[發明專利]一種具有柔性切削結構的金剛石鉆頭

在審

• 申請號: 201810213421.0
• 申請日: 2018-03-15
• 公開（公告）號: CN110273650A
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 楊迎新;任海濤;林兆虎;黃奎林;戚清亮;楊燕;吳敏
• 申請（專利權）人: 西南石油大學;成都為一石油科技有限公司
• 主分類號: E21B10/43
• 分類號: E21B10/43;E21B10/54;E21B10/62;E21B10/627
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰;錢成岑

本發明公開了一種具有柔性切削結構的金剛石鉆頭，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、盾構及非開挖等技術設備領域，包括鉆頭體和切削元件，鉆頭體上設有緩沖切削模塊，緩沖切削模塊包括一個或多個切削元件和模塊基體，一個或多個切削元件固定于同一模塊基體上，且在模塊基體與鉆頭體之間設置有緩沖件。本發明鉆頭上的緩沖切削模塊在受到沖擊時，通過緩沖件的柔性緩沖作用，能顯著降低切削元件的沖擊載荷幅度，提高鉆頭上切削元件的抗沖擊能力，延長鉆頭在復雜難鉆條件下的使用壽命。

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、盾構及非開挖等技術設備領域，具體涉及一種具有柔性切削結構的金剛石鉆頭。

背景技術

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。PDC(PolycrystallineDiamond Compact聚晶金剛石復合片)鉆頭作為現有鉆頭技術中的一個重要種類，在鉆井、地質乃至建筑工程中的應用越來越廣泛。PDC鉆頭通過刮切的方式破巖，在理想工作條件下，鉆頭上的切削元件會在井底形成一簇同心圓刮切軌跡。對于常規PDC鉆頭而言，在現有技術中，切削元件幾乎都是直接焊接在刀翼的齒槽(也稱齒穴或齒窩)內，切削元件相對于刀翼是不能運動的，而鋼質刀翼體及粉末冶金制造的胎體式刀翼體的剛度都很大，所以在鉆進時，如果地層硬度高，或不均質性強(如軟硬交替地層、含礫巖層等)，鉆頭的切削齒將承受較大的沖擊載荷，特別是在PDC齒直接與巖石接觸的刃口區域，由于沖擊而致應力幅值很高，極易造成PDC齒金剛石層的崩裂甚至崩碎現象，從而嚴重縮短齒的工作壽命。當鉆頭在井下發生橫振或回旋運動時，復合片的沖擊載荷不僅幅值高，而且方向變化較大，所以也會導致復合片的金剛石層崩裂損傷。鉆頭的轉速越高，這種沖擊損傷越嚴重。相對鉆壓而言，PDC鉆頭的切削破巖效率對轉速的變化更敏感，也就是說，如果切削齒不發生沖擊崩損，增加轉速比增加鉆壓更有利于提升鉆進速度，然而，當地層巖石硬度或不均質性增加到一定程度時，為保障鉆頭切削齒的壽命，鉆頭就不能在高轉速下工作。

隨著鉆井工藝技術的進步，定向鉆進或導向鉆進技術應用越來越廣泛，導向鉆進技術分滑動導向和旋轉導向兩類，前者因為系統成本低故應用更為普遍?；瑒訉蜚@進的關鍵在于鉆頭由井下動力鉆具(包括螺桿鉆具和渦輪鉆具，螺桿使用更為普遍)驅動，或者由井下動力鉆具和鉆桿同時驅動(復合驅動)。滑動導向鉆進過程包括兩種工作模式：造斜模式和復合鉆進模式，前者由帶彎頭的動力鉆具(主要是螺桿)單獨驅動，完成井眼斜度或方位角的改變；后者則采用復合驅動，這種模式又叫復合鉆進，此時，鉆桿的旋轉為公轉，鉆頭在隨鉆桿公轉的同時，還要在動力鉆具的驅動下自轉，鉆頭不僅工作轉速高，而且由于鉆頭安裝在動力鉆具末端的彎頭上，所以鉆頭在井底的運動十分復雜。

研究表明，無論是滑動導向鉆進還是旋轉導向鉆進，鉆頭在井底的切削運動都比常規鉆進更復雜，鉆頭切削齒的沖擊載荷也更大。特別是在復合鉆進條件下，由于公轉、自轉并存的特殊驅動方式，以及安裝在彎頭上的鉆頭的傾斜工作姿態，使得鉆頭的切削巖石過程與常規鉆進條件有很大差異，主要體現在牙齒的切削工作狀態存在一定程度的交替性，有效工作齒數少于鉆頭總齒數、井底形貌的起伏不平、切削齒非平行刮切等方面。這些特點一方面有利于提高鉆頭的破巖效率，但另一方面也因牙齒沖擊載荷的顯著增大而使鉆頭的工作壽命顯著下降。所以，如果能顯著提高切削齒的抗沖擊能力，就能使延長鉆頭的工作時間，提高鉆頭適應高轉速的能力，不僅有利于提高破巖效率，也能減少起下鉆次數，從而使鉆井效率得到顯著提升。