CN115324485B - 一种自适应pdc复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应PDC复合钻头，属于钻井勘探工具技术领域，解决了现有技术中牙轮与PDC钻头的相互关系是固定的，在使用过程中牙轮与PDC钻头的相互关系不发生变化从而导致复合钻头使用寿命降低以及破岩效率较低。它包括设置有多个牙轮钻头和多个带有PDC切削齿（的钻头体，所述牙轮钻头包括牙轮以及和牙轮连接的牙掌，所述牙掌上设置有用于和钻头体连接的凸台，所述凸台底部单独或多个设置有用于向牙轮钻头提供弹性支撑的弹性结构；所述牙掌与钻头体连接处为牙轮安装槽。本发明自适应PDC复合钻头，能够更好的用于钻井勘探等工作，适用范围广，破岩效率高。
Description
技术领域
本发明涉及钻井勘探工具技术领域，具体涉及一种自适应PDC复合钻头。
背景技术
PDC+牙轮复合钻头的PDC固定切削刀翼结构随钻头在扭矩驱动下旋转钻进，牙轮切削结构随钻头体绕钻头轴线做旋转并向下运动的同时，牙轮又绕自身轴自转。牙轮切削结构与PDC固定翼切削的切削剖面，在轴心与周界的鼻部和台肩区域重叠（常规的PDC钻头在鼻部和台肩区域极易磨损）。牙轮切削结构在有限高度受力的鼻部和台肩区域压碎并且预先或部分破坏地层。因此，牙轮切削结构与PDC固定翼切削结构的结合工作，使得复合钻头结合了常规牙轮钻头和PDC钻头两种切削结构的优点。因此，PDC+牙轮复合钻头能够有效地实现牙轮钻头及PDC钻头优势的互补，增强钻头对高强度、高研磨性、不均质等难钻地层的适应性。
通常把靠近牙轮底部的齿圈称为牙轮大端齿圈，简称大端齿圈，把靠近牙轮顶部的部分称为牙轮小端齿圈，简称小端齿圈。目前，已用于生产实际中的PDC+牙轮复合钻头的牙掌上大都只安装了一个牙轮，即牙轮体在绕牙掌轴颈自转时只有一个自转速度，从而导致从小端齿圈到大端齿圈的牙齿刮削效率将呈现一定的规律：小端齿圈的牙齿刮削效率最低，大端齿圈的牙齿刮削效率最高，而中间齿圈的牙齿刮削效率介于两者之间，这将对PDC+牙轮复合钻头的破岩效率产生影响。
目前，石油、天然气钻井领域使用的PDC+牙轮复合钻头，牙轮牙掌与PDC钻头本体的连接方式主要为两种：一、焊接式：PDC钻头本体设计牙掌安装槽和焊接坡口将牙掌通过焊接的方式与PDC钻头体相连；二、装配式：PDC钻头体设计牙掌安装槽、定位孔和螺栓固定孔，通过装配螺栓紧固的方式实现连接。这两种方式实现的连接均为固定连接，即牙轮与PDC钻头的相互关系是固定的，在使用过程中牙轮与PDC钻头的相互关系不发生变化。
现有技术中，PDC+牙轮复合钻头在钻遇不同岩性的地层时，PDC钻头与牙轮之前的高差需要不同，但目前的连接方式都不能实现钻头钻进时的自动调节，进而影响钻头寿命以及破岩效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应PDC复合钻头，以解决现有技术中牙轮与PDC钻头的相互关系是固定的，在使用过程中牙轮与PDC钻头的相互关系不发生变化从而导致复合钻头使用寿命降低以及破岩效率较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种自适应PDC复合钻头，包括设置有多个牙轮钻头和多个带有PDC切削齿的钻头体，所述牙轮钻头包括牙轮以及和牙轮连接的牙掌，所述牙掌上设置有用于和钻头体连接的凸台，所述凸台底部单独或多个设置有用于向牙轮钻头提供弹性支撑的弹性结构；所述牙掌与钻头体连接处为牙轮安装槽。
可选的或优选的，所述钻头体还包括钻头冠部和设置在钻头冠部下端的连接部；所述钻头冠部设置有多个刀翼，刀翼之间设置有多个排屑喷嘴，所述刀翼与PDC切削齿连接。
可选的或优选的，所述钻头体沿轴线方向上设置有中心流道，且所述钻头冠部末端与连接部连接处设置有多个加强排屑喷嘴，所述加强排屑喷嘴与中心流道通过钻头冠部内管道连接。
可选的或优选的，所述加强排屑喷嘴与所述排屑喷嘴内液体流动方向相反，且所述加强排屑喷嘴为3个、4个或5个。
可选的或优选的，所述多个PDC切削齿的一侧均设置有防碰节，且设置数量为3个。
可选的或优选的，所述多个牙轮钻头上环形阵列有多个牙轮，所述多个牙轮为复合片布齿结构，其中所述牙轮中部为锥齿，接近钻头体中轴线部分的牙轮为内圈复合片，远离钻头体中轴线部分的牙轮为外圈复合片；所述多个牙轮钻头设置数量为3个。
