一種仿生自適應(yīng)pdc鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種鉆井領(lǐng)域的鉆頭，特別涉及一種仿生自適應(yīng)PDC鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]PDC鉆頭作為鉆進(jìn)中硬地層的主要鉆頭，應(yīng)用十分廣泛。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)硬地層、高研磨性地層、軟硬交錯(cuò)夾層、礫夾層、破碎巖層等地層時(shí)，其機(jī)械轉(zhuǎn)速急驟下降，切削齒磨損加快，極易出現(xiàn)聚晶金剛石層的碎裂、脫層甚至剝落，從而導(dǎo)致整個(gè)鉆頭的失效。此外，PDC切削齒的后傾角對(duì)鉆進(jìn)效率具有較大的影響，切削軟地層時(shí)，角度越小越有利于機(jī)械鉆速的發(fā)揮；鉆進(jìn)硬地層時(shí)，后傾角適當(dāng)增大，有利于減小巖石沖擊對(duì)PDC片造成的傷害。在石油鉆頭領(lǐng)域，已經(jīng)有部分學(xué)者對(duì)PDC鉆頭適應(yīng)性做出改進(jìn)研究，如西南石油大學(xué)鄧嶸等實(shí)用新型專(zhuān)利《自適應(yīng)混合鉆頭》(專(zhuān)利號(hào):CN102561953A)，該專(zhuān)利公布的鉆頭為牙輪齒與TOC齒的復(fù)合，該類(lèi)鉆頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，牙輪從某種程度弱化了巖石對(duì)PDC齒的沖擊損害，但PDC的切削齒的切削角在加工制造時(shí)就已固定，無(wú)法真正隨地層情況改變。
[0003]自然界動(dòng)物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)生存環(huán)境的適應(yīng)和進(jìn)化，進(jìn)化出獨(dú)特優(yōu)異的身體結(jié)構(gòu)。如貓科動(dòng)物爪趾可以瞬間穿透獵物皮肉，但當(dāng)趾尖觸及獵物堅(jiān)硬的骨骼遇阻時(shí)，爪的趾骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)改變爪趾的彎曲角度，如此既能穩(wěn)穩(wěn)抓住獵物又能保護(hù)其爪趾不受損傷。從仿生學(xué)角度出發(fā)，實(shí)用新型一種仿生自適應(yīng)roc鉆頭，以減緩PDC鉆頭在鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)非正常破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高鉆探綜合效益，因此研究一種能很好適應(yīng)復(fù)雜地層的鉆頭有很重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是要解決上述現(xiàn)有PDC鉆頭在鉆進(jìn)底層時(shí)，切削齒磨損快，鉆進(jìn)時(shí)對(duì)切削齒和PDC片的損壞大，易出現(xiàn)聚晶金剛石層的碎裂、脫層甚至剝落，導(dǎo)致整個(gè)鉆頭的失效，工作效率低等問(wèn)題，而提供一種仿生自適應(yīng)PDC鉆頭。
[0005]本實(shí)用新型是由鉆頭基體、數(shù)個(gè)切削齒和數(shù)個(gè)鉆頭刀翼組成，數(shù)個(gè)鉆頭刀翼固定設(shè)置在鉆頭基體上端，數(shù)個(gè)切削齒通過(guò)銷(xiāo)軸設(shè)置在數(shù)個(gè)鉆頭刀翼上；
[0006]聚晶金剛石復(fù)合片固定設(shè)置在切削齒柱體上端構(gòu)成切削齒，切削齒柱體通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接在鉆頭刀翼上，第一彈性體和第二彈性體分別設(shè)置在切削齒柱體兩側(cè)，并與鉆頭刀翼內(nèi)壁相配合；
[0007]切削齒的初始后傾角a為0° —10°，側(cè)轉(zhuǎn)角β為0° —15° ;
[0008]切削齒為超硬切削材料，為聚晶金剛石復(fù)合片或多晶金剛石片或硬質(zhì)合金齒。
[0009]本實(shí)用新型的工作原理和過(guò)程:
[0010]本實(shí)用新型仿生原型虎爪骨骼圖，當(dāng)虎捕食獵物時(shí)，它的前爪趾可以瞬間穿透獵物皮肉，但當(dāng)趾尖觸及獵物堅(jiān)硬的骨骼遇阻時(shí)，爪的趾骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)改變爪趾的彎曲角度，既能抓住獵物又能保護(hù)其爪趾不受損傷。根據(jù)其爪子這種自適應(yīng)特性來(lái)設(shè)計(jì)仿生自適應(yīng)roc鉆頭。
