CN107503690A - 一种可伸缩破碎式pdc复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，涉及石油钻探钻具技术领域，包括钻头体和固设在钻头体上的刀翼，所述刀翼上设有若干个切削齿，所述钻头体心部设有与钻头体可拆卸连接的破碎钻头、用于嵌入破碎钻头的嵌入槽和顶出机构，所述顶出机构设置在钻头体内并与所述破碎钻头固定连接；所述钻头体与所述破碎钻头间设有浮动支撑块。通过实施本技术方案，能够有效地可有效提高钻头心部的破岩效率，攻破了PDC钻头在较硬地层难以钻进的技术难题；且不会对破碎钻头体外围的钻头体造成较快的磨损，有利于提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

Description

一种可伸缩破碎式PDC复合钻头

技术领域

本发明涉及石油钻探钻具技术领域，特别涉及一种可伸缩破碎式PDC复合钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的常规钻头主要有三牙轮钻头、聚晶金刚石复合片钻头(即PDC钻头)和冲旋钻头(也称旋冲钻头或钎头)等。

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片(即PDC齿)对岩石的刮切或剪切作用破岩的钻头。由于在切削元件性能以及破岩方式方面具备了突出的优越性，所以PDC钻头在软至中硬地层的破岩效率明显高于三牙轮钻头。现今，PDC钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大，但对于硬度、研磨性高的地层以及严重不均质的地层，PDC钻头仍难以适应。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即PDC齿)按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。

当PDC钻头在较硬地层钻进时，PDC钻头头部难于侵入(吃入)井底岩石表面，特别是当PDC齿发生一定程度磨损后，侵入难度更高，导致钻头在井底打滑，钻速极慢。因而，现有技术中存在以下技术问题：1、靠纯剪切状态破碎岩石，钻头心部切削齿相对外围切削齿切削线速度很低，导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC钻头的破岩效率；2、PDC 齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过最大热负荷时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象的发生。3、钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的切削齿，磨损后的钻头需要整体更换，成本高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，可有效提高钻头心部的破岩效率，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，包括钻头体和固设在钻头体上的刀翼，所述刀翼上设有若干个钻头切削齿，所述钻头体心部设有与钻头体可相对移动的破碎钻头、用于嵌入破碎钻头的嵌入槽和驱动破碎钻头移动的顶出机构，所述顶出机构与所述破碎钻头固定连接；顶出前，所述破碎钻头与所述钻头体间隙配合。

本发明基础方案的工作原理：该复合钻头具有钻头体和与钻头体间隙配合的破碎钻头，破碎钻头连接有顶出机构，破碎钻头通过顶出机构的驱动在钻头体心部的嵌入槽内移动，因此破碎钻头相对钻头体可伸缩移动，为独立钻进的钻头；在钻头体心部设置单独的破碎钻头，利用顶出机构提供的脉冲能量和破碎钻头的独立旋转钻进相结合的方式破岩，这种破岩方式抛却了现有技术中靠纯剪切破岩方式而是通过顶出机构顶出破碎钻头破岩；钻头体心部的破碎钻头侵入岩石表面破岩后再通过其外围的钻头体旋转钻进，便减小破碎钻头外围的钻头体侵入岩石表面的机械负荷，钻头心部设置独立钻进的破碎钻头避免了钻头心部切削齿相对外围切屑齿切削线速度慢，导致导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC 钻头的破岩效率的问题，可有效提高PDC复合钻头的钻进速度，提高钻头心部的破岩效率，且设有顶出机构的破碎钻头在钻头旋转过程中伴有顶出机构提供的脉冲能量，攻破了PDC 钻头在较硬地层难以钻进的技术难题；且不会对破碎钻头体外围的钻头体造成较快的磨损，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

进一步，所述顶出机构包括顶出块和螺纹管，所述螺纹管穿设在所述钻头体内并与所述钻头体螺纹连接，所述顶出块设置在所述嵌入槽内，且所述顶出块一端与螺纹管固定连接，另一端与所述破碎钻头可拆卸连接。有益效果：螺纹管穿设在钻头体内并与钻头体螺纹连接，连接稳定，安全可靠；可通过螺纹管的旋转钻进顶出螺纹管端部的破碎钻头，且破碎钻头与螺纹管间设置的顶出块增大了破碎钻头与顶出机构的连接面积，顶出支撑稳定，而顶出块与破碎钻头可拆卸的连接方式方便在破碎钻头磨损后，只需更换破碎钻头，节约了不需更换破碎钻头外围钻头体的成本，节约成本。