可选的或优选的，所述凸台为用于和牙轮安装槽卡合连接的卡合端和用于和牙掌连接的连接端。
可选的或优选的，所述凸台为卡合端各邻接面夹角均为直角的直角凸台、卡合端外侧邻接面夹角为直角且内侧邻接面夹角不为直角的单斜度凸台、卡合端各邻接面均为非直角且端面向内凹陷的双斜度凸台或卡合端为燕尾槽式的燕尾槽凸台。
可选的或优选的，述弹性结构为预压弹簧。
可选的或优选的，所述牙轮安装槽为U型结构，凸台与牙轮安装槽连接处设置有用于固定凸台以及与凸台连接牙掌的限位结构。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
本发明提供的一种自适应PDC复合钻头，通过凸台及牙轮安装槽结构处设置有弹性结构，使牙轮在钻头钻进时，可根据不同压力调节牙轮自身与钻头体以及PDC钻头之间的距离，即获得自适应能力，从而提升钻头使用寿命以及破岩效率。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例牙轮钻头结构示意图；
图3是本发明实施例牙轮钻头结构侧视图；
图4是本发明实施例牙轮钻头底部结构示意图；
图5是本发明实施例PDC钻头体示意图；
图6是本发明实施例PDC钻头体俯视图；
图7是本发明实施例组合破岩牙轮示意图；
图8是本发明实施例直角凸台结构示意图；
图9是本发明实施例单斜度凸台结构示意图；
图10是本发明实施例双斜度凸台结构示意图；
图11是本发明实施例燕尾槽凸台结构示意图。
图中：1、钻头体；2、牙轮钻头；3、连接部；4、钻头冠部；5、中心流道；6、连接螺纹；7、卸扣平面；8、刀翼；9、牙轮安装槽；10、加强排屑喷嘴；11、排屑喷嘴；12、PDC切削齿；13、防碰节；14、承压齿；15、牙轮；16、牙掌；17、凸台；18、安装孔；19、预压弹簧；20、端面；21、锥齿；22、外圈复合片；23、内圈复合片。
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它实施例都属于本发明保护的范围。
【实施例一】
请参阅图1至图7，一种自适应PDC复合钻头，包括设置有多个牙轮钻头2和多个带有PDC切削齿12的钻头体1，所述牙轮钻头2包括牙轮15以及和牙轮15连接的牙掌16，所述牙掌16上设置有用于和钻头体1连接的凸台17，所述凸台17底部单独或多个的设置有安装孔18，所述安装孔18用于设置向牙轮钻头2提供弹性支撑的弹性结构；所述牙掌16与钻头体1连接处为牙轮安装槽9。
作为可选的实施方式，所述钻头体1还包括钻头冠部4和设置在钻头冠部4下端的连接部3；所述钻头冠部4设置有多个刀翼8，刀翼8之间设置有多个排屑喷嘴11且刀翼8上还设置有承压齿14，所述刀翼8与PDC切削齿12连接。
本实施例中，所述连接部3上设置有用于连接其余工作装置的连接螺纹6以及卸扣平面7。
作为可选的实施方式，所述钻头体1沿轴线方向上设置有中心流道5，且所述钻头冠部4末端与连接部3连接处设置有多个加强排屑喷嘴10，所述加强排屑喷嘴10与中心流道5通过钻头冠部4内管道连接。
作为可选的实施方式，所述加强排屑喷嘴10与所述排屑喷嘴11内液体流动方向相反，且所述加强排屑喷嘴10为3个、4个或5个。
本实施例中，所述加强排屑喷嘴10为3个。
作为可选的实施方式，所述多个PDC切削齿12的一侧均设置有防碰节13，且设置数量为3个。
作为可选的实施方式，所述多个牙轮钻头2上环形阵列有多个牙轮15，所述牙轮15上设置有锥齿21。
作为可选的实施方式，所述凸台17为用于和牙轮安装槽9卡合连接的卡合端和用于和牙掌16连接的连接端。
作为可选的实施方式，所述弹性结构为预压弹簧19。
作为可选的实施方式，所述牙轮安装槽9为U型结构，凸台17与牙轮安装槽9连接处设置有用于固定凸台17以及与凸台17连接牙掌16的限位结构。
本实施例中，所述限位结构为在凸台17与牙轮安装槽9连接处焊接有限位挡块，以起到固定凸台17以及与凸台17连接的牙掌16的作用。
【实施例二】
本实施例为在实施例一的基础上增加了组合破岩结构。
