[發(fā)明專(zhuān)利]一種長(zhǎng)壽命模塊切削齒及采用該切削齒的PDC鉆頭

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010153652.4
• 申請(qǐng)日: 2020-03-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111236851A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任海濤;張燈;楊迎新;田海萍;周春曉;張春亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西南石油大學(xué);成都為一石油科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): E21B10/46
• 分類(lèi)號(hào): E21B10/46;E21B10/42;E21B10/60
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明公開(kāi)了一種長(zhǎng)壽命模塊切削齒及采用該切削齒的PDC鉆頭，包括有鉆頭體，刀翼、水眼和切削齒；所述切削齒固結(jié)在刀翼上，所述切削齒至少有一顆為由中心齒、軸套和彈性元件組成的模塊齒；所述中心齒由金剛石層和基體組成，其特征在于：所述金剛石層端面沿周向分布有3D棘牙，在中心齒和軸套之間設(shè)置有彈性元件和限位裝置。在PDC鉆頭破巖鉆進(jìn)時(shí)，一方面切削載荷通過(guò)3D棘牙能夠推動(dòng)中心齒周向旋轉(zhuǎn)，另一方面與彈性元件還能形成彈性互動(dòng)。其有益效果：彈性元件能夠發(fā)揮緩沖吸振作用，預(yù)防金剛石層發(fā)生過(guò)載沖擊破損；金剛石層的3D棘牙特征能夠以犁削方式破巖，提高鉆頭鉆進(jìn)能效；中心齒的周向旋轉(zhuǎn)能力還能夠使切削刃均勻磨損，大大提高鉆頭使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、地質(zhì)鉆探、隧道工程、水文等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種具有緩沖吸振結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)壽命模塊切削齒，以及采用該切削齒的PDC鉆頭。

背景技術(shù)

鉆頭是鉆井過(guò)程中直接與巖石接觸并通過(guò)切削、沖擊等作用破碎巖石的工具。

PDC(Polycrystalline Diamond Compact——聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭作為現(xiàn)有鉆頭技術(shù)中的重要一個(gè)種類(lèi)，在鉆井、地質(zhì)乃至建筑工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。PDC鉆頭以切削形式破巖，在鉆頭中心線(xiàn)和井眼中心線(xiàn)重合的理想工作條件下，其上切削齒在井底產(chǎn)生的切削軌跡為同心圓環(huán)帶。對(duì)于常規(guī)PDC鉆頭而言，由于破巖過(guò)程中切削齒持續(xù)刮切巖石，使得巖石和鉆頭之間產(chǎn)生連續(xù)的摩擦，在熱磨損的作用下，切削齒將逐漸變鈍。在鉆頭鉆進(jìn)初期，切削齒磨損量少，齒刃與巖石的接觸區(qū)域小，切削比壓大，機(jī)械鉆速高；隨著磨損量逐漸增加，齒刃與巖石接觸區(qū)域增加，比壓減小，機(jī)械鉆速逐步降低，直至鉆頭失效。此外，地層巖石越硬，切削齒侵入巖石難度越高，而使切削齒維持對(duì)井底巖石的有效侵入是PDC鉆頭高效破碎巖石的必要條件。為了提高PDC鉆頭對(duì)巖石的侵入能力，通常鉆頭要采用較小直徑的切削齒，但鉆頭在硬地層鉆進(jìn)時(shí)切削齒的磨損速度快，而小直徑切削齒的可磨損高度較小，這就形成了硬地層鉆頭設(shè)計(jì)中的一個(gè)不易克服的技術(shù)矛盾，使硬地層鉆頭的工作能力受到嚴(yán)重制約。因此，避免切削齒持續(xù)刮切巖石，從而降低熱磨損是提高鉆頭(尤其是在高硬度、高研磨性地層中工作的鉆頭)鉆進(jìn)效率和延長(zhǎng)鉆頭壽命的重要途徑。

美國(guó)專(zhuān)利“ROTATTING CUTTING ELEMENTS FOR PDC BITS”(專(zhuān)利號(hào):US20140326515A1)公開(kāi)了一種PDC鉆頭用的旋轉(zhuǎn)切削齒。該專(zhuān)利中的旋轉(zhuǎn)切削齒具有獨(dú)立的軸承結(jié)構(gòu)，使其安裝在鉆頭刀翼上之后能夠相對(duì)刀翼體旋轉(zhuǎn)。通過(guò)在刀翼上設(shè)置旋轉(zhuǎn)齒，使鉆頭在切削地層時(shí)旋轉(zhuǎn)齒的切削端面的整個(gè)圓周均能參與對(duì)地層的切削，提高了其切削端面的利用率，從而大幅提高了鉆頭的使用壽命，顯著提高了單只鉆頭的進(jìn)尺能力，并保持較高的鉆頭進(jìn)鉆速度。但在PDC鉆頭的工作過(guò)程中，由于地層環(huán)境和破巖過(guò)程的復(fù)雜性，切削齒通常都會(huì)受到來(lái)自巖石的沖擊作用。由于單顆旋轉(zhuǎn)切削齒的直徑限制，其結(jié)構(gòu)尺寸必然較小，從而強(qiáng)度不高，因此這樣的切削齒的耐沖擊性能較差，容易在沖擊載荷下發(fā)生破壞。

在鉆遇含礫石的地層或者地層軟硬交錯(cuò)，變化較為頻繁時(shí)，復(fù)合片所受沖擊載荷較大，金剛石復(fù)合片容易出現(xiàn)崩齒、脫層、斷齒等非磨損的異常失效，從而導(dǎo)致鉆頭整體失效。現(xiàn)有的金剛石復(fù)合片的抗沖擊能力主要以改變金剛石復(fù)合片中金剛石層與硬質(zhì)合金基座軸套界面結(jié)構(gòu)降低其殘余應(yīng)力、或者改變材料配方、加工工藝來(lái)提高。也有采用球頭形、錐形等異形PDC齒，這種異形結(jié)構(gòu)的PDC齒雖然提高了其抗沖擊能力，但使用過(guò)程中存在鉆進(jìn)切削阻力大，鉆頭扭矩大，鉆進(jìn)效率低等現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明專(zhuān)利的目的在于：針對(duì)常規(guī)切削齒存在的不足，提出一種具有緩沖吸振能力的長(zhǎng)壽命模塊切削齒，以及采用該切削齒的PDC鉆頭，其中所述的“具有緩沖吸振結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)壽命模塊切削齒”以下簡(jiǎn)稱(chēng)“模塊齒”。該模塊齒的異形結(jié)構(gòu)金剛石復(fù)合片層可推動(dòng)切削齒實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)，使切削齒全部切削刃參與巖石切削，同時(shí)異形切削刃以犁削的方式破巖，在受到?jīng)_擊作用時(shí)，彈性元件可實(shí)現(xiàn)緩沖減振，提高切削齒的抗沖擊性，同時(shí)可進(jìn)一步促使中心齒有規(guī)律旋轉(zhuǎn)，從而有效降低了切削齒的磨損速率，提高了鉆頭破巖效率和使用壽命。