CN111411899B - 一种具有自冲击能力的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，刀翼上设置有切削齿，钻头本体上设置有支承体，支承体上设置有自冲击单元，自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；滚动体能绕自身轴线转动；冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置的冲击。本发明在实现冲击破岩时无需配备冲击器工具，节约钻井成本的同时，改善切削齿的侵入能力，提高破岩效率。

Description

一种具有自冲击能力的PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种具有自冲击能力的PDC钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过设置在钻头上的切削齿以切削为主要的方式进行岩石破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。

随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海、非常规油气(包括页岩气)。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，地层的复杂程度越来越高，如硬-塑性地层、硬-脆性地层、软硬夹层、含砾地层等，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且容易造成切削齿的快速磨损。切削齿的过度磨损后，会加重邻齿的工作负荷，进而发生切削齿的连锁失效，一旦出现较大区域的切削齿失效，钻头的切削能力即基本丧失。

为了改善难钻地层中钻头侵入能力差、破岩效率低、寿命短等问题，不少科研单位和钻头生产企业的工作人员，尝试着将冲击器工具(如轴向冲击器、扭转冲击器)配合钻头使用。这种办法，使钻头在钻进的过程中产生小幅冲击，以达到使切削齿在与岩石作用过程中的突然加力，井底岩石应力得到较大释放，切削齿吃入能力得到提高。但，冲击器产生的冲击直接作用在了整个钻头上。通常情况下，钻头上安装的切削齿为聚晶金刚石复合片，这些切削齿的抗冲击能力相对较弱，当冲击器的冲击载荷作用到钻头上后，钻头上的切削齿与岩石产生冲击很容易造成部分切削齿的崩脱等失效。在此情况下，西南石油大学提出了一种冲击-刮切复合钻头(202659151U)，该技术方案将冲击器产生的冲击直接作用在冲击切削结构上，而不直接作用在整个钻头上，提高切削齿侵入能力的同时，延长了钻头的工作寿命。然而，以上冲击破岩技术均为冲击器工具与破岩钻头的组合，冲击设备的增加，使钻井成本升高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自冲击能力的PDC钻头，PDC钻头上设置有自冲击单元，能够有效改善切削齿的侵入能力，提高破岩效率，同时解决现有冲击破岩技术中需单独配备冲击器的问题。

本发明是这样实现的：

一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，刀翼上设置有切削齿，钻头本体上设置有支承体，支承体上设置有自冲击单元，自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；滚动体能绕自身轴线转动；冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置沿着预设方向的冲击。

上述结构中，自冲击单元的滚动体(通常为牙轮结构、滚轮结构等)在破岩过程中与岩石接触产生转动矩而自转。滚动体的自转通过传动装置实现冲击装置沿着预设的冲击方向冲击破岩或预损伤岩石，钻头的切削齿在破碎这些地层时消耗较少的能量便能将这部分岩石从井底岩体上清除。一方面，自冲击单元能够很好的辅助钻头上的切削齿破碎岩石，延长切削齿的工作寿命，进而延长钻头的可持续高效钻进能力。另一方面，自冲击单元所形成的冲击动作只需依靠钻头的公转，而不需要单独增加冲击器等工具，节约了很多工具成本。此外，本结构还有另外一个意想不到的优势，自冲击单元中的滚动体，能够显著降低钻头钻进过程中的摩擦阻力，降低钻头的工作扭矩，特别是定向钻进过程中，钻头工作扭矩的大小直接影响着钻头工具面的控制能力，扭矩越小，工具面越容易控制，反之亦然。

冲击方向是指在井底覆盖图中冲击齿的运动方向，通常包含在刀翼上切削齿的覆盖范围内(BL)，如图7所示。也可以朝向特定方向，如图16和图17所示，在图中，钻头的心部不布置切削齿形成空白区域，钻头破岩时这个空白区就会形成岩心柱或岩墙，此时为了破碎岩心柱或岩墙，冲击方向应大致朝向钻头的径向方向。显然，冲击方向是并不是随意设定，而应以破岩或损伤岩石为核心目的设定。