请参阅图7，所述多个牙轮钻头2上环形阵列有多个牙轮15，所述多个牙轮15为复合片布齿结构，其中所述牙轮15中部为锥齿21，接近钻头体1中轴线部分的牙轮15为内圈复合片23，远离钻头体1中轴线部分的牙轮15为外圈复合片22；所述多个牙轮钻头2设置数量为3个。
本实施例中，所述锥齿21为驱动齿，驱动牙轮15绕自身中心轴旋转，锥齿21采用冲击式破岩，在锥齿21的驱动下，牙轮15上的内圈复合片23和外圈复合片22实现刮削式破岩，从而在牙轮15上实现冲击破岩与刮削式破岩的组合破岩方式。
【实施例三】
本实施例为在实施例一的基础上，增加了多种可选的凸台17结构以适应不同的实际工作情况。
请参阅图8-图11，所述凸台17为用于和牙轮安装槽9卡合连接的卡合端和用于和牙掌16连接的连接端。凸台17为卡合端各邻接面夹角均为直角的直角凸台、卡合端外侧邻接面夹角为直角且内侧邻接面夹角不为直角的单斜度凸台、卡合端各邻接面均为非直角且端面向内凹陷的双斜度凸台或卡合端为燕尾槽式的燕尾槽凸台。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种自适应PDC复合钻头，包括设置有多个牙轮钻头（2）和多个带有PDC切削齿（12）的钻头体（1），其特征在于，所述牙轮钻头（2）包括牙轮（15）以及和牙轮（15）连接的牙掌（16），所述牙掌（16）上设置有用于和钻头体（1）连接的凸台（17），所述凸台（17）底部单独或多个设置有用于向牙轮钻头（2）提供弹性支撑的弹性结构，所述弹性结构为预压弹簧（19）；所述牙掌（16）与钻头体（1）连接处为牙轮安装槽（9）。
2.根据权利要求1所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述钻头体（1）还包括钻头冠部（4）和设置在钻头冠部（4）下端的连接部（3）；所述钻头冠部（4）设置有多个刀翼（8），刀翼（8）之间设置有多个排屑喷嘴（11），所述刀翼（8）与PDC切削齿（12）连接。
3.根据权利要求2所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述钻头体（1）沿轴线方向上设置有中心流道（5），且所述钻头冠部（4）末端与连接部（3）连接处设置有多个加强排屑喷嘴（10），所述加强排屑喷嘴（10）与中心流道（5）通过钻头冠部（4）内管道连接。
4.根据权利要求3所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述加强排屑喷嘴（10）与所述排屑喷嘴（11）内液体流动方向相反，且所述加强排屑喷嘴（10）为3个、4个或5个。
5.根据权利要求1所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述多个PDC切削齿（12）的一侧均设置有防碰节（13），且设置数量为3个。
6.根据权利要求1所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述多个牙轮钻头（2）上环形阵列有多个牙轮（15），所述多个牙轮（15）为复合片布齿结构，其中所述牙轮（15）中部为锥齿（21），接近钻头体（1）中轴线部分的牙轮（15）为内圈复合片（23），远离钻头体（1）中轴线部分的牙轮（15）为外圈复合片（22）；所述多个牙轮钻头（2）设置数量为3个。
7.根据权利要求1所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述凸台（17）为用于和牙轮安装槽（9）卡合连接的卡合端和用于和牙掌（16）连接的连接端。
8.根据权利要求7所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述凸台（17）为卡合端各邻接面夹角均为直角的直角凸台、卡合端外侧邻接面夹角为直角且内侧邻接面夹角不为直角的单斜度凸台、卡合端各邻接面均为非直角且端面向内凹陷的双斜度凸台或卡合端为燕尾槽式的燕尾槽凸台。
9.根据权利要求1所述的自适应PDC复合钻头，其特征在于，所述牙轮安装槽（9）为U型结构，凸台（17）与牙轮安装槽（9）连接处设置有用于固定凸台（17）以及与凸台（17）连接牙掌（16）的限位结构。
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