CN111852342A - 一种切削齿可旋转的pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
一种切削齿可旋转的PDC钻头，包括钻头体，钻头体上设置有刀翼、喷嘴及流体主通道，刀翼上安装有切削齿，其特征在于：所述的钻头体内有与流体主通道相连的第一流体通道；所述的切削齿由中心旋转齿、衬套、限位器及水力驱动旋转器组成；所述衬套上设置有与第一流体通道相连的孔，衬套与中心旋转齿之间形成第二流体通道；所述中心旋转齿内部设置流道空间，形成第三流体通道；所述的主通道、第一流体通道、第二流体通道、第三流体通道之间依次连通；所述中心旋转齿上设置有限位槽，衬套上设置有限位孔或限位槽，中心旋转齿与衬套之间通过限位器连接。这种结构的切削齿可提高了切削齿金刚石层的利用率，同时可以实现切削齿的冷却和清洗，有效提高切削齿的寿命。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体涉及一种用于镶固于钻头上的可旋转切削齿，以及具有该切削齿的钻头。
背景技术
聚晶金刚石齿（简称PDC齿）是一种用于镶固在钻头体上的切削齿。切削齿主要由金刚石层和硬质合金基体组成，金刚石层具有高硬度、高耐磨性和具有自锐性等特点。安装有PDC齿的钻头称之为PDC钻头，它广泛应用于钻探技术领域，具有机械钻速高、寿命长和钻探安全性高等诸多优点。
近年来，随着材料及制造工艺的改进，PDC钻头对地层的适应性越来越广。传统PDC钻头的切削齿通过钎焊固定在钻头刀翼上，随着钻头的不断工作，切削齿磨损会逐渐加大，钻进机械钻速也随之降低，直至机械钻速过慢而起钻。这种传统固定的PDC切削齿钻头钻进时，只有很少部分切削刃能够接触到岩石，即切削刃的局部进行切削岩石。实际用来剪切地层岩石的切削齿边刃仅为10%-40%，而其他60%-90%的切削刃被锁定到钻头本体内不被使用，即不予地层岩石接触。剪切岩石时，相对较少的切削刃会发生一定程度的磨损，切削齿与岩石之间的摩擦作用也随之增强，导致切削齿温度升高，进而导致更大面积的磨损，钻头钻进效率大幅度降低，钻头很快失效。
发明内容
本发明的目的在于为了降低钻头切削齿的磨损速度，提高切削齿的利用率，提出一种可旋转的切削齿及采用该切削齿的PDC钻头。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种切削齿可旋转的PDC钻头，包括钻头体，钻头体上设置有刀翼、喷嘴及流体主通道，刀翼上安装有切削齿，钻头体内有与流体主通道相连的第一流体通道；切削齿由中心旋转齿、衬套、限位器及水力驱动旋转器组成；衬套上设置有与第一流体通道相连的孔，衬套与中心旋转齿之间形成第二流体通道，中心旋转齿内部设置流道空间，形成第三流体通道，主通道、第一流体通道、第二流体通道、第三流体通道之间依次连通，中心旋转齿上设置有限位槽，衬套上设置有相对应的限位孔或限位槽，中心旋转齿与衬套之间通过限位器连接。
上述方案中，流体（钻井液）由主流体通道流入设置于钻头体内的流道空间，该空间称为第一流体通道；由于切削齿的衬套上设置有水孔，钻井液通过小孔流入衬套与中心切削齿形成的空间内，该空间称为第二流体通道；中心旋转切削齿内部也设有流体空间，该空间称为第三流体通道，第二流体通道与第三流体通道之间连通。当流体通过第一流体通道进入第二流体通道时，由于中心旋转齿上设置有水力驱动旋转器，流体驱动旋转器进行旋转，从而实现中心切削齿绕自身轴线的旋转。
由于切削齿可以旋转，所以在钻头钻进过程中，其切削刃的整个圆周都可以与地层接触，从而长时间保持对地层的持续的高切削性能。
同时，由于钻井液流经切削齿内部的第三流体通道，可以及时带走切削过程中产生的热量，实现冷却、清洗切削齿的目的，有效提高切削齿的寿命，从而提高钻头的寿命。
作为选择，水力旋转驱动装置为叶片。
上述方案中，叶片固定于中心切削齿上，当流体经衬套上的水孔向第二流体空间流入时，流体冲击叶片，叶片旋转带动中心切削齿的旋转。
