[發(fā)明專利]PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110389872.8
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102392605A
• 公開（公告）日: 2012-03-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李舒;田家林;曾德發(fā);楊琳
• 申請（專利權(quán)）人: 四川深遠(yuǎn)石油鉆井工具有限公司
• 主分類號: E21B10/55
• 分類號: E21B10/55
• 代理公司: 成都華典專利事務(wù)所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山開采、地質(zhì)鉆探、建筑工程、隧道工程、盾構(gòu)及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，涉及由PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭。

背景技術(shù)

鉆頭是鉆井過程中，直接與巖石接觸，通過切削、沖壓等作用破碎巖石的工具?，F(xiàn)代鉆井工程中廣泛使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭（Polycrystalline?Diamond?Compact?Bits聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）。當(dāng)今，牙輪鉆頭和PDC鉆頭都已發(fā)展到相當(dāng)高的水平，但仍存在一些不可克服的問題。一是怕劃眼和擴眼，使密封軸承的牙輪鉆頭，特別是PDC鉆頭先期損壞；二是對井底中心巖石的運動小，功能不足，中心巖石不易破碎，影響鉆頭的機械鉆速，牙輪鉆頭和PDC鉆頭中心布齒少、易磨損，也是鉆頭失效的主要原因。以下分別對本發(fā)明的背景相關(guān)的三牙輪鉆頭、單牙輪鉆頭、PDC鉆頭、復(fù)合鉆頭特點進行分析。

三牙輪鉆頭：三牙輪鉆頭鉆進時破巖形式為沖擊壓碎破巖，通過牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用破碎巖石，形成井徑（見圖8）。由于巖石的抗壓強度遠(yuǎn)大于抗剪和抗拉強度，而三牙輪鉆頭利用牙齒對巖石的沖擊作用來破巖，能量利用率不高。特別是在深井鉆井等高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應(yīng)明顯，鉆頭牙齒難以沖擊破碎巖石，故破巖效率相對較低。

三牙輪鉆頭軸承壽命是制約鉆頭使用壽命的主要因素之一，軸承承受鉆壓引起的載荷，加上三牙輪鉆頭以沖擊形式破巖，軸承受到的沖擊載荷大，載荷幅值高，加之三牙輪鉆頭的增速效應(yīng)：三牙輪鉆頭輪體速比（鉆井時牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比）大于1，即鉆頭鉆進時牙輪轉(zhuǎn)速大于鉆頭鉆速，所以軸承轉(zhuǎn)速相對較快，導(dǎo)致三牙輪鉆頭的軸承壽命較短。

從三牙輪鉆頭破巖過程和運動軌跡分析，牙輪上的牙齒與井底井壁巖石接觸時間較少，牙齒在井底滑移的距離也較小，影響了鉆進效率。

單牙輪鉆頭：單牙輪鉆頭則是依靠牙齒對地層的沖擊、滾壓和刮切三種方式破碎巖石，尤其是刮切運動的方向在牙輪表面的各個部位都不同，即不同排數(shù)的牙齒在井底沿不同方向的軌跡，作較長距離的滑移來切削地層，并形成網(wǎng)狀的井底軌跡（見圖9）。單牙輪鉆頭的特點是牙輪轉(zhuǎn)速低，軸承尺寸較大，使用壽命優(yōu)于三牙輪鉆頭，但是單牙輪鉆頭有無法回避的缺點：單牙輪鉆頭的滿眼結(jié)構(gòu)決定其破巖過程中容易發(fā)生重復(fù)破碎，排屑困難。牙齒耐磨性嚴(yán)重不足，一旦發(fā)生牙齒磨鈍或斷齒，機械鉆速急劇下降。

PDC鉆頭：PDC鉆頭破巖形式為刮削巖石，在鉆井、地質(zhì)乃至建筑工程中運用越來越廣泛，在鉆井工程中使用的比例越來越大。在鉆頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鉆頭鉆進時各切削齒的運動軌跡為相對固定的同心圓環(huán)帶（見圖10）。由于其破巖機理和結(jié)構(gòu)差異，PDC鉆頭適用于較高鉆速和軟至中硬地層。其不足主要有以下方面：

（1）井底條件要求高：如果井底有異物，會導(dǎo)致PDC鉆頭產(chǎn)生崩齒或熱摩擦現(xiàn)象，溫度升高燒黑胎體，甚至熔化釬焊層，產(chǎn)生掉齒現(xiàn)象，影響機械鉆速，加速鉆頭失效。

（2）PDC齒失效的嚴(yán)重后果：與牙輪鉆頭相比較，PDC鉆頭個別齒的失效（掉齒、崩齒等）會嚴(yán)重增加附近PDC齒的載荷，加快其磨損速度，加劇鉆頭失效。

（3）心部破巖效率不高：PDC鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，外肩部切削巖石比例大，磨損速度快。心部PDC齒接觸破巖效率低，磨損則較慢。

牙輪鉆頭+牙輪鉆頭的復(fù)合鉆頭：此類型復(fù)合鉆頭將牙輪鉆頭與牙輪鉆頭復(fù)合，井眼中心和井眼外圍均由牙輪鉆頭牙齒完成。有多種復(fù)合形式，應(yīng)用場合包括擴孔、非開挖中，其不足主要有：

（1）中心破巖效率不高：由于復(fù)合鉆頭由牙輪鉆頭組成，其破巖形式仍為沖擊破碎，能量利用率不高。同牙輪鉆頭一樣，在高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應(yīng)明顯，鉆頭牙齒難以沖擊破碎巖石，破巖效率相對較低，尤其是井眼中心部位，情況更為嚴(yán)重。

（2）井眼外圍鉆頭磨損嚴(yán)重：此類型復(fù)合鉆頭井眼外圍附近，牙輪鉆頭牙輪尺寸相對較小，但鉆進過程轉(zhuǎn)速高，會加速鉆頭的磨損和失效，同時導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)磨牙背現(xiàn)象。

（3）中心和外圍牙輪壽命不等、復(fù)合鉆頭壽命不高：基于此類型復(fù)合鉆頭的破巖機理和結(jié)構(gòu)組成，中心破巖效率不高，而井眼外圍的牙輪結(jié)構(gòu)尺寸小、轉(zhuǎn)速高、磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致井眼中心和井眼外圍的牙輪鉆頭壽命差異，難以實現(xiàn)復(fù)合鉆頭整體優(yōu)化和壽命提高。