井底覆盖布齿图，是指过钻头中心线的任意轴面内，切削齿的切削轮廓绕钻头中心线旋转，并与该轴面形成交线，该交线即为切削轮廓线，将所有切削齿的切削轮廓线汇集在一起，就形成了井底覆盖布齿图。井底覆盖布齿图直接反映了切削齿的定位半径、定位高度等重要参数。同理，单个刀翼的覆盖图的形成原理类似，不再赘述。

上述支承体结构可以独立的设置在钻头本体上，也可以与钻头本体上的刀翼固定相连或一体成型。冲击齿可以为锥型齿、楔型齿、勺型齿、球型齿等，冲击齿的材料包括人造聚晶金刚石、天然金刚石、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等。冲击齿与冲击体的连接方式可以为螺纹连接、过盈配合、焊接、或一体成型等方式。

作为本发明的优选方案，传动装置为凸轮机构。结合附图3来说明凸轮机构的实现与传动原理，凸轮机构中包含传动轴、传动轴上的凸体。滚动体与传动轴固定连接，传动轴转动过程中凸体与冲击装置中的冲击体形成凸轮副，这样滚动体的转动就可以通过凸轮机构实现冲击装置沿着预设方向冲击。凸轮结构简单，安全可靠，易于实施。

作为本发明的优选方案，传动装置为曲柄滑块机构。结合附图11来说明曲柄滑块机构的实现与传动原理，曲柄滑块机构中包含传动轴、中间连杆，传动轴与滚动体固定连接，中间连杆分别与传动轴和冲击体铰接，传动杆与支承体形成滑动连接，这样滚动体的转动就能通过曲柄滑块机构实现冲击齿朝向冲击方向冲击。曲柄滑块机构输出稳定，不会因为冲击齿与岩石接触而反向造成对传动轴的冲击。事实上，传动轴亦为滚动体的重要支撑部件，减少冲击利于传动轴的寿命延长。

作为本发明的优选方案，所述滚动体包括牙轮、滚轮。

作为本发明的优选方案，冲击体上设置有弹性元件，弹性元件可以为弹簧、碟簧、橡胶等，弹性元件用于实现自冲击单元完成冲击后的回弹。对于自冲击单元而言，冲击齿完成一次冲击后，需要返程，否者无法顺利完成下一次冲击(冲程)。冲击体上设置弹性元件容易实现，且结构简单可靠。

作为本发明的优选方案，支承体上设置有切削齿。支承体上设置切削齿能够增加钻头的布齿密度，延长钻头的服役时间。特别对于研磨性较强的地层，布齿密度越高意味着钻头上金刚石含量越多，耐磨性就越强。

作为上述方案的进一步优选，冲击齿设置在切削齿的前方，和/或后方。显然，本领域研究人员很容易想到的是，冲击齿与切削齿还可以同轨道设计。

作为本发明的优选方案，支承体上设置有支承座，冲击装置通过所述支承座与所述传动装置相连。支承座可以设置在支承体的前面、后面。在这两个面上设置支承座，可以实现冲击齿冲击方向的改变。

作为本发明的优选方案，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的布齿空白区，冲击齿的冲击朝向为钻头的径向方向。

上述方案中，钻头工作过程中，布齿空白区在井底形成凸起的岩脊，岩脊两侧原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊自身的强度有所下降，相当于孤立的“墙体”。事实上这些“墙体”的走向与钻进或钻头轴线方向一致，当冲击齿的冲击方向朝向钻头径向方向时，能够形成“推墙”之势，加之冲击，破碎能耗将大幅度降低，而且其破碎方式更趋向于体积性的破碎。

本发明至少包括以下有益效果：

1、自冲击单元仅依靠钻头的转动便能形成冲击，而不需要单独增加冲击器等工具，节约了很多的工具成本。同时，自冲击单元中的滚动体，能够显著降低钻头钻进过程中的工作扭矩；