[0011]在鉆進(jìn)過(guò)程中，聚晶金剛石復(fù)合片切入巖石，受巖體反作用力，切削齒柱體通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接在鉆頭刀翼上，可在力的作用下在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一彈性體與第二彈性體具有一定的預(yù)緊力。在鉆進(jìn)硬巖地層時(shí)，切削齒柱體受巖體作用力大于第一彈性體的預(yù)緊力，切削齒向后轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮第一彈性體，后傾角變大，聚晶金剛石復(fù)合片受地層沖擊力減弱，避免沖擊受損，在鉆進(jìn)軟巖地層時(shí)，切削齒受巖體作用力小于第一彈性體的預(yù)緊力，大于第二彈性體的預(yù)緊力，第一彈性體向前舒展，切削齒向前轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮第二彈性體，后傾角變小，聚晶金剛石復(fù)合片更易切入巖石，完成高效碎巖。
[0012]本實(shí)用新型的有益效果:
[0013]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，運(yùn)用生物爪趾通過(guò)關(guān)節(jié)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)結(jié)構(gòu)，在鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)在地層沖擊力的作用下能夠自適應(yīng)的改變切削齒的切削角，減緩和避免地層變化對(duì)切削齒的沖擊力破壞，可以有效的提尚鉆頭的壽命和鉆進(jìn)效率，鉆進(jìn)硬巖后傾角變大、側(cè)轉(zhuǎn)角變小，保護(hù)復(fù)合片，鉆進(jìn)軟巖后傾角變小、側(cè)轉(zhuǎn)角變大，提高切削巖石效率和排肩效果。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是仿生原型虎爪骨骼示意圖。
[0015]圖2是本實(shí)用新型第一實(shí)施例的立體示意圖。
[0016]圖3是本實(shí)用新型第一實(shí)施例的局部立體示意圖。
[0017]圖4是本實(shí)用新型第二實(shí)施例的立體示意圖。
[0018]圖5是本實(shí)用新型切削齒的初始后傾角a示意圖。
[0019]圖6是本實(shí)用新型切削齒的側(cè)轉(zhuǎn)角β示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]第一實(shí)施例:
[0021 ] 請(qǐng)參閱圖2、圖3、圖5和圖6所示，本實(shí)施例是由鉆頭基體1、數(shù)個(gè)切削齒2和數(shù)個(gè)鉆頭刀翼3組成，數(shù)個(gè)鉆頭刀翼3固定設(shè)置在鉆頭基體I上端，數(shù)個(gè)切削齒2通過(guò)銷(xiāo)軸22設(shè)置在數(shù)個(gè)鉆頭刀翼3上；
[0022]聚晶金剛石復(fù)合片25固定設(shè)置在切削齒柱體21上端構(gòu)成切削齒2，切削齒柱體21通過(guò)銷(xiāo)軸22鉸接在鉆頭刀翼3上，第一彈性體23和第二彈性體24分別設(shè)置在切削齒柱體21兩側(cè)，并與鉆頭刀翼3內(nèi)壁相配合；
[0023]切削齒2的初始后傾角a為0° —10°，側(cè)轉(zhuǎn)角β為0° —15° ;
[0024]切削齒2為超硬切削材料，為聚晶金剛石復(fù)合片或多晶金剛石片或硬質(zhì)合金齒。
[0025]第二實(shí)施例:
[0026]請(qǐng)參閱圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實(shí)施例是由鉆頭基體1、數(shù)個(gè)切削齒2和數(shù)個(gè)鉆頭刀翼3組成，數(shù)個(gè)鉆頭刀翼3固定設(shè)置在鉆頭基體I上端，數(shù)個(gè)切削齒2通過(guò)銷(xiāo)軸22設(shè)置在數(shù)個(gè)鉆頭刀翼3上；
[0027]切削齒2的初始后傾角a為0° —10°，側(cè)轉(zhuǎn)角β為0° —15° ;
[0028]切削齒2為超硬切削材料，為聚晶金剛石復(fù)合片或多晶金剛石片或硬質(zhì)合金齒。
[0029]本實(shí)用新型的工作原理和過(guò)程:
[0030]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)用新型仿生原型虎爪骨骼圖，當(dāng)虎捕食獵物時(shí)，它的前爪趾可以瞬間穿透獵物皮肉，但當(dāng)趾尖觸及獵物堅(jiān)硬的骨骼遇阻時(shí)，爪的趾骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)改變爪趾的彎曲角度，既能抓住獵物又能保護(hù)其爪趾不受損傷。根據(jù)其爪子這種自適應(yīng)特性來(lái)設(shè)計(jì)仿生自適應(yīng)PDC鉆頭。
[0031]在鉆進(jìn)過(guò)程中，聚晶金剛石復(fù)合片25切入巖石，受巖體反作用力，切削齒柱體21通過(guò)銷(xiāo)軸22鉸接在鉆頭刀翼3上，可在力的作用下在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，第一彈性體23與第二彈性體24具有一定的預(yù)緊力。在鉆進(jìn)硬巖地層時(shí)，切削齒柱體21受巖體作用力大于第一彈性體23的預(yù)緊力，切削齒2向后轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮第一彈性體23，后傾角變大，聚晶金剛石復(fù)合片25受地層沖擊力減弱，避免沖擊受損，在鉆進(jìn)軟巖地層時(shí)，切削齒2受巖體作用力小于第一彈性體23的預(yù)緊力，大于第二彈性體24的預(yù)緊力，第一彈性體23向前舒展，切削齒2向前轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮第二彈性體24，后傾角變小，聚晶金剛石復(fù)合片25更易切入巖石，完成高效碎巖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種仿生自適應(yīng)PDC鉆頭，其特征在于:是由鉆頭基體(1)、數(shù)個(gè)切削齒⑵和數(shù)個(gè)鉆頭刀翼(3)組成，數(shù)個(gè)鉆頭刀翼(3)通過(guò)銷(xiāo)軸(22)設(shè)置在鉆頭基體(I)上端，數(shù)個(gè)切削齒(2)固定設(shè)置在數(shù)個(gè)鉆頭刀翼(3)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生自適應(yīng)PDC鉆頭，其特征在于:所述切削齒⑵與鉆頭基體(I)之間設(shè)有第一彈性體(23)和第二彈性體(24)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生自適應(yīng)PDC鉆頭，其特征在于:所述切削齒⑵為超硬切削材料，為聚晶金剛石復(fù)合片或多晶金剛石片或硬質(zhì)合金齒。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種仿生自適應(yīng)PDC鉆頭，是由鉆頭基體、數(shù)個(gè)切削齒組件和數(shù)個(gè)鉆頭刀翼組成，數(shù)個(gè)鉆頭刀翼固定設(shè)置在鉆頭基體上端，數(shù)個(gè)切削齒組件固定設(shè)置在數(shù)個(gè)鉆頭刀翼上，本實(shí)用新型仿生原型虎爪骨骼圖，根據(jù)其爪子這種自適應(yīng)特性來(lái)設(shè)計(jì)仿生自適應(yīng)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，運(yùn)用生物爪趾通過(guò)關(guān)節(jié)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)結(jié)構(gòu)，在鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)在地層沖擊力的作用下能夠自適應(yīng)的改變切削齒的切削角，鉆進(jìn)硬巖后傾角變大、側(cè)轉(zhuǎn)角變小，保護(hù)復(fù)合片，鉆進(jìn)軟巖后傾角變小、側(cè)轉(zhuǎn)角變大，聚晶金剛石復(fù)合片更易切入巖石，完成高效碎巖。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，減緩和避免地層變化對(duì)切削齒的沖擊力破壞，有效的提高鉆頭的壽命和鉆進(jìn)效率，提高切削巖石效率和排屑效果。
【IPC分類(lèi)】E21B10/43
【公開(kāi)號(hào)】CN204877277
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520528148
【發(fā)明人】高科, 孫陽(yáng), 孫友宏, 陳寶義, 馬宇, 謝曉波
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月16日
【申請(qǐng)日】2015年7月21日