CN110331940B - 一种聚晶金刚石防墩击钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚晶金刚石防墩击钻头，包括钻体，所述钻体的下侧固接有刀翼，所述刀翼的下侧设置有掘进齿和防墩组件，所述掘进齿为PDC复合片，所述防墩组件包括可上下移动的抗冲击齿、驱使抗冲击齿上下移动的动作机构，所述抗冲击齿具有移动行程，所述抗冲击齿位于移动行程的下端时，所述抗冲击齿高于所述掘进齿。设置可上下移动的抗冲击齿，当钻头在硬质地层上向下钻进过程中遇到软质地层或者空洞，动作机构驱使抗冲击齿下移至移动行程末端使其高于掘进齿，使得其下落碰撞硬质地层时抗冲击齿能够承受冲击力，避免PDC复合片掘进齿崩坏。本发明涉及钻井领域。

Description

一种聚晶金刚石防墩击钻头

技术领域

本发明涉及钻井领域，特别是一种聚晶金刚石防墩击钻头。

背景技术

聚晶金刚石(PDC)复合片是由聚晶金刚石和硬质合金基体构成的一种复合材料，具有聚晶金刚石的超高硬度，并且具有一定的韧性和抗冲击性能，是一种重要的超硬刀具材料。由于地层成因复杂多变，硬质地层内时常会出现空洞或软质地层。PDC钻头用于钻井的工况下，由于在钻进硬地层状态下需要施加较大钻压，遇到空洞或软质地层时，钻走阻力变小转速加快，并且钻头在钻压的作用下下冲，直至往下遇到硬质地层的阻碍产生巨大的墩击才停止。钻头产生墩击时PDC复合片首先与硬质岩层撞击，PDC复合片自身抗冲击能力有限，PDC复合片易崩损，对PDC钻头的使用寿命存在较大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种聚晶金刚石防墩击钻头

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种聚晶金刚石防墩击钻头，包括钻体，所述钻体的下侧固接有刀翼，所述刀翼的下侧设置有掘进齿和防墩组件，所述掘进齿为聚晶金刚石复合片，所述防墩组件包括可上下移动的抗冲击齿、驱使抗冲击齿上下移动的动作机构，所述抗冲击齿具有移动行程，所述抗冲击齿位于移动行程的下端时，所述抗冲击齿高于所述掘进齿。

本发明的有益效果是：设置可上下移动的抗冲击齿，当钻头在硬质地层上向下钻进过程中遇到软质地层或者空洞，动作机构驱使抗冲击齿下移至移动行程末端使其高于掘进齿，使得其下落碰撞硬质地层时抗冲击齿能够承受冲击力，防止直接墩击PDC复合片，避免PDC复合片掘进齿崩坏。

作为上述技术方案的进一步改进，所述钻体可旋转，所述钻体旋转速度增大时，所述动作机构使所述抗冲击齿下移。当钻头在硬质地层上向下钻进过程中遇到软质地层或者空洞，钻头的阻力变小，钻体的旋转速度增大，继而产生较大向心力，以该变量的变化作为动作机构驱使抗冲击齿下移的指标，能够很好地契合动作机构遇到软质地层或者空洞的状况。

作为上述技术方案的进一步改进，所述动作机构包括基体、锁止片、向心驱动块，所述基体固接在刀翼上，所述基体包括导孔和滑孔，所述滑孔的轴线与所述钻体的旋转轴互相平行设置，所述抗冲击齿沿滑孔滑动，所述导孔的轴线与所述钻体的旋转轴相垂直，所述向心驱动块沿导孔滑动，所述向心驱动块的左侧设有驱动部，所述驱动部穿出导孔，所述驱动部的上侧设置有限位块，所述驱动部的下侧设置有斜向设置的驱动面，所述驱动面与所述抗冲击齿的上侧抵接；所述锁止片具有弹性，所述锁止片的两端分别与滑孔的内壁和抗冲击齿的顶面固接，所述锁止片为抗冲击齿提供向上的拉力，锁止片与滑孔的内壁的相接处位于限位块的上方，所述锁止片包括设置在限位块上方的止回段，所述止回段呈倒“凵”形，所述限位块位于止回段内时，所述抗冲击齿高于掘进齿。

