一种具有自冲击能力的PDC钻头制造技术

一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，刀翼上设置有切削齿，钻头本体上设置有支承体，支承体上设置有自冲击单元，自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；滚动体能绕自身轴线转动；冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置的冲击。本发明专利技术在实现冲击破岩时无需配备冲击器工具，节约钻井成本的同时，改善切削齿的侵入能力，提高破岩效率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有自冲击能力的PDC钻头
本专利技术涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等
，具体而言，涉及一种具有自冲击能力的PDC钻头。
技术介绍
钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。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，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过设置在钻头上的切削齿以切削为主要的方式进行岩石破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海、非常规油气(包括页岩气)。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，地层的复杂程度越来越高，如硬-塑性地层、硬-脆性地层、软硬夹层、含砾地层等，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且容易造成切削齿的快速磨损。切削齿的过度磨损后，会加重邻齿的工作负荷，进而发生切削齿的连锁失效，一旦出现较大区域的切削齿失效，钻头的切削能力即基本丧失。为了改善难钻地层中钻头侵入能力差、破岩效率低、寿命短等问题，不少科研单位和钻头生产企业的工作人员，尝试着将冲击器工具(如轴向冲击器、扭转冲击器)配合钻头使用。这种办法，使钻头在钻进的过程中产生小幅冲击，以达到使切削齿在与岩石作用过程中的突然加力，井底岩石应力得到较大释放，切削齿吃入能力得到提高。但，冲击器产生的冲击直接作用在了整个钻头上。通常情况下，钻头上安装的切削齿为聚晶金刚石复合片，这些切削齿的抗冲击能力相对较弱，当冲击器的冲击载荷作用到钻头上后，钻头上的切削齿与岩石产生冲击很容易造成部分切削齿的崩脱等失效。在此情况下，西南石油大学提出了一种冲击-刮切复合钻头(202659151U)，该技术方案将冲击器产生的冲击直接作用在冲击切削结构上，而不直接作用在整个钻头上，提高切削齿侵入能力的同时，延长了钻头的工作寿命。然而，以上冲击破岩技术均为冲击器工具与破岩钻头的组合，冲击设备的增加，使钻井成本升高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有自冲击能力的PDC钻头，PDC钻头上设置有自冲击单元，能够有效改善切削齿的侵入能力，提高破岩效率，同时解决现有冲击破岩技术中需单独配备冲击器的问题。本专利技术是这样实现的：一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，刀翼上设置有切削齿，钻头本体上设置有支承体，支承体上设置有自冲击单元，自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；滚动体能绕自身轴线转动；冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置沿着预设方向的冲击。上述结构中，自冲击单元的滚动体(通常为牙轮结构、滚轮结构等)在破岩过程中与岩石接触产生转动矩而自转。滚动体的自转通过传动装置实现冲击装置沿着预设的冲击方向冲击破岩或预损伤岩石，钻头的切削齿在破碎这些地层时消耗较少的能量便能将这部分岩石从井底岩体上清除。一方面，自冲击单元能够很好的辅助钻头上的切削齿破碎岩石，延长切削齿的工作寿命，进而延长钻头的可持续高效钻进能力。另一方面，自冲击单元所形成的冲击动作只需依靠钻头的公转，而不需要单独增加冲击器等工具，节约了很多工具成本。此外，本结构还有另外一个意想不到的优势，自冲击单元中的滚动体，能够显著降低钻头钻进过程中的摩擦阻力，降低钻头的工作扭矩，特别是定向钻进过程中，钻头工作扭矩的大小直接影响着钻头工具面的控制能力，扭矩越小，工具面越容易控制，反之亦然。冲击方向是指在井底覆盖图中冲击齿的运动方向，通常包含在刀翼上切削齿的覆盖范围内(BL)，如图7所示。也可以朝向特定方向，如图16和图17所示，在图中，钻头的心部不布置切削齿形成空白区域，钻头破岩时这个空白区就会形成岩心柱或岩墙，此时为了破碎岩心柱或岩墙，冲击方向应大致朝向钻头的径向方向。显然，冲击方向是并不是随意设定，而应以破岩或损伤岩石为核心目的设定。井底覆盖布齿图，是指过钻头中心线的任意轴面内，切削齿的切削轮廓绕钻头中心线旋转，并与该轴面形成交线，该交线即为切削轮廓线，将所有切削齿的切削轮廓线汇集在一起，就形成了井底覆盖布齿图。