作为选择，水力旋转驱动装置为涡轮。
上述方案中，涡轮固定于中心切削齿上，涡轮靠近切削平面一侧设置有第二流体通道与第三流体通道之间的连接水孔。由于钻井液的流动，流体会对涡轮上的叶轮进行冲击使涡轮旋转，从而带动中心切削齿的旋转。
作为选择，中心旋转齿与衬套之间设置有阻尼器，中心旋转齿上设置有限位槽，中心切削齿可沿轴线方向移动。
上述方案中，切削齿在切削过程中，会钻遇不均质地层、软硬交错地层，切削齿会遭遇频繁的冲击载荷，导致切削齿的崩齿、脱层、断齿等非磨损的异常失效，大大降低了钻头的工作性能，进而导致钻井成本的上升。而在中心旋转齿和衬套之间设置有阻尼器，阻尼器的伸缩可以吸收切削齿工作过程中受到的来自岩石的冲击载荷，降低切削齿因冲击失效的风险，同时降低钻头工作过程中粘滑现象，使钻头平稳工作。
本发明的有益效果在于：
第一，本发明通过钻井液与水力驱动旋转装置之间的相互作用使切削齿旋转，这样钻头在切削地层时，旋转齿端面的整个圆周的切削刃都可以参与对地层的切削，提高了切削齿金刚石层的利用率，从而大幅度提高了钻头的使用寿命，显著提高单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头钻进速度，缩短钻井周期，节约钻井成本。第二，由于钻井液可以通过切削齿内的流体通道并从切削端面流出，可以实现切削齿的冷却和清洗，有效提高切削齿的寿命，进而提高钻头的寿命。第三，阻尼器的伸缩可以吸收切削齿工作过程中受到的冲击载荷，减小冲击力，提高切削齿的抗冲击能力，从而提高切削齿寿命，延长钻头工作时间。
附图说明
图1为安装有可旋转切削齿的PDC钻头。
图2为可旋转切削齿与本体之间关系示意图。
图3为可旋转切削齿的结构示意图。
图4为可旋转切削齿的剖面示意图。
图5为可旋转切削齿的水力驱动旋转器为叶片的结构示意图。
图6为可旋转切削齿的水力驱动旋转器为涡轮的结构示意图。
图7为可旋转切削齿安装有阻尼器的结构示意图。
图8为另一种可旋转切削齿安装有阻尼器的结构示意图。
图9为衬套与中心旋转齿通过球形限位器定位的示意图。
图10为一和二流体通道连接孔设置于衬套的底端示意图。
附图中标记相应名称：钻头—100，钻头体—101，刀翼—102，喷嘴—103，流体主通道—104，锥螺纹—105，耐磨层—201，基体—202，基体限位槽—212，中心旋转齿—203，衬套—204，衬套限位槽—214，滚珠填入孔—224，限位器—205、水力驱动旋转器—206，第一流体通道—106，第二流体通道—207，第三流体通道—208，一和二流体通道连接孔—12，二和三流体通道连接孔—23，阻尼器—300。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1-图4所示，本发明提供一种切削齿可旋转的PDC钻头100，包括钻头体101，钻头体101上设置有刀翼102、喷嘴103、流体主通道104以及锥螺纹105，锥螺纹105与上部钻杆连接，喷嘴103与流体主通道104相通，刀翼102上安装有切削齿200，一般的，金刚石切削齿由耐磨层201（一般为聚晶金刚石）和基体202组成。本发明提供的切削齿由中心旋转齿203、衬套204、限位器205及水力驱动旋转器206组成，其中，中心旋转齿203与常规切削齿相同，由耐磨层201和基体202组成。水力驱动旋转器206固定于基体202底端。中心旋转齿203通过限位器205与衬套204连接在一起。中心旋转齿203与衬套204之间形成的空间称为第二流体通道207。中心旋转齿203内部设置有孔，该孔形成的空间称为第三流体通道208。钻头体101内部除具有流体主通道104外，还设置有与流体主通道104相连的第一流体通道106。衬套204上设置有一和二流体通道连接孔12。流体主通道104、第一流体通道106、第二流体通道207、第三流体通道208依次连通。衬套204与钻头体101固定连接在一起。基体202上设置有基体限位槽212。衬套204设置有衬套限位槽214。限位器205位于限位槽212和限位槽214内，将中心旋转齿203及衬套204连接在一起。