该动作机构的动作原理如下：初始状态下，锁止片对抗冲击齿产生向上的拉力使得其超出刀翼的高度矮于掘进齿，从而钻进过程中能够保证掘进齿处于工作状态，减少对抗冲击齿的磨损，抗冲击齿其材料可以选用硬质合金，硬质合金的耐磨性要比PDC复合片低但其具有良好的韧性，承受冲击时不易崩裂，以上设置避免抗冲击齿磨损，能够保证抗冲击齿具有良好的抗冲击性能。向心驱动块上的导块被限制在止回段外，导块不能越过止回段的外壁进入止回段内；当钻头在硬质地层上向下钻进过程中遇到软质地层或者空洞，钻头的阻力变小，钻体的旋转速度增大，继而产生较大向心力，向心驱动块在向心力的作用下越过止回段的外壁进入止回段内，同时驱动面将抗冲击齿向下顶使得其超出刀翼的高度高于掘进齿，此时在钻体旋转速度增大的状况下，完成掘进齿下移至下止位的动作。导块此时位于止回段内，导块在止回段的作用下保持顶靠抗冲击齿使得抗冲击齿保持在下止位。当钻头下移过程中遇到硬质地层时，抗冲击齿受向上的冲击力，冲击力一方面传递到锁止片上使得锁止片产生较大的向上的波动，止回段向上错动增大止回段与限位块之间的间距，另一方面抗冲击齿在冲击力的作用下具有上移的趋势，使得向心驱动齿具有右移复位的趋势，两者的共同作用下，向心驱动块右移脱出止回段，完成复位。通过以上的设置，一方面使得抗冲击齿能够在转速增大的状况下下移至下止位，并且，通过锁止片与向心驱动块的特殊设计，使得抗冲击齿能够保持在下止位不易脱出，并且抗冲击齿承受冲击能力较强。

作为上述技术方案的进一步改进，所述限位块远离所述导孔的一侧上设有导向面。设置导向面，从而更有利于向心驱动块进入止回段内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述锁止片还包括水平往复段，所述水平往复段的一端与止回段连接、另一端与抗冲击齿的上侧连接。水平往复段的设置，使得该锁止片承受向上的冲击能够在上下方向上产生更大的波动，止回段和导块之间的间隙更大，能有利于向心驱动块回位。

作为上述技术方案的进一步改进，所述向心驱动块与导孔的底壁之间还设有拉簧，拉簧的两端分别与向心驱动块和导孔底壁固接。该拉簧的设置更有利于向心驱动块回位。

作为上述技术方案的进一步改进，所述抗冲击齿的底端设置有切面，一直线或曲线以钻体的中心线为旋转轴旋转得到回转曲面，回转曲面与所述抗冲击齿的下侧交截到切面。以上设置具有如下好处，切面的设置，增大抗冲击齿与硬质地层碰撞时的作用力，使得该抗冲击齿具有破硬质地层的作用。并且，当抗冲击齿受到向上的冲击力时，冲击作用到切面上被分解为沿切面切向的切向分力以及垂直于切面的心向分力，该心向分力指向钻体的中心线，从而不会对钻体产生额外的扭转力，不会引发钻体倾侧。

作为上述技术方案的进一步改进，所述掘进齿沿竖直方向固接在刀翼的下侧，所述掘进齿包括硬质合金本体以及同时覆盖在硬质合金本体的底面和侧面上的聚晶金刚石层，所述聚晶金刚石层至少部分地伸入刀翼内。聚晶金刚石层至少部分地伸入刀翼内，并且同时覆盖在硬质合金本体的底面和侧面上，从而保证该掘进齿伸出刀翼的部分，其表面均覆盖有聚晶金刚石层。该掘进齿覆盖在底面上的聚晶金刚石层，该掘进齿以剪切破碎的形式掘进时，掘进齿底面的耐磨性大大地提升。