井底覆盖布齿图直接反映了切削齿的定位半径、定位高度等重要参数。同理，单个刀翼的覆盖图的形成原理类似，不再赘述。上述支承体结构可以独立的设置在钻头本体上，也可以与钻头本体上的刀翼固定相连或一体成型。冲击齿可以为锥型齿、楔型齿、勺型齿、球型齿等，冲击齿的材料包括人造聚晶金刚石、天然金刚石、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等。冲击齿与冲击体的连接方式可以为螺纹连接、过盈配合、焊接、或一体成型等方式。作为本专利技术的优选方案，传动装置为凸轮机构。结合附图3来说明凸轮机构的实现与传动原理，凸轮机构中包含传动轴、传动轴上的凸体。滚动体与传动轴固定连接，传动轴转动过程中凸体与冲击装置中的冲击体形成凸轮副，这样滚动体的转动就可以通过凸轮机构实现冲击装置沿着预设方向冲击。凸轮结构简单，安全可靠，易于实施。作为本专利技术的优选方案，传动装置为曲柄滑块机构。结合附图11来说明曲柄滑块机构的实现与传动原理，曲柄滑块机构中包含传动轴、中间连杆，传动轴与滚动体固定连接，中间连杆分别与传动轴和冲击体铰接，传动杆与支承体形成滑动连接，这样滚动体的转动就能通过曲柄滑块机构实现冲击齿朝向冲击方向冲击。曲柄滑块机构输出稳定，不会因为冲击齿与岩石接触而反向造成对传动轴的冲击。事实上，传动轴亦为滚动体的重要支撑部件，减少冲击利于传动轴的寿命延长。作为本专利技术的优选方案，所述滚动体包括牙轮、滚轮。作为本专利技术的优选方案，冲击体上设置有弹性元件，弹性元件可以为弹簧、碟簧、橡胶等，弹性元件用于实现自冲击单元完成冲击后的回弹。对于自冲击单元而言，冲击齿完成一次冲击后，需要返程，否者无法顺利完成下一次冲击(冲程)。冲击体上设置弹性元件容易实现，且结构简单可靠。作为本专利技术的优选方案，支承体上设置有切削齿。支承体上设置切削齿能够增加钻头的布齿密度，延长钻头的服役时间。特别对于研磨性较强的地层，布齿密度越高意味着钻头上金刚石含量越多，耐磨性就越强。作为上述方案的进一步优选，冲击齿设置在切削齿的前方，和/或后方。显然，本领域研究人员很容易想到的是，冲击齿与切削齿还可以同轨道设计。作为本专利技术的优选方案，支承体上设置有支承座，冲击装置通过所述支承座与所述传动装置相连。支承座可以设置在支承体的前面、后面。在这两个面上设置支承座，可以实现冲击齿冲击方向的改变。作为本专利技术的优选方案，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的布齿空白区，冲击齿的冲击朝向为钻头的径向方向。上述方案中，钻头工作过程中，布齿空白区在井底形成凸起的岩脊，岩脊两侧原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊自身的强度有所下降，相当于孤立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼，所述刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，所述刀翼上设置有切削齿，其特征在于，所述钻头本体上设置有支承体，所述支承体上设置有自冲击单元，所述自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；所述滚动体能绕自身轴线转动；所述冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；所述滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置的冲击。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼，所述刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，所述刀翼上设置有切削齿，其特征在于，所述钻头本体上设置有支承体，所述支承体上设置有自冲击单元，所述自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；所述滚动体能绕自身轴线转动；所述冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；所述滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置的冲击。


2.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述的传动装置为凸轮机构。


3.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述的传动装置为曲柄滑块机构。


4.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述滚动体包括牙轮、滚轮。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春亮，杨迎新，包泽军，陈攀，张森林，钱齐，田鹏，
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