[發明專利]一種動靜式雙級PDC鉆頭

有效

• 申請號: 201710044703.8
• 申請日: 2017-01-21
• 公開（公告）號: CN106593307B
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 劉偉
• 申請（專利權）人: 四川萬吉金剛石鉆頭有限公司
• 主分類號: E21B10/54
• 分類號: E21B10/54;E21B10/43
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種動靜式雙級PDC鉆頭，包括鉆頭體、固定刀翼，在固定刀翼上設置有PDC齒，水孔或者噴嘴等，其特征在于：在鉆頭心部區域設置有旋轉刀翼，旋轉刀翼上設置有PDC齒，且旋轉刀翼與固定刀翼成梯次布置PDC齒。這樣的結構能提高鉆頭心部區域PDC齒的破巖效率，提高鉆頭的機械鉆速，同時依靠雙級鉆頭特點，增強鉆頭鉆進穩定性，延長鉆頭的使用壽命，從而提升鉆頭的綜合性能。

技術領域

本發明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質鉆探、隧道工程、水文及非開挖等技術設備領域，具體涉及一種動靜式雙級PDC鉆頭。

背景技術

PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石復合片（簡稱PDC齒或切削齒）作為切削元件來剪切和破碎巖石。PDC鉆頭在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低，因此其在油氣井的鉆進中得到廣泛使用。復合片崩損的主要原因是來自井底巖石的沖擊力，除了巖石不均質帶來的沖擊以外，在更多的情況下，切削齒承受的沖擊力來自鉆頭的振動，特別是橫向振動。通常，鉆頭上最容易發生復合片崩損的位置是鉆頭上切削速度比較高的冠頂以及冠頂以外的徑向區域。在PDC鉆頭上最靠近鉆頭軸向中心的是固定切削齒，由于該固定切削齒太靠近鉆頭軸向中心，回轉半徑小，切削速度低，因而切削效率低；且該固定切削齒速度單獨切削井底軸向中心巖石，承受的載荷較大，易出現復合層破碎或脫落。

假設鉆頭上有一個通過鉆頭軸線和鉆頭上某一點的剖切平面（稱之為過該點的軸線平面或軸面）。當鉆頭在鉆進速度為零的條件下繞自身軸線旋轉時，切削元件的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為切削元件的軸面輪廓線，將所有切削元件的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有切削單元的軸面輪廓線相切的包絡曲線，被稱為鉆頭切削輪廓線，鉆頭切削輪廓線反映了鉆頭鉆出的井底的基本形狀特征。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術存在的不足而提供一種動靜式雙級PDC鉆頭，能提高鉆頭心部區域PDC齒的破巖效率，提高鉆頭的機械鉆速，同時依靠雙級鉆頭特點，增強鉆頭鉆進穩定性，延長鉆頭的使用壽命，從而提升鉆頭的綜合性能。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

現有技術的PDC鉆頭，通常包括鉆頭體、固定刀翼，在固定刀翼上設置有PDC齒，水孔或者噴嘴等，本專利的PDC鉆頭的區別在于：在鉆頭心部區域設置有旋轉刀翼，旋轉刀翼上設置有PDC齒，且旋轉刀翼與固定刀翼成梯次布置PDC齒。

本專利中，在鉆頭心部區域設置有旋轉刀翼，旋轉刀翼上設置有PDC齒，旋轉刀翼上的PDC齒在旋轉刀翼的自轉作用下刮切巖石，提高心部區域的破巖效率，從而提高鉆頭的機械鉆速，旋轉刀翼與固定刀翼成梯次布置PDC齒，這樣無論是旋轉刀翼還是固定刀翼的齒先切削巖石，都會在鉆頭心部形成凸起或者凹陷的臺階，這樣能提高鉆頭鉆進穩定性，同時在臺階處能釋放巖石應力，提高鉆頭的鉆進效率。

作為選擇，鉆頭體內設置有液動馬達，直接與旋轉刀翼連接。

上述方案中，旋轉刀翼的動力來源于液動馬達，這樣就旋轉刀翼上的PDC齒能夠穩定的刮切巖石，保證鉆頭心部區域的齒能高效的破碎巖石。

作為選擇，旋轉刀翼的軸線與鉆頭中心線平行或者重合。

上述方案中，只有當旋轉刀翼的軸線與鉆頭中心線平行或者重合時，才能保證旋轉刀翼上齒相當于復合鉆井的方式破碎巖石，從而提高心部區域的鉆進效率。

作為選擇，：旋轉刀翼的軸線與鉆頭中心線平行，且旋轉刀翼的偏心距取值范圍為e≤15mm。

上述方案中，旋轉刀翼偏心距的存在，可以讓旋轉刀翼上的切削齒與固定切削結構的相互位置更為靈活，以滿足鉆頭適用于不同地層、巖性的復雜鉆井條件。

作為選擇，旋轉刀翼向上凸起，高于固定刀翼，鉆頭成內凸外凹雙級鉆頭。