CN110185399A - 一种减缓破岩冲击力的全向变角pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，属于钻井工程装备领域；该全向变角PDC钻头由全向变角齿、非变角齿、刀翼、基体组成；所述的全向变角齿和非变角齿焊接、镶嵌、粘接或螺纹连接在刀翼的齿槽内；所述全向变角齿的安装个数大于等于一；所述刀翼和基体为一体式烧结或机械加工成形；采用该发明能够实现PDC钻头齿前倾角和侧转角的联动调整，角度的大小能根据地层软硬程度进行自适应调节，减小PDC齿的磨损率，同时能实现PDC齿齿刃上任意位置的储能与释能，有效缓解切削元件上的冲击力，钻头寿命长，钻井效率高。
Description
技术领域：
本发明涉及一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，属于钻井工程装备领域。
背景技术：
PDC钻头是油气勘探开发中的主力钻井装备，我国85％以上的油气钻井进尺由PDC钻头完成。然而，在PDC钻头破岩过程中，由于受岩石的反作用力，PDC钻头上的切削齿会发生磨损和冲击性损坏等现象，尤其在软硬交错等复杂地层中，冲击性损坏尤为普遍，严重影响钻头寿命和钻井效率，这已成为制约PDC钻头进一步发展的主要瓶颈。
针对上述问题，诸多学者开展了可减缓冲击力的PDC钻头和齿的结构设计工作。在实用新型专利“一种具有柔性切削结构的金刚石钻头”(申请号为：2001820353452.1)中，公开了一种具有缓冲作用的缓冲切削模块，其主要是在钻头体与切削元件之间安装缓冲件，由螺栓或螺钉进行钻头体、切削元件和缓冲件的连接，依靠缓冲件降低PDC齿所受的冲击力；在实用新型“具有减振功能的切削齿以及采用该切削齿的金刚石钻头”(申请号为：2001820353860.7)中，公布了一种具有减振功能的切削齿，其主要有中心齿、基座和弹性元件组成，在中心齿基体下方设置弹性元件，提高了切削齿的抗冲击性；在发明专利“用于抑止钻具粘滑振动的自适应限位齿控制单元和钻头”(申请号为：2001810605624.4)中，依靠限位齿的弹性伸缩，可有效消除钻头的振动，起到了一定的缓冲作用。
但是，在包括上述专利技术的现有技术中，弹性缓冲或减振机构多为移动副，只能进行某方向上的移动，不能对切削元件的前倾角和侧转角进行调整，这不符合“地层越硬，切削齿的前倾角应越大”的布齿设计原则，因此，这造成两个问题：一、由于切削元件的前倾角和侧转角始终不变，对冲击力的缓解能力有限，在某些极限复杂地层条件下，PDC齿仍有可能发生冲击性损坏；二、由于切削平面的角度不变，不能针对不同的地层进行前倾角和侧转角的调节，容易造成PDC齿的过快磨损或失效。上述的前倾角和侧转角为钻头布齿设计领域内的公知性概念，在此不再赘述。
为进一步增强PDC钻头的抗冲击性，提高PDC钻头对地层的自适应能力，基于“地层越硬，前倾角应该越大”的设计原则，特提出了一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，以实现PDC钻头齿前倾角和侧转角的全面可调，增强PDC钻头的地层自适应能力和抗冲击性，延长钻头寿命，提高钻井效率。
发明内容：
本发明提供一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，旨在解决，目前PDC钻头的弹性缓冲结构不能实现PDC齿前倾角和侧转角的可调，造成PDC钻头不具备地层自适应角度调节功能、缓冲能力有限，进而使PDC钻头容易发生快速磨损、冲击性损坏和失效的问题。采用本发明能够使PDC钻头在破岩过程中，根据地层的软硬程度或者局部载荷大小情况，进行切削齿前倾角和侧转角的自我弹性缓冲调节，增强了钻头对地层的自适应性和抗冲击性，进而能够提升PDC钻头的寿命以及钻井效率。
本发明实现其目的所采用的技术方案是：
