CN108731935A - 多功能组合式pdc齿钻进实验夹具的具头及实验夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头及实验夹具，该具头通过不同的安装形式，可以组成不同的夹具，完成不同的组合式、模块化实验，以模拟不同冠部形状的PDC钻头齿，可实现切削齿后倾角、布齿密度、切削齿中心距等切削齿参数的调节，还可模拟不同刀翼数量的钻头。因此，可以在实验室中通过组合的方式模拟PDC钻头不同部位切削齿的实际工况，便于研究其单个参数对PDC钻头整体受力的影响。

Description

多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头及实验夹具

技术领域

本发明涉及钻头性能测试实验装置技术领域，特别是涉及一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头及实验夹具。

背景技术

PDC钻头是地质钻探行业常用的一种钻井工具，广泛应用于软到中硬的均质地层钻进，具有钻速高、寿命长等特点。随着钻探深度的不断加深，地质条件越来越复杂，钻头磨损严重，寿命大大降低，严重影响了钻进效率。为提高钻头性能，降低钻探成本，国内外众多科研院所开展了PDC钻头性能实验研究，对PDC钻头结构参数(钻头直径、冠部形状、布齿密度、切削齿结构、刀翼结构及数量等)和切削参数(切削角度、切削深度)进行优化设计，以提高PDC钻头适应性，提高钻进效率，延长使用寿命。

目前对PDC钻头的试验方法主要采用全钻头进行试验，将结构参数和切削参数等多因素耦合分析，这能高度还原井下实际钻进条件，综合考虑钻头的切削性能，但是其对钻头单个影响因素和不同部位的微观磨损进行分析时，往往由于尺寸限制，很难进行微观尺度的形貌、成分等分析，严重限制了钻头性能研究的水平而且全尺寸钻头模拟试验，成本高、试验后局部详细研究处理繁琐、无法展开大批量试验。

为此，众研究人员开展单齿破岩模拟实验研究，可以很好地解决独立分析影响钻头钻进因素，微观观察等问题。但单齿试验多采用固定式实验夹具，一种夹具仅能实现一种切削齿参数的测试，需要试验多种参数组合研究时，在更换不同角度和更换不同尺寸的PDC齿时，需要设计不同的PDC夹具，并且需要频繁拆卸PDC齿，费时费力、成本高。而且单齿实验时，无法研究钻头冠部形状、布齿密度对切削齿性能的综合影响，对真实钻进环境的模拟存在很大的不足，存在实验结果与实际相差太大的问题。

因此，有必要提供一种可实现多种PDC钻头切削齿钻进参数模拟实验的PDC齿实验夹具，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、拆装方便的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，包括固定平台、转动体、定位螺栓、PDC齿和侧面固定螺栓，所述转动体下部设置有一用以容纳所述固定平台上部的凹槽，所述凹槽具有两个槽壁，所述定位螺栓穿过所述固定平台的中部和所述凹槽的两个槽壁并与一锁紧件螺纹连接，所述固定平台和所述转动体通过所述定位螺栓转动连接，所述固定平台与所述转动体通过限位结构相互固定，所述转动体上远离所述固定平台的一端设置有顶面槽，所述顶面槽具有四个槽壁，所述PDC齿设置于所述顶面槽内，所述PDC齿通过所述侧面固定螺栓固定，所述侧面固定螺栓穿过所述顶面槽的一个槽壁并与所述槽壁螺纹连接，所述固定平台的底面上设置有条状凸起，所述条状凸起平行于所述定位螺栓。

优选地，所述限位结构为调节螺栓，所述凹槽的两个槽壁上相对设置有多个第一定位通孔，所述第一定位通孔沿纵向呈线性分布于所述转动体上，所述固定平台上设置有多个第二定位通孔，所述第二定位通孔在所述固定平台上呈曲线状分布，任一所述第二定位通孔与所述定位螺栓的间距均与两个所述第一定位通孔与所述定位螺栓的间距相同，所述调节螺栓用以穿过两个所述第一定位通孔和一所述第二定位通孔并与一锁紧件螺纹连接。