2、自冲击单元能形成对岩石的冲击破岩或预损伤，钻头的切削齿在破碎这些已经被弱化了的地层时易于破除，且耗能少，在提高破岩效率的同时，降低了切削齿崩齿失效的几率；

3、本发明自冲击单元中的传动装置采用凸轮机构或曲柄滑块机构时，结构简单、安全可靠、易于实施。

4、在钻头上设置布齿空白区的方案中，钻头能够形成岩脊而自冲击单元冲击这些岩脊时，能够形成推墙之势，且易形成体积破碎，破岩效率进一步提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明第一实施例提供的PDC钻头上的自冲击单元的结构示意图。

图4是图2的局部剖视图，其中弹性元件为碟簧。

图5是图2的局部剖视图，其中弹性元件为橡胶。

图6是本发明第一实施例提供的自冲击单元中滚动体为滚轮的结构示意图。

图7是本发明第一实施例提供的自冲击单元中冲击齿的冲击范围的示意图。

图8是本发明第一实施例提供的自冲击单元中冲击齿为楔形齿的结构示意图。

图9是本发明第一实施例提供的自冲击单元中冲击齿与冲击体一体成型的结构示意图。

图10是本发明第一实施例提供的自冲击单元中冲击体上设置多个冲击齿的结构示意图。

图11是本发明第二实施例提供的自冲击单元，其中传动装置为曲柄摇杆机构的结构示意图。

图12是本发明第三实施例提供的PDC钻头，其中支承体上设置有切削齿，且切削齿设置在冲击齿前方的钻头结构示意图。

图13是本发明第三实施例提供的PDC钻头，其中支承体上设置有切削齿，且支承体前面设置有支承座的钻头结构示意图。

图14是本发明第三实施例中冲击齿和切削齿同轨道设计的结构示意图。

图15是图14中同轨道设计的冲击齿与切削齿破碎岩石的结构示意图。

图16是本发明第四实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图17是本发明第四实施例提供的PDC钻头的井底覆盖示意图。

图标：1-PDC钻头；2-钻头本体；3-刀翼；31-切削齿；4-支承体；42-基体；43-配合体；44-滚动槽；45-孔槽；5-自冲击单元；50-冲击装置；51-滚动体；52-传动轴；520-轴端；521-凹槽；522-凸体；53-冲击齿；54-冲击体；55-弹性元件；56-传动单元；551-弹簧；552碟簧；553-橡胶；60-中间连杆；30-支承座；32-支承体前面；33-支承体后面；7-布齿空白区；71-岩脊。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

第一实施例：

请参阅图1-图10，本发明实施例提供了一种具有自冲击能力的PDC钻头1。

请参阅图1、图2，该PDC钻头1包括钻头本体2、刀翼3，刀翼3与钻头本体2固定相连或一体成型，刀翼3上设置有切削齿31，钻头本体2上设置有支承体4，支承体4上设置有自冲击单元5。

请参阅图3，自冲击单元5由滚动体51、传动装置56和冲击装置50构成；滚动体52能绕自身轴线转动；冲击装置50由冲击体54和至少一个冲击齿53组成；滚动体51的转动能够通过传动装置56实现冲击齿53沿冲击方向的冲击。显然，支承体4可以独立的设置在钻头本体2上，也可以与钻头本体2上的刀翼3固定相连或一体成型。同时为了便于自冲击单元5的安装，将支承体4设置成分体式(一部分为基体42，一部分为配合体43)，请参阅图4和图5。

