钻头在导向钻井过程中的冲击振动，减少刮切齿的冲击失效，提高钻头的可持续钻进能力。

【技术实现步骤摘要】
具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头
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钻头为代表的固定刮切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）。牙轮钻头以冲击压碎的方式破岩，在井底形成一个个离散的破碎齿坑。在难钻地层中，两种钻头的表现均不能令人满意。难钻地层主要是指地层的可钻性差，具体表现为岩石的硬度高、不均质程度高、研磨性强、温度高等。这些岩石性质条件可能存在各种复杂的组合、变化，且一般都具有较大的不可预知性，特别是在深井、超深井的深部地层表现尤其突出。钻头在难钻地层中钻进的寿命短、钻速慢，是制约钻井工程降本增效的最大技术瓶颈之一。孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，它以孕含在刀翼体或刮切齿中的大量金刚石微小颗粒（即金刚石微切削刃）形成的基本切削刃作为切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其粘结材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。孕镶金刚石钻头的这种“磨削”原理，决定了它的应用对象主要为高硬度、强研磨性等不适宜用PDC钻头的难钻甚至极难钻地层，且一般在高转速下才能达到相对较好的破岩效果。将金刚石微粒孕含在胎体式刀翼体中所形成的切削元件称为刀翼孕镶体或刀翼孕镶块（简称孕镶体或孕镶块），孕含在刮切齿中所形成的切削元件则称为孕镶刮切齿（简称孕镶齿）。孕镶体自身构成了孕镶金刚石钻头刀翼体的一部分，属于孕镶钻头基本的切削结构，而孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构。在刀翼孕镶体上增设孕镶齿，既有助于改善孕镶钻头在钻遇软地层时的适应性，更能显著增加孕镶金刚石钻头切削结构的工作寿命。孕镶体、孕镶齿以及孕镶体与孕镶齿的各种组合，均可形成钻头的孕镶切削元件，钻头上所有的孕镶切削元件构成了钻头的孕镶切削结构。尽管孕镶钻头在难钻地层拥有较长的工作寿命，但机械钻速仍不尽如意。自2009年美国贝壳休斯公司推出牙轮—PDC复合钻头（简称复合钻头）产品以来，这种新钻头已在油气开发领域得到了成功应用。在难钻地层中，相对于常规PDC钻头，PDC-牙轮复合钻头的工作性能在一定程度上得到了提高。PDC-牙轮复合钻头一般由若干个PDC刀翼和两个或两个以上牙轮复合而成，PDC刀翼为钻头的主切削结构，而牙轮则为辅助切削结构。通常，相邻两个牙轮之间具有至少一个PDC刀翼。在复合钻头上，牙轮设置在钻头上PDC齿磨损速度更快的径向外部区域（通常在钻头半径二分之一以外的区域），在该区域，牙轮牙齿和刀翼上的PDC齿共同作用于井底岩石，牙轮牙齿不仅能起到对井底岩石的预破碎、预损伤作用，而且由于其承压能力强，故能产生一定的缓冲效果从而实现对刀翼PDC齿的保护。复合钻头的工作扭矩相对较低，有利于维持工具面的稳定，所以也适于在定向钻井条件下工作。在未设置牙轮的心部区域，刀翼布齿仍沿用了常规PDC钻头的设计方法，密度相对较稀。在定向钻进过程中，特别是在其中的复合钻进条件下，钻头心部区域的切削条件复杂，PDC齿易承受反向载荷和冲击载荷，故容易出现心部区域PDC齿快速失效的现象。当某颗齿失效后，加重井底环带相邻齿的工作负荷，发生相邻齿的连锁失效，从而造成钻头心部区域性的PDC齿早期失效（此即所谓“掏心”现象），直接导致钻头寿命终止。在定向钻井中，在井下动力钻具（通常是有弯角的螺杆钻具，简称弯螺杆）以及钻杆（转盘或顶驱）双重驱动下，PDC钻头在井底既有公转又有自转，故钻头与井底岩石的互作用规律比钻直井复杂得多，在钻直井时，钻头的各刀翼同时工作，且切削状态相对比较稳定；但在定向钻井中，钻头的切削过程已明显与稳定的“钻削”不同，而是更接近于“铣削”——各刀翼的工作存在一定程度的交替性（各刀翼的切削负荷前后相续地周期性变化），使PDC齿的切削力具有一定程度的周期变化特性。复合钻头同样具有类似的特性，牙轮和刀翼一样，其工作状态会在重负荷与轻负荷状态之间循环变化——牙轮运动到井底最低位置附近时为重负荷状态，随着钻头的旋转，牙轮在井底的位置开始升高，负荷开始减轻，其后的刀翼开始逐渐接近最低位置，从较轻的负荷状态进入重负荷状态。复合钻头在复合钻进条件下的破岩过程就是这种牙轮、刀翼负荷状态前后相续交替变化过程的不断延续。由于复合钻头结构的特殊性，牙轮占据了较大的钻头空间，为保障在有效清洗和冷却PDC刀翼的同时，尽可能减少钻井液对牙轮的冲蚀，通常设计时在牙轮与其后的刀翼之间设置的空间较大，从而在牙轮与其后刀翼之间形成较大的周向跨度。