本發(fā)明涉及一種鉆探、鉆井領域的自適應鉆頭，特別涉及一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭。

背景技術：

1、聚晶金剛石復合片鉆頭（簡稱pdc鉆頭）起源于20世紀70年代，是一種結合了金剛石硬度與硬質(zhì)合金基體韌性的先進鉆探工具，特別適用于地質(zhì)勘探、石油天然氣開采等領域。但pdc鉆頭切削齒的一種鉆進角度僅適用一種力學性能的巖石，當鉆進巖石硬度變化大的地層時，鉆頭鉆進效率明顯降低，壽命也會大幅減少。此外，pdc鉆頭切削齒的后傾角對鉆速和鉆頭壽命具有較大的影響，角度越小，pdc齒的效率越高。切削軟地層時，角度越小越有利于機械鉆速的發(fā)揮，同時軟巖硬度低，對切削齒造成的損傷有限；鉆進硬地層時，后傾角適當增大，有利于減小巖石沖擊碎片造成的傷害，增加鉆頭壽命。

2、已有部分專利對鉆頭適應性做了改進研究，如名稱為“交變前傾角的pdc鉆頭”（專利號：202411184163.x）的發(fā)明專利，通過沿鉆頭半徑方向排布的前傾角交錯變化的pdc齒，來提高鉆頭對復雜地層的適應性，其對巖石侵入能力高于常規(guī)pdc鉆頭，鉆頭上設置的pdc齒的前傾角交錯變化，形成了一種有效的限吃入結構，緩沖能力有所增強。但是該鉆頭對地層的適應范圍仍然較窄，很難應對復雜多變的地層環(huán)境。如名稱為“一種仿生自適應pdc鉆頭”（專利號：201510428061.2）的發(fā)明專利，仿生虎爪骨骼，根據(jù)其爪子自適應特性設計仿生自適應pdc鉆頭結構，運用生物爪趾通過關節(jié)活動實現(xiàn)自我保護，在鉆進復雜地層時在地層沖擊力的作用下能夠自適應地改變切削齒的切削角，能有效減緩和避免地層變化對切削齒的沖擊力破壞，提高鉆頭的壽命和鉆進效率。但是，該鉆頭的自適應元件因受到的應力較大，容易失效，且整個鉆頭均為自適應齒，受鉆壓的影響大，尤其克服軟硬夾層時，極易導致井底不平整而帶來跳鉆現(xiàn)象，影響鉆探取心質(zhì)量或鉆井質(zhì)量。為此，有必要開展創(chuàng)新研究，發(fā)明一種受力合理、壽命長的能主動適應巖性變化的pdc鉆頭。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是要解決上述仿生自適應pdc鉆頭遇到的自適應元件受力不合理、壽命短和鉆遇軟硬夾層地層時跳鉆嚴重等難題，提供一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭。

2、一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭，包括鉆頭基體、若干個自適應齒和若干個固定齒，若干個自適應齒和若干個固定齒依次交錯分布在鉆頭基體上端；

3、鉆頭基體上端設置有用于裝配自適應齒的槽鍵結構和用于裝配彈簧塞及彈性元件的彈簧孔；

4、自適應齒包括自適應胎體、第一pdc齒、第一螺栓、第二螺栓、限位塊、彈簧塞和彈性元件；

5、自適應胎體通過槽鍵結構限位連接在鉆頭基體上端，第一pdc齒固定設置在自適應胎體上端，第一螺栓螺紋連接在自適應胎體上端，彈性元件與彈簧塞設置在彈簧孔中，彈性元件位于彈簧塞下方并與其接觸；第一螺栓下端抵觸在彈簧塞上端，限位塊通過第二螺栓設置在自適應胎體上；

6、固定齒上部固定設置有第二pdc齒。

7、優(yōu)選的，在切削巖石時，所述自適應齒后傾角α在0°～?18°范圍內(nèi)變化，初始后傾角為0°～?10°；所述固定齒后傾角β固定設置為20°。

8、優(yōu)選的，自適應齒和固定齒為聚晶金剛石復合片，彈性元件為彈簧，通過彈簧的壓縮給彈簧塞和自適應胎體的位移創(chuàng)造條件，從而改變自適應齒的后傾角。