本发明实施例中，自冲击单元5的滚动体51为牙轮结构，在破岩过程中牙轮与岩石接触产生转动矩而发生自转。滚动体51还可以为滚轮，请参阅图6。

请参阅图3-图5传动装置56为凸轮机构，凸轮机构中包含传动轴52，传动轴52上设置有凹槽521，在凹槽521内设置的凸体522。滚动体51通过传动轴52设置在支承体4的滚动槽44内，传动轴52设置在支承体4的轴孔45内，传动轴52相对轴孔45可以绕自身轴线转动。滚动体51与传动轴52固定连接，固定连接的方式包括过盈配合、键连接、花键连接等。滚动体51转动过程中带动传动轴52一起转动，传动轴52转动过程中设置在凹槽521内的凸体522与冲击装置50中的冲击体54形成凸轮副，这样滚动体51的转动就可以通过凸轮机构实现冲击装置50沿着预设方向冲击。凸轮结构简单安全可靠，易于实施。显然传动轴52上的凸体522的设置方式有很多，而不仅仅限于设置在凹槽521内，如还可以设置在传动轴52的外表面、或轴端等。对于自冲击单元而言，冲击齿53完成一次冲击后，需要返程，否者无法顺利完成下一次冲击(冲程)，为达到这一目的，本发明实施例中冲击体54上设置有弹性元件55，弹性元件55可以为弹簧551(参阅图3)、碟簧552(参阅图4)、橡胶553(参阅图5)等，弹性元件55用于实现冲击装置50完成冲击后的回弹。本实施例中冲击体54上设置的弹性元件55容易实现，且结构简单、可靠。

冲击齿53可以为锥型齿(请参阅图1-图5、图9)、楔型齿(请参阅图8)、勺型齿、球型齿等，冲击齿53的材料包括人造聚晶金刚石、天然金刚石、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等。冲击齿53与冲击体54的连接方式可以为螺纹连接、过盈配合、焊接、或一体成型(请参阅图9)等方式。请参阅图10，冲击体54上可以设置多个冲击齿53。

本发明实施例提供的PDC钻头的有益效果在于：

1、自冲击单元5仅依靠钻头的转动便能实现的冲击，而不需要单独增加冲击器等工具，节约了成本。同时，自冲击单元5中的滚动体51，能够显著降低钻头钻进过程中的工作扭矩；

2、自冲击单元5能形成对岩石的冲击破碎或预损伤，钻头的其他切削齿在破碎这些已经被弱化了的地层时易于破除且耗能少，在提高破岩效率的同时，降低了切削齿崩齿失效的几率；

3、本发明自冲击单元5中的传动装置采用凸轮机构构时，结构简单、安全可靠、易于实施。同时，设置在冲击体54上的回弹元件55简单可靠。

4、自冲击单元中的滚动体为牙轮时，还具有破岩的效果。

第二实施例：

本发明实施例提供一种具有自冲击能力的PDC钻头，这种PDC钻头1与第一实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：请参阅图11，在本实施例中，传动装置56为曲柄滑块机构，其包含传动轴52、中间连杆60，传动轴52与滚动体51固定连接，中间连杆60分别与传动轴52和冲击体54铰接，冲击体54与支承体4形成滑动连接，这样滚动体51的转动就能通过曲柄滑块机构实现冲击齿53朝向冲击方向冲击。曲柄滑块机构输出稳定，不会因为冲击齿53与岩石接触而反向造成对传动轴52的冲击，传动轴52的使用寿命不会受到影响。

第三实施例：

本发明实施例提供一种具有自冲击能力的PDC钻头，这种PDC钻头1与第一实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：请参阅图12-图15，在支承体4上设置有切削齿31。

支承体4上设置切削齿31，充分利用了钻头上宝贵的空间，还能显著增加钻头的布齿密度，延长钻头的服役时间。特别对于研磨性较强的地层，布齿密度越高意味着钻头上金刚石含量越多，耐磨性就越强。本领域研究人员很容易想到的是，切削齿31设置在的冲击齿53前方(请参阅图12)，或者后方(请参阅图13)，或者在冲击齿53前、后方同时设置。请继续参阅图13，支承体4的前面32上设置有支承座30，冲击体通过所述支承座与所述传动装置相连。显然，支承座30可以设置在支承体4的前面32、后面33。

在冲击齿53设置在切削齿31前方的方案中，有一种更优的方案，即冲击齿53与切削齿31同轨道设计，请参阅图14和图15。当冲击齿53与切削齿31同轨道设计时在井底覆盖图中两者具有大致相同的定位半径R，冲击齿53率先对岩石完成冲击，岩石形成预损伤，内部产生微裂纹，而同轨道旋转跟随的切削齿31破碎已经损伤的地层耗能更小。

