本发明专利技术公开了一种高稳定性非平面齿PDC钻头，涉及油气资源勘探器械领域，改进常规切削齿变为轴不对称双曲面切削齿，大大提高了钻头在钻井作业中的稳定性，具体方案为：包括分别设置在钻头首尾两侧的连接部和钻头主体，钻头主体包括钻头冠部和在钻头冠部外侧环形间隔设置的若干切削刀翼，每个切削刀翼通过保径本体与钻头冠部连接，钻头冠部上设有若干钻头喷嘴，切削刀翼上设有若干切削齿；切削齿远离切削刀翼的一侧为切削部，切削部表面中部设有凸脊，凸脊将切削部表面分割为轴不对称的面a和面b；切削部表面朝向钻头切削作用力方向。本发明专利技术在钻井过程中，钻头能够保持动态平衡的高稳定性，具有切削效率高、适用范围广、稳定性强的优点。优点。优点。
【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性非平面齿PDC钻头
[0001]本专利技术涉及油气资源勘探器械领域，更具体地说，它涉及一种高稳定性非平面齿PDC钻头。
技术介绍
[0002]常规PDC钻头在均质性地层中钻井时，具有机械钻速快、寿命长、进尺高等优点。但在非均质性地层等复杂难钻地层条件下钻井时，钻头易出现剧烈振动而导致机械钻速降低，且易引发钻头蹦齿磨损、切削齿金刚石层异常脱落等现象，如砾岩层、软硬交错地层中PDC钻头常因剧烈跳钻振动而引发钻头蹦齿起钻，PDC钻头横向及黏滑振动大易导致钻头偏磨，进而降低钻头破岩效率与破岩稳定性，难以满足高效钻井要求。
[0003]对于非均质性地层，需注意PDC钻头切削刃在切削过程中的稳定性，欠平衡力瞬时作用在切削刃上的冲击载荷能导致切削齿破碎，缩短钻头寿命。研究PDC钻头切削结构、力平衡特性、特殊结构性能对钻头破岩效率和破岩稳定性的影响，对于PDC钻头结构优化设计、正确高效使用、提高钻头机械钻速与趟钻井尺具有重要意义。
[0004]而现有的PDC钻头面临稳定向不足、易受振动损坏的难点，地层适应性范围窄的技术的缺陷。
技术实现思路
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种高稳定性非平面齿PDC钻头，在传统PDC钻头的基础上，改进常规切削齿变为轴不对称双曲面切削齿，适应切削齿在地层的不对称切削特征，大大提高了钻头在钻井作业中的稳定性，同时特殊的轴不对称双曲面切削齿能够增大切削角度、切削力，提升破岩效率，提高了钻头在软地层中的切削效率。实现了PDC钻头在非均质性地层等难钻地层中安全高速钻井，避免钻头振动损坏并提高钻头使用寿命的目的。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种高稳定性非平面齿PDC钻头，包括分别设置在钻头首尾两侧的连接部和钻头主体，钻头主体包括钻头冠部和在钻头冠部外侧环形间隔设置的若干切削刀翼，每个切削刀翼通过保径本体与钻头冠部连接，钻头冠部上设有若干钻头喷嘴，切削刀翼上设有若干切削齿；切削齿远离切削刀翼的一侧为切削部，切削部表面中部设有凸脊，凸脊将切削部表面分割为轴不对称的面a和面b；切削部表面朝向钻头切削作用力方向。
[0008]在上述方案中，钻头通过连接部与动力组件连接，钻头冠部通过保径本体与切削刀翼连接，在钻井过程中，切削齿的切削部运动对土岩进行切割，通过设置凸脊，使得钻头在工作过程中，切削齿以压裂和切削混合的方式进行破岩，被切割下的岩屑条由一条转变为两条，并沿面a和面b滑动并掉落；尤其在钻探非均质性地层时，钻头能够在高速旋转的钻井过程中保持高稳定性，减少钻头蹦齿起钻，钻头偏磨等情况，综合提升钻井效率，并且延长了钻头的使用寿命。且将切削部表面分割为两个不对称的面，能够更好的起到对凸脊进
行承力作用，降低凸脊的磨损，进一步延长切削齿的使用寿命。且设置凸脊，能够使得在钻井过程中，切割下的岩屑条由一条转变为不同曲面方向上的两条，岩屑条不附着于复合片曲面上，提高了剪切效率。
[0009]作为一种优选方案，切削部的面a和面b分别沿凸脊至切削部表面边缘设置为凹曲面，面a和面b呈中心对称。
[0010]通过将面a和面b设置为凹曲面，相对于凸脊至切削部表面边缘呈平面的情况，在钻头凸脊逐渐磨损后，仍然能够很长一段时间保持凸脊的尖锐程度，更大程度的保持切削齿的工作性能，提高切削齿的使用寿命。
[0011]作为一种优选方案，凸脊呈S型。
[0012]在上述优选方案中，S型的凸脊在受力效果上更好，适应切削齿在地层的不对称切削特征，在应对不同的地层中，还可根据应用地层强度对S的弧度进行调整。
[0013]作为一种优选方案，切削刀翼上至少设有3颗切削齿。
[0014]在上述优选方案中，根据钻头的大小，以及不同地层的工作，设置不同型号的切削刀翼，并根据不同型号的切削刀翼选择性设置不同数量的切削齿。