进一步，所述破碎钻头的钻面覆盖区域占所述钻头体的钻面覆盖区域的45％。有益效果：经申请人多次实验可得，将破碎钻头的钻面覆盖区域设置为占钻头体的钻面覆盖区域的45％，可有效保证破碎钻头的机械刚度，且避免破碎钻头外围区域的钻头体区域的切削齿被快速磨损，保证钻进效率的同时可提高钻头的使用寿命。

进一步，所述破碎钻头与所述钻头体间设有若干个浮动支撑块，若干个所述浮动支撑块均匀镶嵌在所述嵌入槽的内壁上，且所述浮动支撑块的材质采用TPU材料。有益效果：破碎钻头在钻头体心部的嵌入槽内伸缩移动的时候，设置在嵌入槽内壁的浮动支撑块可有效减小破碎钻头对钻头体的磨损，且浮动支撑块的材质采用TPU材料，TPU材料制成的浮动支撑块机械强度高，其承载能力、抗冲击性及减震性能均突出，随着硬度的增加，浮动支撑块仍可保持良好的弹性，从而可减小破碎钻头的转动磨损。

进一步，所述浮动支撑块内设有空心腔，所述空心腔内充填有低熔点金属。有益效果：破碎钻头准备钻进前，空心腔内的低熔点金属在常温下为固体状态，镶嵌在嵌入槽内的浮动支撑块仍保持破碎钻头与钻头体间隙配合，便于顶出机构可顺利将破碎钻头顶出伸出钻头体心部，而钻进过程中，由于破碎钻头不断钻进切削岩石，剧烈摩擦产生的热量可被浮动支撑块内的低熔点金属吸收，降低破碎钻头的温度，减小钻头热负荷，避免破碎钻头热磨损现象的发生；且浮动支撑块内吸收大量热量的低熔点金属由固体变为液体过程中吸热膨胀，体积变大，采用TPU材料制成的浮动支撑块密封性能好，且在高温下具有较好的延展性，从而浮动支撑块内的低熔点金属吸热液化过程中体积增大抵死破碎钻头，使得破碎钻头与钻头体过盈配合，从而破碎钻头和钻头体作为一体式结构配合钻进，可有效提高复合钻头的钻进效率。

进一步，所述低熔点金属为熔点在85℃-105℃的铟基铋基合金。有益效果：采用铟基、铋基合金的低熔点金属作为相变材料，其安全无毒，不腐蚀铝和铜，热导率高；且铟基铋基合金的熔点可根据产生的热量调节，根据不同需要制得不同熔点的铟基铋基合金，方便取得。

进一步，所述浮动支撑块的厚度为6mm-9mm。有益效果：经申请人多次实验，浮动支撑块的厚度设为6mm-9mm，根据破碎钻头与钻头体的设计工艺，浮动支撑块不易被磨损的情况下可实现在低熔点金属相变为液体后对破碎钻头提供周向支撑。

进一步，所述刀翼包括主刀翼和副刀翼，所述主刀翼和副刀翼的数量均为三个，所述主刀翼沿钻头体的周向均布，所述副刀翼沿钻头体的周向均布且与所述主刀翼间隔设置。有益效果：主刀翼和副刀翼上的钻头切削齿对底层岩石切刮，在井底形成空间曲线刮切轨迹，复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬底层或者不均质底层，提高钻头的钻进效率。

进一步，所述破碎钻头的切削轮廓面呈球冠面，且球冠面弧度为π/3。有益效果：保证破碎钻头刚度，达到快速破岩的效果。

进一步，所述钻头体的切削轮廓面呈球冠面，且所述破碎钻头的切削轮廓面的半径与所述钻头体的切削轮廓面的半径相同。有益效果：钻头钻进的稳定性、钻进的导向性及可控性均更好。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明钻头体心部设置有内置可伸缩破碎钻头，且破碎钻头与外部钻头体间隙配合，从而破碎钻头与外部钻头为相互独立的旋转破岩钻进方式，提高钻头心部的破岩效率，更易于侵入岩石表面，减小了外部钻头体破岩受到的阻力，钻头心部设置独立钻进的破碎钻头避免了钻头心部切削齿相对外围切屑齿切削线速度慢，导致导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC钻头的破岩效率的问题，可有效提高PDC复合钻头的钻进速度，提高钻头心部的破岩效率；且不会对破碎钻头体外围的钻头体造成较快的磨损，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