并且，更进一步地，该掘进齿呈圆柱状时，竖直设置的掘进齿相比水平设置的掘进齿还具有以下好处，无论掘进齿吃进地层的深度多少，切削刃(以掘进齿与地层的相接线为切削刃)的长度始终保持不变，该掘进齿的有效切削长度不会在切削过程中随着磨损而增大，掘进齿切削效率更高。

作为上述技术方案的进一步改进，所述掘进齿具有多个，多个掘进齿在钻头自内以外的方向上紧密地排布。现有技术中，水平布置的圆柱状掘进齿，掘进齿之间仅在掘进齿吃进地层的深度达到其该圆柱体的半径时才能具有存在形成连续切削刃的可能，在其他深度状态下掘进齿之间必然存在间隙，这就导致了单组沿径向的掘进齿不能形成连续的切削刃，无法正常切削。因此为了形成连续的切削刃至少需要两组交错设置的圆柱状掘进齿。而竖直设置的圆柱形掘进齿其紧密排布的状态下，其切削刃不会出现如水平布置的圆柱状掘进齿一样间断式布置，并且切削刃不随吃进底层深度而改变，从而克服了现有技术中水平布置的圆柱状掘进齿至少需要两组交错设置的掘进齿才能够形成连续切削的问题。使得掘进齿的布置更为简单，特别是在布置多组掘进齿时。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是实施例的初始状态下的结构示意图；

图2是实施例的限位块进入止回段前的结构示意图；

图3是实施例的限位块位于止回段后的结构示意图；

图4是实施例的俯视状态下切面受力分析图；

图5是实施例的圆柱状掘进齿水平布置的结构示意图；

图6是实施例的圆柱状掘进齿竖直布置的结构示意图。

附图中：1-刀翼；2-掘进齿；21-聚晶金刚石层；30-基体；3-抗冲击齿；321-止回段；322-水平往复段；331-限位块；32-锁止片；33-向心驱动块；34-拉簧；36-导孔；37-切面；4-回转曲面。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步详述：

实施例如下，参照图1至图6，图1-图3中钻体的中心线(图中未示出)均位于右侧，以下所提及的右侧其意义为靠近钻体中心线的一侧，左侧其意义为远离钻体中心线的一侧。所述动作机构包括基体30、锁止片32、向心驱动块33，所述基体30固接在刀翼1上，具体地可以是通过焊接的方式固接在刀翼1上。所述基体30包括导孔36和滑孔，所述滑孔的轴线与所述钻体的旋转轴互相平行设置，所述抗冲击齿3沿滑孔滑动，所述导孔36的轴线与所述钻体的旋转轴相垂直，所述向心驱动块33沿导孔36滑动，所述向心驱动块33的左侧设有驱动部，所述驱动部穿出导孔36，所述驱动部的上侧设置有限位块331，所述驱动部的下侧设置有斜向设置的驱动面，抗冲击齿3的上侧设置有斜面，所述驱动面与所述抗冲击齿3的斜面抵接，所述锁止片32具有弹性，所述锁止片32的右端与滑孔的内壁固接、左端与抗冲击齿3的顶面固接，其固接的具体方式可以是焊接，所述锁止片32为抗冲击齿3提供向上的拉力，锁止片32与滑孔的内壁的相接处位于限位块331的上方，所述锁止片32包括设置在限位块331上方的止回段321，止回段321的右端通过一Z形段与滑孔的内壁固接，所述止回段321呈倒“凵”形，该倒“凵”形具体地为包括两个竖直段以及连接两竖直段上端水平段，的所述止回段321的左端通过直形段与水平往复段322连接。所述限位块331位于止回段321内时，所述抗冲击齿3高于掘进齿2。