优选地，所述PDC齿上套设有橡胶套，所述橡胶套与所述侧面固定螺栓之间设置有活动调节器，所述活动调节器滑动设置于所述顶面槽内。

优选地，所述活动调节器包括用于与所述橡胶套贴合的内凹面和与所述内凹面相对的承压面，所述承压面上设置有侧面固定孔，所述侧面固定螺栓插入所述侧面固定孔内

本发明还公开了一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，包括所述具头，还包括底座，所述底座包括螺纹轴和用以固定所述固定平台的柱体，所述螺纹轴设置于所述柱体的底面上，所述柱体的横截面为正多边形或倒角后的正多边形，所述柱体包括多个侧平面，所述固定平台通过所述定位螺栓螺纹连接于所述侧平面上。

优选地，所述柱体的横截面为正三角形或倒角后的正三角形。

本发明还公开了另一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，包括所述具头，还包括底盘，所述底盘上设置有多个沿径向均匀分布的用以容纳所述条状凸起的固定平台定位槽，所述固定平台定位槽的两侧均设置有多个呈线性分布的定位通孔，所述条状凸起的两侧设置有螺纹孔，所述螺纹孔用以和紧固件螺纹连接，所述定位通孔用以供所述紧固件穿过。

优选地，所述固定平台与所述底盘之间还设置有垫片，所述垫片上设置有供所述紧固件穿过的通孔。

可选地，所述固定平台定位槽为三个，相邻所述固定平台定位槽的夹角为120度。

可选地，所述固定平台定位槽为四个，相邻所述固定平台定位槽的夹角为90度。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明公开的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，通过改变固定平台和转动体的相对角度，可以实现调节安装于转动体上PDC齿的后倾角的功能，结构简单，拆装方便。该具头通过不同的安装形式，可以组成不同的夹具，完成不同的组合式、模块化实验。

本发明还公开了一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，包括所述具头和底座，底座包括螺纹轴和用以固定安装固定平台的柱体，螺纹轴设置于柱体的底面上，固定平台通过定位螺栓螺纹连接于底座的侧平面上。按照这种组合方式，可通过调整柱体的形状，实现模拟不同刀翼数量的PDC钻头的功能；也可通过调整柱体的尺寸，从而模拟PDC钻头不同的布齿密度和中心距。

本发明还公开了另一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，包括所述具头和底盘，底盘上设置有多个沿径向均匀分布的用以容纳条状凸起的固定平台定位槽，固定平台定位槽的两侧均设置有多个呈线性分布的定位通孔，条状凸起的两侧设置有螺纹孔，螺纹孔用以和紧固件螺纹连接，定位通孔用以供紧固件穿过，固定平台与底盘之间还设置有垫片。按照这种组合方式，可通过更换底盘，自由选择固定平台定位槽的数量，以实现不同刀翼数量钻头冠部形状的模拟实验；也可通过调节垫片的多寡即可调节上部PDC齿的高度，从而模拟调节PDC钻头冠部形状；还可以调节固定平台在固定平台定位槽上的位置，实现不同冠部部位齿的实验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为固定平台的结构示意图；

图3为转动体的结构示意图；

图4为橡胶套的结构示意图；

图5为PDC齿的结构示意图；

图6为活动调节器的结构示意图；

图7为本发明实施例2的结构示意图；

图8为底座的结构示意图；

图9为本发明实施例3的一种结构示意图；

图10为本发明实施例3的另一种结构示意图；

图11为垫片的结构示意图；

附图标记说明：11底盘；111固定平台定位槽；112定位通孔；12垫片；21底座；211螺纹轴；212底座定位孔；213底座固定孔；31固定平台；311固定螺栓；312定位螺栓；313第二定位通孔；314固定平台固定孔；315固定平台定位孔；41转动体；411第一定位通孔；412调节螺栓；413转动体固定孔；414顶面槽；415侧面定位孔；42橡胶套；43PDC齿；44活动调节器；441侧面固定孔；45侧面固定螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种结构简单、拆装方便的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1、

如图1-6所示，本实施例提供一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，包括固定平台31、转动体41、定位螺栓312、PDC齿43和侧面固定螺栓45。该具头通过不同的安装形式，可以组成不同的夹具，完成不同的组合式、模块化实验。

如图1-3所示，转动体41下部设置有一用以容纳固定平台31上部的凹槽，凹槽具有两个槽壁，定位螺栓312穿过固定平台31的中部和凹槽的两个槽壁并与一锁紧件螺纹连接。固定平台31和转动体41通过定位螺栓312转动连接，固定平台31与转动体41通过限位结构相互固定。将固定平台31和转动体41的相对角度调整好后，通过限位结构将固定平台31和转动体41相对固定，即可锁定该相对角度。