2、本发明中的破碎钻头可通过顶出机构伸出钻头体实现独立破碎岩层，可适宜侵入较硬地层或沾粘性强的泥层，顶出机构包括顶出块和螺纹管，螺纹管穿设在钻头体内并与钻头体螺纹连接，旋转稳定，可通过螺纹管的旋转钻进顶出螺纹管端部的破碎钻头，且破碎钻头与螺纹管间设置的顶出块增大了破碎钻头与顶出机构的连接面积，支撑稳定，而可拆卸的连接方式方便在破碎钻头磨损后只需更换破碎钻头而节约了破碎钻头外围钻头体的成本，节约成本；与破碎钻头连接的顶出机构在破碎钻头旋转钻进的过程中伴有顶出机构提供的脉冲能量，易于破碎钻头更容易侵入岩石表面，攻破了PDC钻头在较硬地层难以钻进的技术难题。

3、本发明的破碎钻头的钻面覆盖区域占钻头体的钻面覆盖区域的45％，不同的岩层可利用覆盖面积不同的破碎钻头攻破岩石，以适应不同硬度底层或者不均质底层，而经申请人多次实验可得，将破碎钻头的钻面覆盖区域设置为占钻头体的钻面覆盖区域的45％，可有效保证破碎钻头的机械刚度，且避免破碎钻头外围区域的钻头体区域的切削齿被快速磨损，保证钻进效率的同时可提高钻头的使用寿命。且可将内置的破碎钻头更换为牙轮钻头，因牙轮结构设计的变化空间很大，即有限的牙轮空间可充分用于布齿和破岩，保证牙轮强度的同时，提高钻头的破岩效率。

4、本发明中在破碎钻头与钻头体间设置有采用TPU材料制成浮动支撑块，由于TPU材料制成的浮动支撑块机械强度高，其承载能力、抗冲击性及减震性能均突出，避免钻头体受到磨损的同时适合破碎钻头和钻头体高速重载的需求；进一步，浮动支撑块内设有空心腔，空心腔内的低熔点金属的相变可在破碎钻头破岩钻进时吸收剧烈摩擦产生的热量，降低破碎钻头的温度，避免热磨损现象的发生；且吸收大量热量的低熔点金属由固体变为液体过程中吸热膨胀，体积变大，而采用TPU材料制成的浮动支撑块密封性能好，且在高温下具有较好的延展性，从而浮动支撑块内的低熔点金属吸热液化过程中体积增大抵死破碎钻头，使得破碎钻头与钻头体过盈配合，从而破碎钻头和钻头体作为一体式结构配合钻进，提高复合钻头复合钻进的刚度，实现高转速、强冲击的配合钻进，提高复合钻头的钻进效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明一种可伸缩破碎式PDC复合钻头实施例的剖视图；

图2为本发明一种可伸缩破碎式PDC复合钻头实施例钻头钻面的示意图。

附图标记：1-钻头体、2-刀翼、3-钻头切削齿、4-破碎钻头、5-嵌入槽、6-顶出机构、7-浮动支撑块、8-顶出块、9-螺纹管、16-主刀翼、17-副刀翼、18-减震齿、19-破碎钻头切削齿、20-喷液孔。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1所示，本实施例提供一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，包括钻头体1和与钻头体1一体成型的刀翼2，刀翼2包括主刀翼16和副刀翼17，主刀翼16和副刀翼17均呈阿基米德螺线固设在钻头体1上，主刀翼16和副刀翼17上设有若干个钻头切削齿3，且主刀翼16和副刀翼17间设置有喷液孔20，主刀翼16和副刀翼17上的钻头切削齿3对底层岩石切刮的同时通过喷叶孔20喷射钻井液润滑钻头体1，主刀翼16和副刀翼17上的钻头切削齿3对底层岩石切刮，在井底形成空间曲线刮切轨迹，呈阿基米德螺线的主刀翼16和副刀翼17更有利于切削齿3刮切破碎底层岩石；主刀翼16和副刀翼17的数量均为三个，主刀翼16等角度均匀布置在钻头体1上，副刀翼17等角度均匀布置在钻头体1上，主刀翼 16沿钻头体1的周向等角度均匀布置在钻头体1上，副刀翼17沿钻头体1的周向等角度均匀布置在钻头体1上，主刀翼16与副刀翼17交叉间隔分布，主刀翼16和副刀翼17形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬地层或者不均质地层，提高钻头的钻进效率。