该动作机构的动作原理如下：初始状态下，参照图1，锁止片32对抗冲击齿3产生向上的拉力使得其超出刀翼1的高度矮于掘进齿2，从而钻进过程中能够保证掘进齿2处于工作状态，减少对抗冲击齿3的磨损，抗冲击齿3其材料可以选用硬质合金，硬质合金的耐磨性要比PDC复合片低但其具有良好的韧性，承受冲击时不易崩裂，以上设置避免抗冲击齿3磨损，能够保证抗冲击齿3具有良好的抗冲击性能。向心驱动块33上的导块被限制在止回段321外，导块不能越过止回段321的外壁进入止回段321内；参照图2，当钻头在硬质地层上向下钻进过程中遇到软质地层或者空洞，钻头的阻力变小，钻体的旋转速度增大，继而产生较大向心力，向心驱动块33在向心力的作用下越过止回段321的外壁进入止回段321内，同时驱动面将抗冲击齿3向下顶使得其超出刀翼1的高度高于掘进齿2，此时在钻体旋转速度增大的状况下，完成掘进齿2下移至下止位的动作，如图3所示。导块此时位于止回段321内，导块在止回段321的作用下保持顶靠抗冲击齿3使得抗冲击齿3保持在下止位。当钻头下移过程中遇到硬质地层时，抗冲击齿3受向上的冲击力，冲击力一方面传递到锁止片32上使得锁止片32产生较大的向上的波动，止回段321向上错动增大止回段321与限位块331之间的间距，另一方面抗冲击齿3在冲击力的作用下具有上移的趋势，使得向心驱动齿具有右移复位的趋势，两者的共同作用下，向心驱动块33右移脱出止回段321，完成复位。进一步，通过以上的设置，一方面使得抗冲击齿3能够在转速增大的状况下下移至下止位，并且，通过锁止片32与向心驱动块33的特殊设计，使得抗冲击齿3能够保持在下止位不易脱出，并且抗冲击齿3承受冲击能力较强。

进一步的，所述限位块331远离所述导孔36的一侧上设有导向面。

进一步的，所述锁止片32还包括水平往复段322，所述水平往复段322的一端与止回段321连接、另一端与抗冲击齿3的上侧连接。水平往复段322的设置使得锁止片32与掘进齿2连接处其上端具有在上下方向上产生形变的能力。

进一步的，所述向心驱动块33与导孔36的底壁之间还设有拉簧34，拉簧34的两端分别与向心驱动块33和导孔36底壁固接。该拉簧34的设置更有利于向心驱动块33回位。

进一步的，所述抗冲击齿3的底端设置有切面37，一直线或曲线以钻体的中心线为旋转轴旋转得到回转曲面4，回转曲面4与所述抗冲击齿3的底面相交得到切面37。以直线得到回转曲面4时，直线与钻体的旋转轴之间的夹角的范围为在70°到90°之间，切面37下端与上端在高度方向上的落差较小，从而能够保证抗冲击齿3具有良好的抗冲击能力。参照图4，回转曲面4以钻体的旋转轴为轴线旋转得到，切面37受到向上的力时(该力在图4中用空心方框表示)，该力被分解为向心分力F1和切向分力F2，切向分力F2作用到钻体上对钻体的旋转起到阻碍作用，向心分力F1指向钻体的中心，从而不会对钻体形成扭矩，不会引发钻体倾侧并且不会对钻体形成扭转破坏。

进一步的，所述掘进齿2沿竖直方向固接在刀翼1的下侧，所述掘进齿2包括硬质合金本体以及同时覆盖在硬质合金本体的底面和侧面上的聚晶金刚石层21，所述聚晶金刚石层21至少部分地伸入刀翼1内。参照图4，水平布置的圆柱状掘进齿2，掘进齿2之间仅在掘进齿2吃进地层的深度达到其该圆柱体的半径时才能具有存在形成连续切削刃的可能，在其他深度状态下掘进齿2之间必然存在间隙。

