[發明專利]一種交叉切削PDC鉆頭及設計方法

在審

• 申請號: 202210075955.8
• 申請日: 2022-01-23
• 公開（公告）號: CN114526015A
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 楊迎新;劉暢;蔡燦;李紀銳;任心禹;牛世偉;黃奎林
• 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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種交叉切削PDC鉆頭及設計方法，屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備用破巖工具領域，包括鉆頭體和固結在鉆頭體上的固定切削結構，固定切削結構上布置有第一組切削齒，鉆頭上還包括具有第二組切削齒的活動切削結構、軸向往復運動發生器和傳動機構，活動切削結構在軸向往復運動發生器及傳動機構的共同作用下，使活動切削結構上的第二組切削齒在隨鉆頭體作周向運動的同時還產生徑向位置的往復變化。當鉆頭在井下旋轉鉆進時，第一組切削齒、第二組切削齒在井底上的切削運動軌跡相互交叉，實現交叉切削，提高鉆頭的破巖效率和侵入能力。

技術領域

本發明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備用破巖 工具領域，具體的講涉及一種交叉切削PDC鉆頭及設計方法。

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。

聚晶金剛石復合片鉆頭(即PDC鉆頭)是鉆井工程中使用的主要鉆頭之一。依靠高硬度、 耐磨、能自銳的聚晶金剛石復合片來剪切破碎巖石，PDC鉆頭由于在軟到中硬地層中機械鉆 速高，壽命長、鉆進成本低，在鉆井工程中得到廣泛使用。

冠部輪廓(亦稱切削輪廓)是鉆頭重要的結構特征之一，與鉆頭布齒密度、工作受力及水 力結構緊密相關。目前金剛石鉆頭切削輪廓形狀呈拋物線狀，一般包括內錐、鼻部(冠頂區域)、 外錐、肩部和保徑五部分。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，切削齒的 齒刃輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為切削齒的軸面輪廓線。將所有切削齒 的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖。鉆頭切削輪廓線指在井底覆蓋圖中，所有 齒的軸面輪廓線相切的包絡曲線。

現有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭(鉆頭上無運動部件)，作為切削元件的聚晶金剛石 復合片按照一定的規律布置并固結在鉆頭體上，構成PDC鉆頭破碎巖石的切削結構。為了及 時將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帶至地面，同時也為了清洗鉆頭和冷卻切削齒，PDC鉆頭上還 需具有水力結構。水力結構通常由鉆頭內流道、外流道和噴射孔組成。噴射孔又稱噴嘴，可 以是直接設置在鉆頭體上的固定式噴嘴，也可以是安裝在鉆頭上的可替換式噴嘴。為了使鉆 頭的切削結構和水力結構達到更好的工作效果，在設計、制造鉆頭時，通常按照一定的規律 將PDC齒分成若干組，同組的PDC齒固結在同一個齒座上，每個齒座以及分布于其上的PDC 齒構成一個切削結構單元，稱為刀翼(齒座為刀翼體)。刀翼之間的溝槽就形成了鉆頭的外流 道。這種鉆頭為刀翼式PDC鉆頭。刀翼式PDC鉆頭是PDC鉆頭的主要結構類型。

現有的PDC鉆頭在面對復雜難鉆地層(高硬度、高研磨性、不均質性地層)時，不僅鉆 進效率受到限制，其使用壽命也不理想。其主要原因是：第一，在巖石的強度或硬度較高時， PDC齒難以吃入巖石以形成有效的刮切，特別是當PDC齒有磨損后，牙齒更加難以吃入地層， 鉆頭的機械鉆速會急劇降低。第二，PDC齒連續不斷地切削巖石，由于劇烈摩擦產生的熱量 會使齒達到相當高的溫度，當溫度超過一定界限時，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導致 熱磨損現象(當PDC齒工作溫度高于某一特定溫度時，其耐磨性明顯下降的現象稱為PDC齒 的熱磨損現象)的發生。第三，PDC鉆頭不同徑向區域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一 般鉆頭外部區域(特別是鉆頭半徑的外1/3區域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區域的齒， 切削齒磨損均衡性差，從而降低了鉆頭的綜合性能。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種交叉切削PDC鉆頭及設計方法，在固定切削齒鉆頭的基礎 上增加活動切削結構，活動切削結構可實現相對于鉆頭體的往復移動或擺動，與固定切削結 構共同切削巖石，提高鉆頭的破巖效率。

本發明目的通過下述技術方案來實現：