9、優(yōu)選的，自適應齒通過槽鍵結構設置在鉆頭基體上，槽鍵結構留有與自適應胎體和限位塊尺寸契合的槽，自適應齒裝配到鉆頭基體上之后通過限位塊限制自適應齒徑向位移，通過第二螺栓固定限位塊。

10、優(yōu)選的，在一定鉆壓下鉆進一種硬度的巖石時，自適應齒所受反力不變，根據(jù)胡克定律在下鉆前調(diào)節(jié)第一螺栓與彈性元件的配合及彈性元件的參數(shù)，使彈性元件的彈力與自適應齒所受反力平衡，以使自適應齒切削角在鉆進時保持切削該種力學性能巖石的最佳角度。

11、本發(fā)明的有益效果：

12、本發(fā)明結構巧妙，制作容易，裝卸方便，穩(wěn)定可靠，根據(jù)巖石和地層環(huán)境適時使用自適應齒和固定齒以減輕地層變化對切削齒的沖擊力破壞，有效提高鉆頭自適應齒的可靠程度、鉆頭壽命和鉆進效率，減少更換鉆頭次數(shù)，減少起下鉆的輔助時間，減小鉆探周期；此外彈性元件可選用彈簧，取材方便、成本低、效果好，可根據(jù)所鉆地層環(huán)境和巖石特征等選用不同參數(shù)的彈簧，使自適應齒切削角在鉆進時保持切削一種力學性能巖石的最佳角度。

技術特征：

1.一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭，其特征在于：包括鉆頭基體（1）、若干個自適應齒（2）和若干個固定齒（3），若干個自適應齒（2）和若干個固定齒（3）依次交錯分布在鉆頭基體（1）上端；

2.根據(jù)權利要求1所述的一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭，其特征在于：在切削巖石時，所述自適應齒（2）后傾角α在0°～?18°范圍內(nèi)變化，初始后傾角為0°～?10°；所述固定齒（3）后傾角β固定設置為20°。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭，其特征在于：自適應齒（2）和固定齒（3）為聚晶金剛石復合片，彈性元件（27）為彈簧，通過彈簧的壓縮給彈簧塞（26）和自適應胎體（21）的位移創(chuàng)造條件，從而改變自適應齒（2）的后傾角。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭，其特征在于：自適應齒（2）通過槽鍵結構（11）設置在鉆頭基體（1）上，槽鍵結構（11）留有與自適應胎體（21）和限位塊（25）尺寸契合的槽，自適應齒（2）裝配到鉆頭基體（1）上之后通過限位塊（25）限制自適應齒（2）徑向位移，通過第二螺栓（24）固定限位塊（25）。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種能主動適應巖性變化的pdc鉆頭，其特征在于：在一定鉆壓下鉆進一種硬度的巖石時，自適應齒（2）所受反力不變，根據(jù)胡克定律在下鉆前調(diào)節(jié)第一螺栓（23）與彈性元件（27）的配合及彈性元件（27）的參數(shù)，使彈性元件（27）的彈力與自適應齒（2）所受反力平衡，以使自適應齒（2）切削角在鉆進時保持切削該種力學性能巖石的最佳角度。

技術總結
本發(fā)明公開了一種能主動適應巖性變化的PDC鉆頭，包括鉆頭基體、若干個自適應齒和若干個固定齒，若干個自適應齒和若干個固定齒依次交錯分布在鉆頭基體上端，鉆頭基體上端設置有用于裝配自適應齒的槽鍵結構和用于裝配彈簧塞及彈性元件的彈簧孔，自適應齒包括自適應胎體、第一PDC齒、第一螺栓、第二螺栓、限位塊、彈簧塞和彈性元件，自適應胎體通過槽鍵結構限位連接在鉆頭基體上端，第一PDC齒固定設置在自適應胎體上端，第一螺栓螺紋連接在自適應胎體上端，彈性元件與彈簧塞設置在彈簧孔中，彈性元件位于彈簧塞下方并與其接觸；第一螺栓下端抵觸在彈簧塞上端，限位塊通過第二螺栓設置在自適應胎體上，固定齒上部固定設置有第二PDC齒。

技術研發(fā)人員：趙研,廖國銳,高科,郭京坤,謝曉波,高軍輝
受保護的技術使用者：吉林大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6