该掘进齿2呈圆柱状时，竖直设置的掘进齿2相比水平设置的掘进齿2还具有以下好处，无论掘进齿2吃进地层的深度多少，切削刃(以掘进齿2与地层的相接线为切削刃)的长度始终保持不变(参照图5)，该掘进齿2的有效切削长度不会在切削过程中随着磨损而增大，掘进齿2切削效率更高。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种聚晶金刚石防墩击钻头，包括钻体，所述钻体的下侧固接有刀翼(1)，其特征在于：所述刀翼(1)的下侧设置有掘进齿(2)和防墩组件，所述掘进齿(2)为聚晶金刚石复合片，所述防墩组件包括可上下移动的抗冲击齿(3)、驱使抗冲击齿(3)上下移动的动作机构，所述抗冲击齿(3)具有移动行程，所述抗冲击齿(3)位于移动行程的下端时，所述抗冲击齿(3)高于所述掘进齿(2)；所述动作机构包括基体(30)、锁止片(32)、向心驱动块(33)，所述基体(30)固接在刀翼(1)上，所述基体(30)包括导孔(36)和滑孔，所述滑孔的轴线与所述钻体的旋转轴互相平行设置，所述抗冲击齿(3)沿滑孔滑动，所述导孔(36)的轴线与所述钻体的旋转轴相垂直，所述向心驱动块(33)沿导孔(36)滑动，所述向心驱动块(33)的左侧设有驱动部，所述驱动部穿出导孔(36)，所述驱动部的上侧设置有限位块(331)，所述驱动部的下侧设置有斜向设置的驱动面，所述驱动面与所述抗冲击齿(3)的上侧抵接；所述锁止片(32)具有弹性，所述锁止片(32)的两端分别与滑孔的内壁和抗冲击齿(3)的顶面固接，所述锁止片(32)为抗冲击齿(3)提供向上的拉力，锁止片(32)与滑孔的内壁的相接处位于限位块(331)的上方，所述锁止片(32)包括设置在限位块(331)上方的止回段(321)，所述止回段(321)呈倒“凵”形，所述限位块(331)位于止回段(321)内时，所述抗冲击齿(3)高于掘进齿(2)。

2.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石防墩击钻头，其特征在于：所述限位块(331)远离所述导孔(36)的一侧上设有导向面。

3.根据权利要求2所述的一种聚晶金刚石防墩击钻头，其特征在于：所述锁止片(32)还包括水平往复段(322)，所述水平往复段(322)的一端与止回段(321)连接、另一端与抗冲击齿(3)的上侧连接。

4.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石防墩击钻头，其特征在于：所述向心驱动块(33)与导孔(36)的底壁之间还设有拉簧(34)，拉簧(34)的两端分别与向心驱动块(33)和导孔(36)底壁固接。

5.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石防墩击钻头，其特征在于：所述抗冲击齿(3)的底端设置有切面(37)，一直线或曲线以钻体的中心线为旋转轴旋转得到回转曲面(4)，切面(37)为回转曲面(4)与所述抗冲击齿(3)的下侧的相交截面。

6.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石防墩击钻头，其特征在于：所述掘进齿(2)沿竖直方向固接在刀翼(1)的下侧，所述掘进齿(2)包括硬质合金本体以及同时覆盖在硬质合金本体的底面和侧面上的聚晶金刚石层(21)，所述聚晶金刚石层(21)至少部分地伸入刀翼(1)内。

7.根据权利要求1所述的一种聚晶金刚石防墩击钻头，其特征在于：所述掘进齿(2)具有多个，多个掘进齿(2)在钻头自内以外的方向上紧密地排布。

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