本发明一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，由全向变角齿、非变角齿、刀翼、基体组成；所述的全向变角齿和非变角齿焊接、镶嵌、粘接或螺纹连接在刀翼的齿槽内；所述全向变角齿的安装个数大于等于一，所述非变角齿的安装个数大于等于零；所述刀翼和基体为一体式烧结或机械加工成形。
所述非变角齿的类型包括圆形齿、椭圆形齿、楔形齿、锥形齿、球形齿和空间曲面齿。
所述的全向变角齿，由切削元件、支撑件、全向转动球、半止动环、圆锥销、滚珠支撑座、封装盒、滚珠集合和弹性缓冲环装配而成。
所述的切削元件和支撑件具有相同的尺寸外形，切削元件和支撑件的外形形状包括圆形、椭圆形、锥形、三角形、四边形以及多边形或它们的组合形体。
所述的全向转动球由上端面、上球体面、凸环止动面、凸环外球面、凸环弹性配合面、下球体面共六个曲面围成；
所述的半止动环由球副止动面、偏角止动面、中部销孔组成；
所述的滚珠支撑座由外曲面、支撑环、内部曲面、内部销孔组成；
所述的封装盒为带底空心圆柱，外侧开有封装销孔；
所述的滚珠集合由n个球形滚珠组成，n≥3；
所述的弹性缓冲环由四个曲面围成，分别为外侧面、下侧面、上侧面和内侧面。
所述全向转动球的上端面焊接支撑件；上球体面与球副止动面相配合；凸环外球面与外曲面相配合；凸环弹性配合面与上侧面相配合；下球体面与滚珠集合相联接，形成滚动副；切削元件具有最大偏转角度时，凸环止动面与偏角止动面相重合；
所述的弹性缓冲环的外侧面与外曲面相配合，下侧面与支撑环相配合，内侧面与下球体面相配合；
所述滚珠支撑座的内部曲面上放置有滚珠集合，形成滚动副；
所述的圆锥销依次穿过封装销孔、中部销孔和内部销孔，对封装盒、半止动环和滚珠支撑座进行紧固。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、全向变角PDC钻头齿内设置有球副，实现了前倾角和侧转角的联动调整，切削姿态更加灵活、角度调整范围大，对地层的自适应能力强；2、全向变角PDC钻头齿内设弹性缓冲环以及球副，实现了PDC四周齿刃任意位置上的储能与释能，能够具有针对性的缓解切削元件上的冲击力，减少齿的冲击性损坏；3、自适应全向变角PDC钻头齿的切削角度的大小可根据地层软硬程度进行自适应调节，使切削元件的切削刃在切削局部硬岩时具有良好的切削姿态和受力状况，减小了PDC齿的磨损率；4、全向变角PDC钻头具有抗冲击性能力强、磨损速率低、对地层适应能力强的特征，钻头寿命长，钻井效率高。
附图说明：
图1为本发明实施例提供的一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头示意图；
图2为本发明实施例提供的全向变角齿的爆炸图；
图3为全向转动球的三维示意图；
图4为半止动环的三维示意图；
图5为滚珠支撑座的剖视图；
图6为封装盒的三维示意图；
图7为滚珠集合的三维示意图；
图8为弹性缓冲环的剖视图和俯视图；
图9为全向变角齿的工作原理图；
图10为全向变角PDC钻头的扩展应用示意图。
图中：1.全向变角齿；101.本体轴线；102.切削轴线；11.切削元件；111.切削刃；12.支撑件；13.全向转动球；130.上端面；131.上球体面；132.凸环止动面；133.凸环外球面；134.凸环弹性配合面；135.下球体面；14.半止动环；141.球副止动面；142.偏角止动面；143.中部销孔；15.圆锥销；16.滚珠支撑座；161.外曲面；162.支撑环；163.内部曲面；164.内部销孔；17.封装盒；171.封装销孔；18.滚珠集合；181.球形滚珠；19.弹性缓冲环；191.外侧面；192.下侧面；193.上侧面；194.内侧面；2.非变角齿；3.刀翼；31.齿槽；4.基体；5.局部硬岩；6.牙轮。
具体实施方法：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
基础实施例1：
如图1所示，本发明一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，由全向变角齿1、非变角齿2、刀翼3、基体4组成；所述的全向变角齿1和非变角齿2焊接、镶嵌、粘接或螺纹连接在刀翼3的齿槽31内；所述全向变角齿1的安装个数大于等于一，所述非变角齿2的安装个数大于等于零；所述刀翼3和基体4为一体式烧结或机械加工成形。