限位结构的形式有多种，本领域技术人员可根据需要进行选择。本实施例中，限位结构为调节螺栓412。如图2-3所示，凹槽的两个槽壁上相对设置有多个第一定位通孔411，第一定位通孔411沿纵向呈线性分布于转动体41的中心线上。固定平台31上设置有与第一定位通孔411数量相同的第二定位通孔313，第二定位通孔313在固定平台31上呈曲线状分布。对于任意一个第二定位通孔313，均对应有两个第一定位通孔411，这两个第一定位通孔411分别位于凹槽的两个槽壁上，使这三个通孔与定位螺栓312的间距均相同，因而调节螺栓412可以穿过这两个第一定位通孔411和一个第二定位通孔313并与一锁紧件螺纹连接，实现将固定平台31和转动体41相对固定。当需要调整固定平台31和转动体41的相对角度时，取下调节螺栓412，将转动体41转过一定角度，得到另外三个重合的通孔，即两个第一定位通孔411和一个第二定位通孔313，然后使调节螺栓412穿过这三个通孔并与一锁紧件螺纹连接即可。通过改变固定平台31和转动体41的相对角度，可以实现调节安装于转动体41上PDC齿43的后倾角的功能，结构简单，拆装方便。

如图3所示，转动体41上远离固定平台31的一端设置有顶面槽414，顶面槽414具有四个槽壁，PDC齿43设置于顶面槽414内，PDC齿43通过侧面固定螺栓45固定，侧面固定螺栓45穿过顶面槽414的一个槽壁并与槽壁螺纹连接，顶面槽414的槽壁上设置有用于与侧面固定螺栓45螺纹连接的侧面定位孔415。旋转侧面固定螺栓45即可对PDC齿43施加定位压力，实现PDC齿43的定位。

如图1所示，本实施例中固定平台31的底面上设置有条状凸起，条状凸起平行于定位螺栓312。该条状凸起可与槽形结构配合，以便于安装，同时也能够提高工作时结构的稳定性。通过该条状凸起在槽形结构内的滑动，可实现模拟PDC钻头布齿密度和中心距的功能。

进一步的，PDC齿43上套设有橡胶套42，橡胶套42的结构如图4所示。橡胶套42与侧面固定螺栓45之间设置有活动调节器44，活动调节器44滑动设置于顶面槽414内，活动调节器44的结构如图6所示。通过设置活动调节器44，可以实现夹紧一定尺寸范围内的各类PDC切削齿。

具体地，本实施例中的活动调节器44包括用于与橡胶套42贴合的内凹面和与内凹面相对的承压面，承压面上设置有侧面固定孔441，侧面固定螺栓45插入侧面固定孔441内。

实施例2、

如图1-2和图7-8所示，本实施例提供一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，包括实施例1中的具头，还包括底座21。

如图8所示，底座21包括螺纹轴211和用以固定安装固定平台31的柱体，螺纹轴211设置于柱体的底面上，螺纹轴211可以固定于某个基座上。柱体的横截面为正多边形或倒角后的正多边形，柱体包括多个侧平面，固定平台31通过定位螺栓312螺纹连接于侧平面上，以实现PDC齿43在圆周方向的均匀分布。

如图1、图2和图8所示侧平面上设置有两个底座定位孔212和一个底座固定孔213，其中底座定位孔212用以和定位螺栓312螺纹连接，底座固定孔213用以和固定螺栓311螺纹连接。转动体41和固定平台31上与底座固定孔213对应位置处分别设置有转动体固定孔413和固定平台固定孔314，供固定螺栓311穿过，使转动体41和固定平台31转动连接。固定平台31上与底座定位孔212对应位置处设置有固定平台定位孔315，供定位螺栓312穿过，对固定平台31进行定位。

本实施例中，柱体的横截面为正三角形或倒角后的正三角形，对应的PDC齿43为三个。本领域技术人员可根据实际需要调整柱体的形状，以实现模拟不同刀翼数量的PDC钻头的功能；本领域技术人员也可根据实际需要调整柱体的尺寸，从而模拟PDC钻头不同的布齿密度和中心距。

实施例3、

如图9-图11所示，本实施例提供一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，包括实施例1中的具头，还包括底盘11。

为了实现模拟PDC钻头布齿密度和中心距的功能，本实施例在底盘11上设置有多个沿径向均匀分布的用以容纳条状凸起的固定平台定位槽111，固定平台定位槽111的两侧均设置有多个呈线性分布的定位通孔112，条状凸起的两侧设置有螺纹孔，螺纹孔用以和紧固件螺纹连接，定位通孔112用以供紧固件穿过。