钻头体1心部开设有用于嵌入破碎钻头4嵌入槽5，并设有与钻头体1可相对移动的破碎钻头4和驱动破碎钻头移动的顶出机构6，嵌入槽5的尺寸与破碎钻头4的尺寸相匹配，顶出机构6设置在钻头体1内并与破碎钻头4固定连接，推动破碎钻头4在嵌入槽5内来回移动；因此，钻头体1与破碎钻头4为独立钻进的钻头；在钻头体1心部设置单独的破碎钻头4，利用顶出机构6提供的脉冲能量和破碎钻头的独立旋转钻进相结合的方式破岩，这种破岩方式抛却了现有技术中靠纯剪切破岩方式而是通过顶出机构6顶出破碎钻头4破岩；钻头体1心部的破碎钻头4侵入岩石表面破岩后再通过其外围的钻头体1旋转钻进，便减小破碎钻头4外围的钻头体1侵入岩石表面的机械负荷，钻头体1心部设置独立钻进的破碎钻头4避免了钻头体1心部切削齿相对外围切屑齿切削线速度慢，导致导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC钻头的破岩效率的问题；进一步，顶出机构6包括顶出块8 和螺纹管9，螺纹管9穿设在钻头体1内并与钻头体1螺纹连接，可通过螺纹管的旋转钻进顶出螺纹管端部的破碎钻头4，连接稳定，安全可靠；且破碎钻头4与螺纹管间设置的顶出块8增大了破碎钻头4与顶出机构6的连接面积，支撑稳定；顶出块8设置在螺纹管9的端部并与破碎钻头4可拆卸连接，可拆卸连接的方式优选为螺纹连接，使破碎钻头4与顶出机构6连接稳定，而可拆卸的连接方式方便在破碎钻头4磨损后只需更换破碎钻头4而节约了破碎钻头4外围钻头体1的成本。

如图2所示，，破碎钻头4的钻面覆盖区域占钻头体1的钻面覆盖区域的45％，经申请人多次实验可得，可有效保证破碎钻头4机械刚度，避免破碎钻头4外围钻头体1区域的切削齿3被可快速磨损，提高破岩钻进效率。破碎钻头4的切削轮廓面呈球冠面，球冠面弧度为π/3，保证破碎钻头4刚度，达到快速破岩的效果；钻头的切削轮廓面呈球冠面，且破碎钻头4的切削轮廓面的半径与钻头体1的切削轮廓面的半径相同，使钻头钻进的稳定性、钻进的导向性及可控性均更好。破碎钻头4上设有破碎钻头切削齿19和减震齿18，破碎钻头切削齿19沿破碎钻头4的钻面中心径向呈直线等角度分布，减震齿18与破碎钻头切削齿19相互间隔设置，破碎钻头切削齿19和减震齿18的材料均采用聚晶金刚石复合材料，采用破碎钻头切削齿19沿破碎钻头4的钻面中心径向呈直线等角度分布可提高破碎钻头4心部的破碎能力，且减震齿18与破碎钻头切削齿19相互间隔设置可提高钻头钻进的稳定性。

进一步，钻头体1与破碎钻头4间设有若干个浮动支撑块7，浮动支撑块7均匀镶嵌在嵌入槽的内壁上，且浮动支撑块7的材质采用TPU材料，破碎钻头4在钻头体1心部的嵌入槽内伸缩移动的时候，设置在嵌入槽5内壁的浮动支撑块7可有效减小破碎钻头4对钻头体1的磨损，且浮动支撑块7的材质采用TPU材料，TPU材料制成的浮动支撑块7机械强度高，其承载能力、抗冲击性及减震性能均突出，随着硬度的增加，浮动支撑块7仍可保持良好的弹性，从而可减小破碎钻头4的转动磨损。

进一步，浮动支撑块7内设有空心腔，空心腔内充填有低熔点金属，低熔点金属为熔点在85℃的铟基铋基合金，破碎钻头4准备钻进前，空心腔内熔点在85℃的铟基铋基合金在常温下为固体状态，镶嵌在嵌入槽5内的浮动支撑块7仍保持破碎钻头4与钻头体1间隙配合，便于顶出机构6可顺利将破碎钻头4顶出伸出钻头体1心部，而钻进过程中，由于破碎钻头4不断钻进切削岩石，剧烈摩擦产生的热量可被浮动支撑块7内熔点在85℃的铟基铋基合金吸收，降低破碎钻头4的温度，减小破碎钻头4热负荷，避免破碎钻头4热磨损现象的发生；且浮动支撑块7内吸收大量热量的铟基铋基合金温度达到85℃的时候，由固体变为液体的过程吸热膨胀，体积变大，且采用TPU材料制成的浮动支撑块7密封性能好，且在高温下具有较好的延展性，从而浮动支撑块7内的铟基铋基合金吸热液化过程中体积增大抵死破碎钻头，使得破碎钻头与钻头体由间隙配合转变为过盈配合，从而破碎钻头4和钻头体1作为一体式结构配合钻进，可有效提高复合钻头的钻进效率。

