一种具有柔性切削结构的金刚石钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，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，包括钻头体和切削元件，钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。本发明专利技术钻头上的缓冲切削模块在受到冲击时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低切削元件的冲击载荷幅度，提高钻头上切削元件的抗冲击能力，延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命。

A Diamond Bit with Flexible Cutting Structure

【技术实现步骤摘要】
一种具有柔性切削结构的金刚石钻头
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，具体涉及一种具有柔性切削结构的金刚石钻头。
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。PDC(PolycrystallineDiamondCompact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过刮切的方式破岩，在理想工作条件下，钻头上的切削元件会在井底形成一簇同心圆刮切轨迹。对于常规PDC钻头而言，在现有技术中，切削元件几乎都是直接焊接在刀翼的齿槽(也称齿穴或齿窝)内，切削元件相对于刀翼是不能运动的，而钢质刀翼体及粉末冶金制造的胎体式刀翼体的刚度都很大，所以在钻进时，如果地层硬度高，或不均质性强(如软硬交替地层、含砾岩层等)，钻头的切削齿将承受较大的冲击载荷，特别是在PDC齿直接与岩石接触的刃口区域，由于冲击而致应力幅值很高，极易造成PDC齿金刚石层的崩裂甚至崩碎现象，从而严重缩短齿的工作寿命。当钻头在井下发生横振或回旋运动时，复合片的冲击载荷不仅幅值高，而且方向变化较大，所以也会导致复合片的金刚石层崩裂损伤。钻头的转速越高，这种冲击损伤越严重。相对钻压而言，PDC钻头的切削破岩效率对转速的变化更敏感，也就是说，如果切削齿不发生冲击崩损，增加转速比增加钻压更有利于提升钻进速度，然而，当地层岩石硬度或不均质性增加到一定程度时，为保障钻头切削齿的寿命，钻头就不能在高转速下工作。随着钻井工艺技术的进步，定向钻进或导向钻进技术应用越来越广泛，导向钻进技术分滑动导向和旋转导向两类，前者因为系统成本低故应用更为普遍。滑动导向钻进的关键在于钻头由井下动力钻具(包括螺杆钻具和涡轮钻具，螺杆使用更为普遍)驱动，或者由井下动力钻具和钻杆同时驱动(复合驱动)。滑动导向钻进过程包括两种工作模式：造斜模式和复合钻进模式，前者由带弯头的动力钻具(主要是螺杆)单独驱动，完成井眼斜度或方位角的改变；后者则采用复合驱动，这种模式又叫复合钻进，此时，钻杆的旋转为公转，钻头在随钻杆公转的同时，还要在动力钻具的驱动下自转，钻头不仅工作转速高，而且由于钻头安装在动力钻具末端的弯头上，所以钻头在井底的运动十分复杂。研究表明，无论是滑动导向钻进还是旋转导向钻进，钻头在井底的切削运动都比常规钻进更复杂，钻头切削齿的冲击载荷也更大。特别是在复合钻进条件下，由于公转、自转并存的特殊驱动方式，以及安装在弯头上的钻头的倾斜工作姿态，使得钻头的切削岩石过程与常规钻进条件有很大差异，主要体现在牙齿的切削工作状态存在一定程度的交替性，有效工作齿数少于钻头总齿数、井底形貌的起伏不平、切削齿非平行刮切等方面。这些特点一方面有利于提高钻头的破岩效率，但另一方面也因牙齿冲击载荷的显著增大而使钻头的工作寿命显著下降。所以，如果能显著提高切削齿的抗冲击能力，就能使延长钻头的工作时间，提高钻头适应高转速的能力，不仅有利于提高破岩效率，也能减少起下钻次数，从而使钻井效率得到显著提升。随着聚晶金刚石复合片材料技术的进步，PDC齿的抗冲击性能已经比早期的产品有了显著进步，早期的PDC钻头只适用于软-中硬地层，现在已经能钻比较硬的地层，但钻头的寿命并不理想。在深井、超深井钻井工程中，深部难钻地层钻进速度慢是制约钻井成本降低的技术瓶颈，由于深部井段更换钻头的辅助时间(起下钻时间)长，所以人们越来越不愿意使用钻进效率低且有牙轮脱落风险的牙轮钻头，而是期望有能在深部地层高效钻进的长寿命PDC钻头产品，因此，多年以来超硬材料研究者们在提高金刚石复合片的抗研磨和抗冲击性能方面做了很多工作，也取得了很好的成效。然而，通过材料技术的进步来提升PDC齿的抗冲击性虽然是一个需要长期努力的方向，但要想同时提高PDC齿的抗研磨性和抗冲击性毕竟是相当困难的，特别是抗冲击性的提高，难度更大。现有技术中的缓冲切削齿主要包括其一，在钻头开设齿孔，直接将切削齿及缓冲结构设在齿孔内，形成缓冲切削齿；其二，在齿上加套，套焊接在刀翼上，切削齿及缓冲结构设在齿套孔内，形成缓冲切削齿。