这样，一方面容易因钻头与井壁间的多边形效应而引起钻头强烈的横向振动，另一方面，当重负荷状态的牙轮向其后的刀翼过渡时，较大的周向跨度会导致刀翼PDC齿（特别是外部PDC齿——径向外1/3区域的PDC齿）的负荷状态发生急剧变化，从小负荷甚至零负荷下急剧升高，当地层岩石较硬时，这种冲击很容易导致刀翼外部PDC齿的冲击崩损甚至脆断。冠部轮廓（亦称切削轮廓）是钻头重要的结构特征之一，它反映钻头上各个切削元件在井底破碎岩石的工作位置和状态，是一个对钻头的地层适应性、钻进性能有重要影响的结构特征。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥、鼻部（冠顶区域）、外锥、肩部和保径五部分。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，刮切齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为刮切齿的轴面轮廓线。将所有刮切齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓指在井底覆盖图中，所有齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。同样，复合钻头的切削轮廓定义也适用上述方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种适于在硬地层定向钻进的复合钻头，能够显著减轻钻头在导向钻井过程中的冲击振动，减少刮切齿的冲击失效，提高钻头的可持续钻进能力。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头，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和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，牙轮安装在牙掌上，与牙掌转动连接，刀翼上设置有PDC复合片和/或TSP等刮切齿，对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的周向区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座；缓冲座上设置有由旋转体及缓冲元件组成的旋转缓冲单元，旋转缓冲单元通过所述缓冲座上的空槽，与缓冲座转动连接。对于本专利技术所涉及的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头，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和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，所述牙轮与牙掌转动连接，所述刀翼上设置有刮切齿，其特征在于：对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上，周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座；缓冲座上设置有由旋转体及缓冲元件组成的旋转缓冲单元，所述旋转缓冲单元通过所述缓冲座上的空槽，与缓冲座转动连接。

【技术特征摘要】
1.具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头，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和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，所述牙轮与牙掌转动连接，所述刀翼上设置有刮切齿，其特征在于：对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上，周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座；缓冲座上设置有由旋转体及缓冲元件组成的旋转缓冲单元，所述旋转缓冲单元通过所述缓冲座上的空槽，与缓冲座转动连接。2.根据权利要求1所述的具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述旋转缓冲单元周向偏移角的范围为0°≤|θ|≤60°。3.根据权利要求1所述的具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述旋转缓冲单元法向偏移角的范围为0°≤|γ|≤60°。4.根据权利要求1所述的具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头，其特征在于：所述缓冲元件通过过盈配合、焊接、螺纹连接方式与旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，张春亮，牛世伟，任海涛，
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