本例中，在攻破较硬地层的时候，首先，该复合钻头心部位置间隙设置的破碎钻头4 可通过顶出机构6顶出嵌入槽5而被伸出外部钻头体1，从而破碎钻头4与外部钻头为相互独立的旋转破岩钻进方式，破碎钻头4利用顶出机构6提供的脉冲能量和破碎钻头4的独立旋转钻进相结合的方式破岩，提高了钻头心部的破岩效率，减小了外部钻头体1破岩受到的阻力，更易于侵入岩石表面，这种破岩方式避免了靠纯剪切状态破碎岩石，使得钻头体1外部区域的钻头切削齿3磨损速度明显快于心部区域的钻头切削齿3，使得钻头体1容易磨损的同时且严重制约PDC钻头的破岩效率的问题；待破碎钻头4侵入岩石表面破碎岩石后，再通过顶出机构6旋转将破碎钻头4收放至嵌入槽5内；与此同时，浮动支撑块7 内由于低熔点铟基铋基合金在钻头钻进过程中吸收剧烈摩擦产生的大量热量，吸收大量热量的低熔点铟基铋基合金由固体变为液体，体积膨胀变大，受热膨胀后的浮动支撑块7向内与破碎钻头4抵死，使得破碎钻头4和钻头体1作为一体式结构高转速、强冲击的配合钻进，可有效提高复合钻头的钻进效率，此种可伸缩破碎式PDC钻头可采用分阶段破碎岩层，避免了现有技术中钻头心部切削齿相对外围切屑齿切削线速度慢，导致导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC钻头破岩效率的问题；且设有顶出机构6的破碎钻头4在钻头旋转过程中伴有顶出机构6提供的脉冲能量，攻破了PDC钻头在较硬地层难以钻进的技术难题；且不会对破碎钻头4外围的钻头体1造成较快的磨损，有利于提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，包括钻头体和固设在钻头体上的刀翼，所述刀翼上设有若干个钻头切削齿，其特征在于：所述钻头体心部设有与钻头体可相对移动的破碎钻头、用于嵌入破碎钻头的嵌入槽和驱动破碎钻头移动的顶出机构，所述顶出机构与所述破碎钻头固定连接；顶出前，所述破碎钻头与所述钻头体间隙配合。

2.根据权利要求1所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述顶出机构包括顶出块和螺纹管，所述螺纹管穿设在所述钻头体内并与所述钻头体螺纹连接，所述顶出块设置在所述嵌入槽内，且所述顶出块一端与螺纹管固定连接，另一端与所述破碎钻头可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述破碎钻头的钻面覆盖区域占所述钻头体的钻面覆盖区域的45％。

4.根据权利要求1所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述破碎钻头与所述钻头体间设有若干个浮动支撑块，若干个所述浮动支撑块均匀镶嵌在所述嵌入槽的内壁上，且所述浮动支撑块的材质采用TPU材料。

5.根据权利要求4所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述浮动支撑块内设有空心腔，所述空心腔内充填有低熔点金属。

6.根据权利要求5所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述低熔点金属为熔点在85℃-105℃的铟基铋基合金。

7.根据权利要求4、5或6任意一项所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述浮动支撑块的厚度为6mm-9mm。

8.根据权利要求1所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述刀翼包括主刀翼和副刀翼，所述主刀翼和副刀翼的数量均为三个，所述主刀翼沿钻头体的周向均布，所述副刀翼沿钻头体的周向均布且与所述主刀翼间隔设置。

9.根据权利要求1所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述破碎钻头的切削轮廓面呈球冠面，且球冠面弧度为π/3。

10.根据权利要求9所述的一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，其特征在于：所述钻头体的切削轮廓面呈球冠面，且所述破碎钻头的切削轮廓面的半径与所述钻头体切削轮廓面的半径相同。