现有技术因为无法适应井下多种方向和形式的冲击力，以及易冲击损坏或脱落(基座尺寸减小且要开槽，存在明显的应力集中，且防脱落结构易冲击失效)、占据刀翼空间大(降低布齿密度，影响布齿设计)的弱点，故难以在冲击载荷大的复杂难钻条件下应用。此外，美国专利“ROTATINGCUTTINGELEMENTSFORPDCBITS”(专利号：US20140326515A1)公开了一种PDC钻头用的旋转切削齿。该专利中的旋转切削齿具有独立的轴承结构，使其安装在钻头刀翼上之后能够相对刀翼体转动。通过在刀翼上设置旋转齿，使钻头在刮切地层时旋转齿的切削刃的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了其切削刃的利用率，从而可有效提高钻头在均质地层中的使用寿命和钻进速度。但在不均质地层、导向钻进等工况下，由于旋转切削齿的结构和尺寸受限，其轴承结构使得切削齿的强度显著降低，应力集中现象突出，所以切削齿的耐冲击性能较差，容易在冲击载荷下发生破坏，不适于在复杂地层和导向钻井等牙齿冲击载荷较大的场合使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，钻头上的缓冲切削模块在受到冲击时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低切削元件的冲击载荷幅度，提高钻头切削结构的抗冲击能力，延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命，提高钻井效率。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，包括钻头体和切削元件，钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。为便于理解本专利一种具有柔性切削结构的金刚石钻头的结构特点，现对其各特征部位进行具体描述：钻头体：钻头体一般是指用于设置或固定切削元件或具有切削元件的部件、喷嘴等的基体，也称钻头本体或钻头基体。对于一般金刚石钻头而言，钻头体是包含刀翼、钻杆连接接头的一体式结构。而对于有些大尺寸钻头或结构复杂的钻头(如包含牙轮或盘刀的复合钻头)，出于制造工艺的需要，可将切削元件或部件的支承体(如刀翼、牙掌)分别加工后，再用焊接或机械连接的方式与包括钻杆连接接头部分的基体相固结。不论是一体式结构还是分体连接结构，最终所形成的总体固定结构在本专利技术中统称为钻头体，即本专利技术的支撑体、刀翼均为钻头体的一部分，切削元件或具有切削元件的部件、喷嘴等设置或固定在钻头体上。切削元件：钻头上直接与岩石相互作用以破碎岩石的元件，也称切削齿，简称齿或牙齿。典型的切削元件包括各种金刚石切削齿(包含金刚石的切削齿)，如PDC切削齿、TSP切削齿、孕镶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿等，还包括工作表面为三维曲面的硬质合金齿和金刚石复合齿(金刚石层与硬质合金基体复合而成的齿)，如尖锥形金刚石复合齿、各种形状的牙轮钻头牙齿。支承体或支撑体：钻头体上用于设置或支承切削元件和/或切削部件的局部结构体，以及为提高钻头稳定性、保径能力、侧切效果等非直接钻岩功能而设置的局部结构体(例如独立于刀翼之外的保径块、稳定块、缓冲座)，如图3中标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，包括钻头体和切削元件，其特征在于：钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。

【技术特征摘要】
1.一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，包括钻头体和切削元件，其特征在于：钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。2.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：钻头体上具有支撑体，在一个或多个支承体上设置有缓冲切削模块，且缓冲件设置在模块基体与支撑体之间。3.如权利要求2所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：钻头体上具有刀翼，在一个或多个刀翼上设置有切削元件和缓冲切削模块，且缓冲件设置在模块基体与刀翼之间。4.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：在模块基体的背部承载面、底部承载面、侧承载面中的至少一个承载面与钻头体之间设置有缓冲件。5.如权利要求1所述的具有柔性切削结构的金刚石钻头，其特征在于：在钻头体上设置有安装槽或安装孔，缓冲切削模块设置在安装槽或安装孔中，且在所述缓冲切削模块与所述安装槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，任海涛，林兆虎，黄奎林，戚清亮，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