一种低扭矩金刚石钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种低扭矩金刚石钻头，属于钻探领域。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、流道，至少一个刀翼上设置有挂切齿，且至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座，所述基座上设置有法向轮单元。本发明专利技术能够显著降低钻头在复杂工况下钻头的工作扭矩，降低因钻头扭矩过大造成钻头及配套工具的过载或过早失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。特别地，在定向钻井中，这种低扭矩PDC钻头可以减少定向滑动钻进时工具面的调整时间。

A Low Torque Diamond Bit

【技术实现步骤摘要】
一种低扭矩金刚石钻头
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，能够显著降低钻头在复杂工况下钻头的工作扭矩，降低因钻头扭矩过大造成钻头及配套工具的过载或过早失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。特别地，在定向钻井中，这种低扭矩PDC钻头可以减少定向滑动钻进时工具面的调整时间。本专利技术通过下述技术方案来实现：一种低扭矩金刚石钻头，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、流道，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法向轮单元，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座，基座上设置有法向轮单元，法向轮单元由法向轮、轴套组成，法向轮通过轮轴转动连接于轴套。所述的至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，事实上也可以理解为是一个基座，其独立于刀翼延伸自钻头体。法向轮单元的法向轮为相对于自身轴线可转动的元件，法向轮单元主要由法向轮、轮轴、轴套组成（请参阅图6），法向轮通过过盈配合、烧结、或机加工等方法与轮轴固结，法向设置在轴套（请参阅图6标号4231）内，与轴套之间形成转动连接。轴套用于和基座上的轴套连接槽（请参阅图27标号411）连接。轴套、轮轴和法向轮的材料包括钢材、硬质合金、粉末冶金材料以及金属复合材料。法向轮的旋转，能够减缓法向轮磨损不均而导致的法向轮过早失效，延长减扭机构的工作寿命。法向轮要求具有一定的耐压、抗冲击能力，可以在其上设置较“钝”的锥球牙齿、楔形齿。除此之外，其他具有耐压、抗冲的元器件也可以设置于法向轮上，如孕镶块、孕镶齿等。需要特别说明的是，法向轮上设置的耐磨、抗冲击能力强的元件或材料可以通过装配、焊接、过盈配合等方式设置于法向轮上形成法向轮的工作端，也可以与法向轮单元通过烧结、机加工等方式作为一体式结构。上述方案中，刀翼前端，是指对于某一刀翼上的刮切齿来说，刮切齿正常钻进时绕钻头轴线旋转的方向，也即刮切齿工作面朝向的方向，请参阅图1标号22。与之相反为刀翼后端，请参阅图1标号23。该方案在不改变钻头的布齿结构的前提下，降低钻头的工作扭矩，同时能够有效提高钻头的缓冲效果，从而提高钻头的使用寿命。“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刮切齿。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。钻头钻进过程中，法向轮在井底岩石上可绕其自身轴线转动，能够有效降低钻头的工作扭矩。除此之外，钻头上设置法向轮单元还能产生意想不到的效果：第一，当基座设置于钻头外部区域时，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（称为周向振动），本专利技术中用玄高来评价。请参阅图5，钻头上相邻两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，法向轮结构的工作面至少部分在由玄线和所截小圆弧组成的面域内，这样将原来的玄长L变为了现有的玄高S，玄高由S降到S1，多变形效应得到了缓解，振动冲击减弱；第二，当钻压或某种特殊情况下（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，产生冲击，挂切齿上的比压大幅增加，容易造成挂切齿的损坏。本专利技术实施例中的法向轮结构，在这种情况下，能够限制挂切齿的吃入过深，提供更多的支撑点或区域，分担部分钻压，减小振幅，对挂切齿形成一个很好的保护。作为优选，法向轮的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离的范围为|H|≤5mm。上述方案中，切削轮廓（亦称冠部轮廓）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（参阅图7标号a）、鼻部（冠顶区域）（参阅图7标号b）、外锥（参阅图7标号c）、肩部（参阅图7标号d）和保径区（参阅图7标号e）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，挂切齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为挂切齿的轴面轮廓线。将所有挂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。如图4为法向轮与刮切齿在钻头轴线平面内的井底覆盖图。在井底覆盖图中，法向轮单元的工作轮廓线与钻头切削轮廓线的法线方向上的距离不超过±5mm。作为优选，法向轮单元周向偏移角的范围为0°≤|θ|≤60°。上述方案中，周向偏移角范围的设定，能够实现法向轮旋转速度的可控。为方便理解周向偏移角，首先约定法向轮单元的基准点。对于法向轮单元而言，约定其工作端面的中心点为基准点。请本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低扭矩金刚石钻头，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、流道，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法向轮单元；或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座；所述基座上设置有法向轮单元，所述法向轮单元由法向轮、轴套组成，所述法向轮通过轮轴转动连接于轴套。

【技术特征摘要】
1.一种低扭矩金刚石钻头，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、流道，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法向轮单元；或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座；所述基座上设置有法向轮单元，所述法向轮单元由法向轮、轴套组成，所述法向轮通过轮轴转动连接于轴套。2.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮的工作轮廓线与钻头的切削轮廓线法向距离的范围为|H|≤5mm。3.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮单元周向偏移角的范围为0°≤|θ|≤60°。4.根据权利要求1所述的一种低扭矩金刚石钻头，其特征在于：所述法向轮单元法向偏移角的范围为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，牛世伟，谢宗亮，张春亮，杨燕，吴敏，
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