第四实施例：

请参阅图16图17，本发明实施例提供了一种具有自冲击能力的PDC钻头1，该PDC钻头1包括钻头本体2、刀翼3，刀翼3与钻头本体2固定相连或一体成型，刀翼3上设置有切削齿31，钻头1上具有至少一个围绕钻头中心的布齿空白区7，钻头本体2上设置有支承体4。支承体4可以独立的设置在钻头本体2上，也可以与钻头本体2上的刀翼3固定相连或一体成型。

支承体4上设置有自冲击单元5，自冲击单元5由滚动体51、传动装置56和冲击装置50构成；滚动体51能绕自身轴线转动；冲击装置50由冲击体54和至少一个冲击齿53组成；滚动体51的转动能够通过传动装置56实现冲击装置50朝向钻头1的径向方向。

本发明实施例中，自冲击单元5的滚动体51为牙轮结构，在破岩过程中牙轮与岩石接触产生转动矩而自转。滚动体51还可以为滚轮，请参阅图6。

请参阅图16传动装置为凸轮机构，凸轮机构中包含传动轴52，在传动轴52的轴端520设置有凸体522。滚动体51与传动轴52固定连接，固定连接的方式包括过盈配合、键连接、花键连接等。滚动体51转动过程中带动传动轴52一起转动，传动轴51转动过程中设置在轴端520的凸体522与冲击装置50中的冲击体54形成凸轮副，这样滚动体51的转动就可以通过凸轮机构实现冲击装置50沿着预设方向冲击。凸轮结构简单安全可靠，易于实施。对于冲击结构而言，冲击齿53完成一次冲击后，需要返程，否者无法完成下一次冲击(冲程)，为达到这一目的，本发明实施例中冲击体上设置有弹性元件55，弹性元件可以为弹簧551(参阅图3)、碟簧552(参阅图4)、橡胶553(参阅图5)等，弹性元件55用于实现冲击齿53完成冲击后的回弹。本实施例中冲击体54上设置的弹性元件55容易实现，且结构简单可靠。

上述方案中，布齿空白区7在钻头中心处，钻头工作中将在井底形成对应的凸起的岩脊71，岩脊71周围原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊71自身的强度显著下降，相当于孤立的“墙体”或“柱体”。事实上这些凸起的岩脊71的走向与钻进或钻头轴线方向一致，当冲击齿53的冲击方向朝向钻头径向方向时，冲击齿53便以一定的角度冲击这些孤立的岩脊71，破碎能耗将大幅度降低，而且其破碎方式更趋向于体积性的破碎，破岩效率进一步的提高。

Claims (7)

1.一种具有自冲击能力的PDC钻头，包括钻头本体和刀翼，所述刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，所述刀翼上设置有切削齿，其特征在于，所述钻头本体上设置有支承体，所述支承体上设置有自冲击单元，所述自冲击单元由滚动体、传动装置和冲击装置构成；所述传动装置中包含传动轴，所述滚动体通过所述传动轴设置在所述支承体，所述支承体具有轴孔，所述传动轴设置在支承体的轴孔内，所述传动轴相对所述轴孔可以绕自身轴线转动，所述滚动体能绕自身轴线转动；所述冲击装置由冲击体和至少一个冲击齿组成；所述支承体上设置有切削齿，所述冲击齿设置在所述切削齿的前方，和/或后方；所述滚动体的转动能够通过传动装置实现冲击装置的冲击。

2.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述的传动装置为凸轮机构。

3.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述的传动装置为曲柄滑块机构。

4.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述滚动体包括牙轮或滚轮。

5.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述冲击体上设置有弹性元件；所述弹性元件包括弹簧、碟簧或橡胶；所述弹性元件用于实现所述冲击装置完成冲击后的回弹。

6.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述支承体上设置有支承座，所述冲击装置通过所述支承座与所述传动装置相连。

7.根据权利要求1所述的一种具有自冲击能力的PDC钻头，其特征在于，所述钻头上具有至少一个围绕钻头中心的布齿空白区；所述冲击齿的冲击朝向为钻头的径向方向。

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