如图11所示，为了能够改变PDC齿43的高度从而模拟调节PDC钻头冠部形状，也为了提高整体结构的稳定性，提升结构的缓冲吸振能力，延长各部件的使用寿命，本实施例在固定平台31与底盘11之间还设置有垫片12，垫片12上设置有供紧固件穿过的通孔，通过调节垫片12的多寡即可调节上部PDC齿43的高度。

图9中，底盘11上固定平台定位槽111为三个，相邻固定平台定位槽111的夹角为120度，以模拟三刀翼钻头形貌；图10中，底盘11上固定平台定位槽111为四个，相邻固定平台定位槽111的夹角为90度，以模拟四刀翼钻头形貌。本领域技术人员可通过更换底盘11，自由选择固定平台定位槽111的数量，以实现不同刀翼数量钻头冠部形状的模拟实验。

本实施例提供的实验夹具，除可实现不同切削角度、不同切削齿等参数的模拟实验外，还可调节具头在固定平台定位槽111上的位置，实现不同冠部部位齿的实验。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，其特征在于，包括固定平台、转动体、定位螺栓、PDC齿和侧面固定螺栓，所述转动体下部设置有一用以容纳所述固定平台上部的凹槽，所述凹槽具有两个槽壁，所述定位螺栓穿过所述固定平台的中部和所述凹槽的两个槽壁并与一锁紧件螺纹连接，所述固定平台和所述转动体通过所述定位螺栓转动连接，所述固定平台与所述转动体通过限位结构相互固定，所述转动体上远离所述固定平台的一端设置有顶面槽，所述顶面槽具有四个槽壁，所述PDC齿设置于所述顶面槽内，所述PDC齿通过所述侧面固定螺栓固定，所述侧面固定螺栓穿过所述顶面槽的一个槽壁并与所述槽壁螺纹连接，所述固定平台的底面上设置有条状凸起，所述条状凸起平行于所述定位螺栓。

2.根据权利要求1所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，其特征在于，所述限位结构为调节螺栓，所述凹槽的两个槽壁上相对设置有多个第一定位通孔，所述第一定位通孔沿纵向呈线性分布于所述转动体上，所述固定平台上设置有多个第二定位通孔，所述第二定位通孔在所述固定平台上呈曲线状分布，任一所述第二定位通孔与所述定位螺栓的间距均与两个所述第一定位通孔与所述定位螺栓的间距相同，所述调节螺栓用以穿过两个所述第一定位通孔和一所述第二定位通孔并与一锁紧件螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，其特征在于，所述PDC齿上套设有橡胶套，所述橡胶套与所述侧面固定螺栓之间设置有活动调节器，所述活动调节器滑动设置于所述顶面槽内。

4.根据权利要求3所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具的具头，其特征在于，所述活动调节器包括用于与所述橡胶套贴合的内凹面和与所述内凹面相对的承压面，所述承压面上设置有侧面固定孔，所述侧面固定螺栓插入所述侧面固定孔内。

5.一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的具头，还包括底座，所述底座包括螺纹轴和用以固定所述固定平台的柱体，所述螺纹轴设置于所述柱体的底面上，所述柱体的横截面为正多边形或倒角后的正多边形，所述柱体包括多个侧平面，所述固定平台通过所述定位螺栓螺纹连接于所述侧平面上。

6.根据权利要求5所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，其特征在于，所述柱体的横截面为正三角形或倒角后的正三角形。

7.一种多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的具头，还包括底盘，所述底盘上设置有多个沿径向均匀分布的用以容纳所述条状凸起的固定平台定位槽，所述固定平台定位槽的两侧均设置有多个呈线性分布的定位通孔，所述条状凸起的两侧设置有螺纹孔，所述螺纹孔用以和紧固件螺纹连接，所述定位通孔用以供所述紧固件穿过。

8.根据权利要求7所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，其特征在于，所述固定平台与所述底盘之间还设置有垫片，所述垫片上设置有供所述紧固件穿过的通孔。

9.根据权利要求7所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，其特征在于，所述固定平台定位槽为三个，相邻所述固定平台定位槽的夹角为120度。

10.根据权利要求7所述的多功能组合式PDC齿钻进实验夹具，其特征在于，所述固定平台定位槽为四个，相邻所述固定平台定位槽的夹角为90度。