所述非变角齿2的类型包括圆形齿、椭圆形齿、楔形齿、锥形齿、球形齿和空间曲面齿。
如图2所示，所述的全向变角齿1，由切削元件11、支撑件12、全向转动球13、半止动环14、圆锥销15、滚珠支撑座16、封装盒17、滚珠集合18和弹性缓冲环19装配而成。
所述的切削元件11和支撑件12具有相同的尺寸外形，切削元件11和支撑件12的外形形状包括圆形、椭圆形、锥形、三角形、四边形以及多边形或它们的组合形体。
如图3所示，所述的全向转动球13由上端面130、上球体面131、凸环止动面132、凸环外球面133、凸环弹性配合面134、下球体面135共六个曲面围成；
如图4所示，所述的半止动环14由球副止动面141、偏角止动面142、中部销孔143组成；
如图5所示，所述的滚珠支撑座16由外曲面161、支撑环162、内部曲面163、内部销孔164组成；
如图6所示，所述的封装盒17为带底空心圆柱，外侧开有封装销孔171；
如图7所示，所述的滚珠集合18由n个球形滚珠181组成，n≥3；
如图8所示，所述的弹性缓冲环19由四个曲面围成，分别为外侧面191、下侧面192、上侧面193和内侧面194。
所述全向转动球13的上端面130焊接支撑件12；上球体面131与球副止动面141相配合；凸环外球面133与外曲面161相配合；凸环弹性配合面134与上侧面193相配合；下球体面135与滚珠集合18相联接，形成滚动副；切削元件11具有最大偏转角度时，凸环止动面132与偏角止动面142相重合；
所述的弹性缓冲环19的外侧面191与外曲面161相配合，下侧面192与支撑环162相配合，内侧面194与下球体面135相配合；
所述滚珠支撑座16的内部曲面163上放置有滚珠集合18，形成滚动副；
所述的圆锥销15依次穿过封装销孔171、中部销孔143和内部销孔164，对封装盒17、半止动环14和滚珠支撑座16进行紧固。
实施例2：全向变角齿1的装配
本发明一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，其全向变角齿1的组装过程是：首先将滚珠集合18放置在滚珠支撑座16的内部曲面163上，然后将弹性缓冲环19放置在滚珠支撑座16的支撑环162上，之后将焊接有切削元件11和支撑件12的全向转动球13放置在弹性缓冲环19上，将两个半止动环14分别扣装在滚珠支撑座16的外侧，最后套装上封装盒17，并利用圆锥销15锁紧该切削齿，形成的全向变角齿1如图9(a)所示。
实施例3：全向变角PDC钻头的工作原理
如图9所示，本发明一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，依靠刀翼3上安装的全向变角齿1进行自适应全向变角调整：
①全向变角度：钻头上全向变角齿1中内置的全向转动球13和滚珠支撑座16间形成了滚动副，进而使全向转动球13和滚珠支撑座16之间实现了全向的转动，使切削元件11能够进行空间变角度调整；
②减缓冲击力：在中软地层中，全向变角齿1的前倾角和侧转角不会发生变化或者变化很小，此时本体轴线101和切削元件11的切削轴线102基本重合，如图9(a)；当突然遇到局部硬岩5时，如图9(b)-(d)所示，焊接有切削元件11和支撑件12的全向转动球13会向着局部硬岩5的方向转动，使前倾角和侧转角发生联动变化，同时弹性缓冲环19能储存一部分由切削局部硬岩5产生的冲击能量，进而降低切削元件11上的载荷，起到减缓冲击作用；
③对地层软硬程度自适应：全向转动球13的结构设计实现了切削元件11的全方位变角度，该角度能表征为本体轴线101和切削轴线102之间的夹角，该夹角的大小是由地层软硬程度和弹性缓冲环19的弹性模量综合确定的，该夹角的方向由局部硬岩5与切削元件11的接触位置确定，当弹性缓冲环19的弹性模量确定时，夹角随着局部硬岩5破碎强度的增加而增加，使切削元件11的切削刃111在切削局部硬岩5时具有良好的切削姿态和受力状况，大幅提高了PDC钻头对地层软硬程度的自适应能力，PDC钻头寿命得以提高，钻井效率得以提升。