本发明的工作过程如下：流体（钻井液）从流体主通道104除经喷嘴103直接流入井筒环空外，另一部分流入第一流体通道106，该部分流体通过衬套204上的一和二流体通道连接孔12流入第二流体通道207，并与水力驱动旋转器206相互作用，推动水力驱动旋转器206旋转，从而带动中心旋转齿203进行旋转，最后流体从中心旋转齿203内的第三流体通道208排出进入井筒环空。
作为选择，水力驱动旋转器206为叶片式。第三流体通道208在中心旋转齿203内部为通孔，如图5所示。当流体经衬套204上的孔流入第二流体通道207时，喷出的流体会对叶水力驱动旋转器206上的叶片进行冲击，推动叶片进行旋转，从而带动中心旋转齿203进行旋转，最后流体从中心旋转齿203内的第三流体通道208排出进入井筒环空。该方案中，叶片的位置处于孔12中流体喷射的范围内，以保证喷出的流体可以冲击到叶片。
作为选择，如图6所示，水力驱动旋转器206为涡轮式。第三流体通道208在中心旋转齿203内部为盲孔，为使第三流体通道208与第二流体通道207相连通，在涡轮206靠近齿工作端面一侧的基体侧面设置有二和三流体通道连接孔23。在第二流体通道207经孔23流入第三流体通道208的过程中，流体对涡轮206产生推力，推动涡轮206旋转，从而带动中心旋转齿203进行旋转，流体经二和三流体通道连接孔23流入第三流体通道208，最后排出进入井筒环空。作为优选方案，一和二流体通道连接孔12设置在衬套的底端，如图10所示。
作为选择，水力驱动旋转器206可直接在基体202上加工，也可以单独加工，通过焊接、销钉连接、过盈配合、螺钉连接等方式固定于基体202上。
作为选择，如图7、图8所示，中心旋转齿203与衬套204之间设置有阻尼器300，中心旋转齿203上的限位槽宽度大于衬套204上限位槽宽度，中心旋转齿203可沿其轴线方向移动。阻尼器300为弹簧，在具体的工作过程中，阻尼器300可以是橡胶，以及替它能产生弹性变形的材料制成。
作为选择，如图4所示，基体限位槽212和衬套限位槽214连接间的限位器205为卡簧。
作为选择，如图9所示，基体限位槽212和衬套限位槽214之间的限位器205为滚珠。为方便滚珠放入限位槽内，可在衬套204上设置滚珠填入孔224，孔与衬套限位槽214相通。将至少一个滚珠从孔224中依次放入，最后将滚珠填入孔224封堵。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用于限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的同等变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种切削齿可旋转的PDC钻头，包括钻头体，钻头体上设置有刀翼、喷嘴及流体主通道，刀翼上安装有切削齿，其特征在于：所述的钻头体内有与流体主通道相连的第一流体通道；所述的切削齿由中心旋转齿、衬套、限位器及水力驱动旋转器组成；所述衬套上设置有与第一流体通道相连的孔，衬套与中心旋转齿之间形成第二流体通道；所述中心旋转齿内部设置流道空间，形成第三流体通道；所述的主通道、第一流体通道、第二流体通道、第三流体通道之间依次连通；所述的中心旋转齿上设置有限位槽，所述的衬套上设置有限位槽；所述的中心旋转齿与所述的衬套之间通过限位器连接。
2.根据权利要求一所述的切削齿可旋转的PDC钻头，其特征在于：所述的水力旋转驱动器上设置有叶片。
3.根据权利要求一所述的切削齿可旋转的PDC钻头，其特征在于：所述的水力旋转驱动器上设置有螺旋状涡轮。
4.根据权利要求一所述的切削齿可旋转的PDC钻头，其特征在于：所述的中心旋转齿与衬套之间设置有阻尼器，所述中心旋转齿可沿轴线方向移动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |