本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備，特別是涉及一種減震齒pdc鉆頭。

背景技術(shù)：

1、鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，常用的有聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（pdc鉆頭）、牙輪鉆頭以及孕鑲金剛石鉆頭。pdc鉆頭依靠高硬度、高耐磨性、具有自銳能力的聚晶金剛石復(fù)合片來(lái)剪切巖石，pdc鉆頭憑借在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長(zhǎng)，鉆進(jìn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在油氣勘探、地?zé)徙@井作業(yè)等工程中得到了廣泛使用。以pdc鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個(gè)刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設(shè)置有多個(gè)切削元件（對(duì)pdc鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復(fù)合片，簡(jiǎn)稱復(fù)合片或pdc齒）。

2、在鉆井過(guò)程中，pdc鉆頭的復(fù)合片切削齒在鉆壓和扭矩的作用下，克服地層應(yīng)力吃入地層并向前鉆進(jìn)。pdc鉆頭以剪切的方式破碎巖石的工作特點(diǎn)，相比于牙輪鉆頭沖擊碾壓的破巖方式，所需驅(qū)動(dòng)扭矩較大。在理想鉆進(jìn)過(guò)程中，在一定的鉆壓下，pdc均勻的吃入地層，深度恒定，對(duì)巖石產(chǎn)生的是均勻刮切，其扭矩反饋趨于平穩(wěn)狀態(tài)。然而，由于井下地層情況的復(fù)雜性，特別是在鉆遇軟硬交錯(cuò)的地層時(shí)，鉆頭吃入地層深度頻繁變化，鉆頭扭矩反饋的振動(dòng)程度也就越劇烈。嚴(yán)重時(shí)，鉆頭吃入地層深度過(guò)深，會(huì)造成驅(qū)動(dòng)扭矩不能驅(qū)動(dòng)鉆頭進(jìn)行?旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致鉆頭停轉(zhuǎn)。此時(shí)鉆柱在轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)扭轉(zhuǎn)。當(dāng)鉆柱所積能量足以克服鉆頭與?地層之間互作用的扭矩時(shí)，鉆頭從靜止?fàn)顟B(tài)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡，鉆柱所積累的能量瞬間釋放，鉆頭突然超過(guò)正常速度的數(shù)倍加速旋轉(zhuǎn)。這就是鉆頭的粘滑現(xiàn)象。這種現(xiàn)象，易引起鉆頭和鉆具的高速旋轉(zhuǎn)和扭陣，使鉆頭切削齒承受大的周向沖擊載荷，導(dǎo)致鉆頭崩齒、損壞、鉆具?斷脫、及其他井下工具和測(cè)量?jī)x器的損壞，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。另外，由于pdc鉆頭吃入地層?的深度對(duì)鉆壓的變化特別敏感，加之切削齒與巖石互作用的復(fù)雜性，pdc鉆頭還存在沿鉆頭軸向方向的縱向振動(dòng)也會(huì)對(duì)鉆頭壽命和機(jī)械鉆速產(chǎn)生影響。

3、專利“一種基于減震結(jié)構(gòu)pdc切削齒”公開了一種可以減緩pdc鉆頭pdc齒的沖擊，但該技術(shù)存在以下三方面的問題。一是該技術(shù)采用常規(guī)的圓柱形pdc齒，pdc齒所安設(shè)的齒孔開設(shè)在刀翼的側(cè)面，由于各pdc齒的前傾角不同，在加工齒孔時(shí)則需要隨時(shí)調(diào)整刀具的角度，同時(shí)在加工過(guò)程中存在其他刀翼與所加工齒孔干涉的情況，也就是說(shuō)，在刀具從刀翼側(cè)面進(jìn)行鉆銑齒孔時(shí)，會(huì)破壞相鄰刀翼，影響了刀翼的完整性，后續(xù)需對(duì)該破壞的刀翼進(jìn)行修補(bǔ)。二是當(dāng)pdc齒的前傾角過(guò)小時(shí)（如內(nèi)錐區(qū)域），pdc齒的軸向伸縮范圍受限，進(jìn)而導(dǎo)致pdc齒吃入深度調(diào)節(jié)不明顯，軸向緩沖效果減弱。