[0015]作为一种优选方案，切削刀翼从与钻头冠部的连接侧至尽头侧弯曲设置，切削刀翼凸面上设有切削齿。
[0016]作为一种优选方案，切削刀翼数量为6个，保径本体数量与切削刀翼数量相同。
[0017]作为一种优选方案，所有切削刀翼呈旋转堆成，所有切削刀翼整体呈螺旋状。
[0018]在上述优选方案中，切削刀翼的尽头侧为设置切削齿的工作侧，通过设置切削刀翼的数量和形状，使得切削脊结构呈多元分布，在钻井过程中各切削刀翼的力矩、扭矩、欠平衡力合力(矩)为零。通过对钻头冠部形状、布齿方式等进行结构优化，确保钻头在高速旋转钻井过程中，与易产生振动的非均质性地层岩石发生强烈相互作用时，能够保持井底动态平衡。
[0019]作为一种优选方案，连接部为钻头螺纹，钻头主体通过钻头螺纹与动力组件连接。
[0020]作为一种优选方案，保径本体外侧壁上设有凹槽，凹槽内活动设有至少一个滚动球，凹槽开口截面尺寸小于凹槽内最大截面尺寸，滚动球突出于保径本体侧壁，滚动球最大截面尺寸大于凹槽开口截面尺寸。
[0021]在上述优选方案中，凹槽的开口尺寸小于凹槽内的空腔尺寸，滚动球最大截面尺寸大于凹槽开口截面尺寸，能够将滚动球始终限位在凹槽内，当钻头在井眼作上下、圆周运动时，保径本体与地层的作用力由静摩擦、滑动摩擦转变为滚动摩擦，不规则的力作用转变为相对稳定的力作用，能够有效避免钻头涡动而产生强烈震荡。
[0022]作为一种优选方案，保径本体靠近连接部的表面设有滚动球放置口，滚动球通过滚动球放置口进出凹槽，滚动球放置口处设有挡块和销钉，销钉将挡块固定拦截于滚动球放置口。
[0023]在上述优选方案中，滚动球放置口设于保径本体的底面，即靠近连接部的一个面，通过滚动球放置口将滚动球放置进入到凹槽内，可以便于在每次使用后，进行凹槽内异物清理，磨损的滚动球的更换等操作，对凹槽内进行维护，以便在以后的每次作业过程中均能够保持保径本体的低摩擦阻力。
[0024]综上所述，本专利技术具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术提供的高稳定性非平面齿PDC钻头改变传统的平面齿和一般的轴对称切削齿的破岩方式，与切削齿在钻井过程中不对称切削岩屑面相契合，减小切削地层时产生的不平衡力，大大提高PDC钻头钻井过程中的稳定性，能使切削刃有效吃入地层，避免不规整章动引起的无效切削和剧烈振动，提高钻井效率，延长钻头使用寿命；
[0026](2)本专利技术提供的高稳定性非平面齿PDC钻头将滚动球限位并突出设置在保径本体的侧壁上，使得钻头保径本体与地层的作用力由静摩擦、滑动摩擦转变为滚动摩擦，不规则的力作用转变为相对稳定的力作用，避免钻头涡动而产生强烈震荡，进一步提高钻头工作稳定性；
[0027](3)本专利技术提供的高稳定性非平面齿PDC钻头设置六个不对称切削刀翼，钻井过程中各刀翼力矩、扭矩、欠平衡力合力(矩)为零；
[0028](4)本专利技术提供的高稳定性非平面齿PDC钻头在钻井过程中能够保持动态平衡的高稳定性，具有切削效率高、适用范围广、稳定性强的优点。
附图说明
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高稳定性非平面齿PDC钻头，其特征在于，包括分别设置在钻头首尾两侧的连接部和钻头主体(12)，钻头主体(12)包括钻头冠部(14)和在钻头冠部(14)外侧环形间隔设置的若干切削刀翼(15)，每个切削刀翼(15)通过保径本体(8)与钻头冠部(14)连接，钻头冠部(14)上设有若干钻头喷嘴(16)，切削刀翼(15)上设有若干切削齿(1)；切削齿(1)远离切削刀翼(15)的一侧为切削部，切削部表面中部设有凸脊(4)，凸脊(4)将切削部表面分割为轴不对称的面a(2)和面b(3)；切削部表面朝向钻头切削作用力方向。2.根据权利要求1所述的高稳定性非平面齿PDC钻头，其特征在于，所述切削部的面a(2)和面b(3)分别沿凸脊(4)至切削部表面边缘设置为凹曲面，面a(2)和面b(3)呈中心对称。3.根据权利要求2所述的高稳定性非平面齿PDC钻头，其特征在于，所述凸脊(4)呈S型。4.根据权利要求1所述的高稳定性非平面齿PDC钻头，其特征在于，所述切削刀翼(15)上至少设有3颗切削齿(1)。5.根据权利要求1所述的高稳定性非平面齿PDC钻头，其特征在于，所述切削刀翼(15)从与钻头冠部(14)的连接侧至尽头侧弯曲设...
【专利技术属性】
技术研发人员：柯晓华，孙金声，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：
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