实施例4：扩展应用
安装有全向变角齿1的PDC刀翼3，可与牙轮钻头、激光钻头、金刚石钻头等组合成复合钻头，以提升复合钻头的破岩性能，如图10所示，安装有全向变角齿1的PDC刀翼3与牙轮6组合形成了复合钻头。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.本发明一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，由全向变角齿(1)、非变角齿(2)、刀翼(3)、基体(4)组成；所述的全向变角齿(1)和非变角齿(2)焊接、镶嵌、粘接或螺纹连接在刀翼(3)的齿槽(31)内；所述全向变角齿(1)的安装个数大于等于一，所述非变角齿(2)的安装个数大于等于零；所述刀翼(3)和基体(4)为一体式烧结或机械加工成形。
2.如权利要求1所述的一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，其特征在于：所述非变角齿(2)的类型包括圆形齿、椭圆形齿、楔形齿、锥形齿、球形齿和空间曲面齿。
3.如权利要求1所述的一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，其特征在于：所述的全向变角齿(1)，由切削元件(11)、支撑件(12)、全向转动球(13)、半止动环(14)、圆锥销(15)、滚珠支撑座(16)、封装盒(17)、滚珠集合(18)和弹性缓冲环(19)装配而成。
4.如权利要求1所述的一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，其特征在于：所述的切削元件(11)和支撑件(12)具有相同的尺寸外形，切削元件(11)和支撑件(12)的外形形状包括圆形、椭圆形、锥形、三角形、四边形以及多边形或它们的组合形体。
5.如权利要求1所述的一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，其特征在于：
所述的全向转动球(13)由上端面(130)、上球体面(131)、凸环止动面(132)、凸环外球面(133)、凸环弹性配合面(134)、下球体面(135)共六个曲面围成；
所述的半止动环(14)由球副止动面(141)、偏角止动面(142)、中部销孔(143)组成：
所述的滚珠支撑座(16)由外曲面(161)、支撑环(162)、内部曲面(163)、内部销孔(164)组成；
所述的封装盒(17)为带底空心圆柱，外侧开有封装销孔(171)；
所述的滚珠集合(18)由n个球形滚珠(181)组成，n≥3；
所述的弹性缓冲环(19)由四个曲面围成，分别为外侧面(191)、下侧面(192)、上侧面(193)和内侧面(194)。
6.如权利要求1所述的一种减缓破岩冲击力的全向变角PDC钻头，其特征在于：
所述全向转动球(13)的上端面(130)焊接支撑件(12)；上球体面(131)与球副止动面(141)相配合；凸环外球面(133)与外曲面(161)相配合；凸环弹性配合面(134)与上侧面(193)相配合；下球体面(135)与滚珠集合(18)相联接，形成滚动副；切削元件(11)具有最大偏转角度时，凸环止动面(132)与偏角止动面(142)相重合；
所述的弹性缓冲环(19)的外侧面(191)与外曲面(161)相配合，下侧面(192)与支撑环(162)相配合，内侧面(194)与下球体面(135)相配合；
所述滚珠支撑座(16)的内部曲面(163)上放置有滚珠集合(18)，形成滚动副；
所述的圆锥销(15)依次穿过封装销孔(171)、中部销孔(143)和内部销孔(164)，对封装盒(17)、半止动环(14)和滚珠支撑座(16)进行紧固。
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