4、因此，如何降低pdc鉆頭齒孔的加工難度，提供鉆頭制造效率，以及如何控制鉆頭吃入巖石的深度，減小鉆頭對(duì)鉆壓的敏感程度，消除鉆頭卡滑憋跳，使鉆頭扭矩在給定鉆壓下保持在相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是延長(zhǎng)井下鉆具和鉆頭的使用壽命，是提高鉆井效率的重要技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于：提供一種在鉆井過(guò)程中pdc齒可以軸向伸縮的pdc鉆頭,以控制pdc齒在軟硬交錯(cuò)地層、含礫不均質(zhì)地層的刮切深度變化、提高pdc齒抗沖擊能力，從而延長(zhǎng)pdc齒壽命、減少起下鉆頻率。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)：

3、一種具有減震齒的pdc鉆頭，包括鉆頭體、刀翼及刀翼上布置的pdc齒，鉆頭體上設(shè)置有水眼，pdc齒至少有一顆為減震pdc模塊，減震pdc模塊包括減震pdc齒、襯套、彈性元件、限位器，減震pdc齒由聚晶金剛石層、第一支撐基體和第二支撐基體組成，第一支撐基體與第二支撐基體軸線呈l狀，減震pdc齒與襯套之間設(shè)置有彈性元件以形成滑動(dòng)連接，限位器設(shè)置在所述襯套與所述減震pdc齒之間，所述刀翼上開設(shè)有齒孔，所述齒孔軸線與鉆頭切削輪廓法線重合，刀翼與襯套之間通過(guò)焊接或者過(guò)盈配合連接。

4、上述方案中，當(dāng)鉆頭受到較小軸向載荷時(shí)，此時(shí)彈性元件處于受到較小壓縮；當(dāng)鉆頭吃入深度突然增大、或遇不均勻地層時(shí)，鉆頭軸向載荷增大，彈性元件較大壓縮，減震pdc齒如此的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，使其具備了軸向伸縮的能力，以達(dá)到緩沖減震的目的。

5、上述方案中，切削輪廓（亦稱冠部輪廓）是鉆頭重要的結(jié)構(gòu)特征之一，它反映鉆頭上各個(gè)切削元件在井底破碎巖石的工作位置和狀態(tài)，是一個(gè)對(duì)鉆頭的地層適應(yīng)性、鉆進(jìn)性能有重要影響的結(jié)構(gòu)特征。目前金剛石鉆頭切削輪廓形狀呈拋物線狀，一般包括內(nèi)錐、鼻部、外錐、肩部和保徑區(qū)五部分。假設(shè)鉆頭上有一個(gè)通過(guò)鉆頭軸線和鉆頭上某一點(diǎn)的剖切平面（稱之為過(guò)該點(diǎn)的軸線平面或軸面）。當(dāng)鉆頭在鉆進(jìn)速度為零的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，刮切齒的齒刃輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為刮切齒的軸面輪廓線。將所有刮切齒的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖。鉆頭切削輪廓指在井底覆蓋圖中，所有齒的軸面輪廓線相切的包絡(luò)曲線。如圖12為減震pdc齒模塊在鉆頭軸線平面內(nèi)的井底覆蓋圖。

6、作為選擇，所述襯套側(cè)壁設(shè)置有與所述限位器配合的限位孔，所述第二支撐基體設(shè)置有與所述限位器配合的限位槽。

7、上述方案中，能夠使減震pdc齒在襯套里不能掉出，起到了防掉作用，且減震pdc齒軸向伸縮的行程取決于限位槽的長(zhǎng)度。

8、作為選擇，所述第一支撐基體與所述第二支撐基體軸線呈l狀，其夾角α的范圍為90°＜α＜180°。

9、上述方案中，在這樣一個(gè)角度范圍內(nèi)，可以使pdc齒在直接豎直安裝在圓柱形齒窩里，同時(shí)不同的夾角α能夠使切削齒以不同的前傾角有效地與巖石接觸。

10、作為選擇，在所述襯套與所述減震pdc齒之間設(shè)置有彈性元件，該彈性元件為彈簧。

11、上述方案中，彈簧相較于其它橡膠等彈性元件剛度更大不易損壞。

12、作為選擇，所述聚晶金剛石層為平面、屋脊形、奔馳形中的一種。

13、上述方案中，不同形狀的切削齒與不同的地層相互匹配，從而拓寬鉆頭適用范圍。

14、作為選擇，所述減震pdc齒安設(shè)于pdc-牙輪復(fù)合鉆頭、交叉刮切復(fù)合鉆頭或沖擊刮切復(fù)合鉆頭上。

15、上述方案中，不同種類的鉆頭與不同的地層相互匹配，從而拓寬鉆頭適用范圍。

16、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

17、1、該減震pdc模塊的彈性元件在軸向載荷的變化作用下可以使減震pdc齒軸向伸縮，以達(dá)到吸收部分沖擊載荷進(jìn)而達(dá)到減震的目的，延長(zhǎng)了沖擊時(shí)間，減小了沖擊力，提高了pdc切削齒的抗沖擊能力。

18、2、該減震pdc齒擁有軸向伸縮的能力可以控制其在不同地層的刮切深度，在軟地層軸向力小刮切深度大，提高鉆井效率，在硬地層軸向力大刮切深度小，起到自我保護(hù)防止卡鉆的作用，以延長(zhǎng)鉆頭壽命。

19、3、該減震pdc齒外形與常規(guī)pdc齒不同，其第一支撐基體與第二支撐基體軸線呈l狀，其夾角α的范圍為90°＜α＜180°，一方面可以降低pdc鉆頭齒孔的加工難度，提高鉆頭制造效率。另一方面不同的夾角α切削齒能夠得到相對(duì)應(yīng)不同的前傾角，因而不用控制齒窩來(lái)控制切削齒的前傾角。

技術(shù)特征：

1.一種具有減震齒的pdc鉆頭，包括鉆頭體、刀翼及刀翼上布置的pdc齒，鉆頭體上設(shè)置有水眼，其特征在于：所述pdc齒至少有一顆為減震pdc模塊，所述減震pdc模塊包括減震pdc齒、襯套、彈性元件、限位器，所述減震pdc齒由聚晶金剛石層、第一支撐基體和第二支撐基體組成，所述第一支撐基體與所述第二支撐基體軸線呈l狀，所述減震pdc齒與所述襯套之間設(shè)置有彈性元件以形成滑動(dòng)連接，所述限位器設(shè)置在所述襯套與所述減震pdc齒之間，所述刀翼上開設(shè)有齒孔，所述齒孔軸線與鉆頭切削輪廓的法線重合，所述刀翼與所述襯套之間通過(guò)焊接或者過(guò)盈配合連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有減震齒的pdc鉆頭，其特征在于：所述第一支撐基體與所述第二支撐基體軸線呈l狀，其夾角α的范圍為90°＜α＜180°。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有減震齒的pdc鉆頭，其特征在于：所述彈性元件為彈簧、橡膠、碟簧中的一種或兩種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有減震齒的pdc鉆頭，其特征在于：所述聚晶金剛石層為平面、屋脊形、奔馳形中的一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有減震齒的pdc鉆頭，其特征在于：所述減震pdc齒安設(shè)于pdc-牙輪復(fù)合鉆頭、交叉刮切復(fù)合鉆頭或沖擊刮切復(fù)合鉆頭上。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有減震齒的PDC鉆頭，該鉆頭包括鉆頭主體，延伸至鉆頭本體的若干個(gè)刀翼，以及布置在鉆頭體上的水眼，在刀翼上設(shè)置有減震PDC模塊；減震PDC模塊由減震PDC齒、襯套、彈性元件、限位器組成，減震PDC齒包括聚晶金剛石層、第一支撐基體和第二支撐基體，且第一支撐基體和第二支撐基體軸線呈L狀；當(dāng)減震PDC齒受到過(guò)大的軸向載荷時(shí)，彈性元件壓縮，PDC齒刮切深度減小，當(dāng)軸向載荷減少時(shí)，彈性元件伸長(zhǎng)，PDC齒刮切深度增加。該鉆頭可以實(shí)現(xiàn)控制PDC齒的刮切深度，既保留了PDC齒在軟地層破巖效率高的特點(diǎn)，又能防止PDC齒在難鉆地層吃入過(guò)深而發(fā)生卡滑現(xiàn)象，提高鉆頭的破巖效率和延長(zhǎng)使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：牛世偉,謝波,李禹潼,包澤軍,褚欣闌,朱筱菡
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西南石油大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6