一種適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭制造技術

本發明專利技術公開了一種適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸至鉆頭本體的若干個刀翼，相對鉆頭本體轉動連接的盤刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，盤刀由盤刀體和設置在其上的盤刀齒組成，至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區域，以及至少一個重合點或重合區域。這種結構特征可使鉆頭以異步切削方式工作，不僅能增加鉆頭的縱向磨損長度，延長鉆頭壽命，而且能使鉆頭在整個鉆進過程都處于高比壓鉆進狀態，增強鉆頭侵入巖石的能力，從而使鉆頭在難鉆地層的鉆速和壽命都得到提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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，特別是涉及一種鉆進鉆頭。
技術介紹
鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，常用的有PDC鉆頭和牙輪鉆頭。PDC鉆頭依靠高硬度、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。現有的以PDC鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設置有多個切削元件(對PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復合片，簡稱復合片或PDC齒)。但當鉆遇硬地層時，PDC鉆頭的鼻部和肩部上的切削齒很難有效吃入地層，從而大大降低了機械鉆速。西南石油大學提交的中國專利“一種以切削方式破巖的復合式鉆頭”(專利號：201010229371.9)中首次將PDC齒作為主切削元件設置在了具有大偏移角(偏移角a為20°≤|a|≤90°)的轉輪(該大偏移角的轉輪即本申請所稱的盤刀，本申請中的偏移角和軸傾角與上述專利中相同)上，同時也設置了裝有固定切削齒的固定切削單元(包括刀翼結構)。兩套切削單元不同的運動模式形成交叉網狀的井底，這種交叉切削的破巖方式較大的提高了鉆頭的機械鉆速。但是，在包括上述專利技術的現有技術中，固定切削齒所在的刀翼均按照同步切削原理進行設計，即每個刀翼上不同徑向位置的切削齒同時或同步(或基本同時、基本同步)進入工作狀態，開始切削井底巖石，并同時開始發生磨損。新鉆頭在理想工作狀態下(鉆頭中心與井眼中心重合的穩定鉆進狀態)鉆削巖石時，同時參與刮切巖石的所有切削齒均為主切削齒，主切削齒是鉆頭破碎巖石的主要切削元件，通常被設置在各刀翼的前側，以利于達到更好的冷卻和清洗效果。除了切削齒以外，還可根據需要在鉆頭上設置后備切削齒(即當主切削齒磨損到一定程度后才投入工作的切削齒，如后排齒等)和輔助切削結構(主要指幫助主切削齒破巖的結構，如錐齒，或保護切削齒作用的緩沖結構，如緩沖節或緩沖齒等)。在鉆頭設計過程中，通常會任意確定一個通過鉆頭中心軸線的平面作為布齒軸面(亦簡稱為軸面)，鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置均能在該軸面上得到準確的表達。當鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉時，切削齒的齒刃輪廓線與軸面相交形成交線，
該交線為切削齒的軸面輪廓線，再將鉆頭上所有主切削齒(或若干指定刀翼或盤刀上的所有主切削齒)的軸面輪廓線匯集在該軸面內，就形成了鉆頭的軸面布齒圖(或若干指定刀翼或盤刀的軸面布齒圖)。因為軸面布齒圖能準確反映鉆頭上切削齒對井底巖石的徑向覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。在鉆頭的井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡曲線，即為鉆頭的切削輪廓線(也即鉆頭的冠部輪廓線)，如圖2所示，為現有技術中常規PDC鉆頭的井底覆蓋圖，其中，標記為R的水平方向為鉆頭徑向，標記為Z的豎直方向為鉆頭軸向，標號11的曲線即為現有技術中鉆頭的切削輪廓線。在鉆頭的井底覆蓋圖中，若僅將某個指定刀翼或盤刀上的切削齒表示出來，而將其它刀翼或盤刀上的切削齒隱去，就形成了該刀翼或盤刀的軸面布齒圖。在刀翼或盤刀的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡曲線，該包絡線則稱之為該刀翼或盤刀的切削輪廓線。刀翼的切削輪廓線反映了當刀翼上主切削齒分布足夠密(能完全覆蓋該刀翼所在的井底徑向區域)時，該刀翼所獨立切削出的井底的基本或理想輪廓形狀特征。若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉，則對某一刀翼體而言，其前側面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉掃掠形成一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉曲面，該回轉曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線，如圖2或11所示，其中標號為32的曲線，即為刀翼的本體輪廓線。通常情況下，由于布置在刀翼布齒面上的主切削齒的出露高度是相同或相近的(臨近規徑面的區域除外)，所以刀翼的切削輪廓線與其本體輪廓線的形狀基本呈平行狀態，僅在臨近規徑的區域可能有明顯差異。因此，基于實現同步切削原理的需要，現有技術中鉆頭各個刀翼的本體輪廓線是互相重合或基本重合的。換言之，理論上鉆頭各刀翼的本體輪廓線均在同一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉曲面上，因而它們都是相同的一條曲線或相同曲線上的一段。這種特征可稱之為鉆頭各刀翼本體輪廓線的一致性或共線性。顯然，這種一致性或共線性不僅存在于各刀翼的本體輪廓線，而且對各刀翼的切削輪廓線也是成立的。正是這一結構特征，使得固結在鉆頭各刀翼上的主切削齒能夠同時或同步切削井底巖石，進而形成井筒。現有的具有同步切削原理的PDC鉆頭(包括具有盤刀的PDC鉆頭)在面對復雜難鉆地層(高硬度、高研磨性乃至含礫石層、夾層等不均質地層)時，不僅鉆進效率受到限制，其工作壽命也不理想。其主要原因是：第一，為了保證鉆頭在硬地層鉆進時能夠具備較強的吃入或侵入巖石表面的能力，就需要采用尺寸(直徑)較小的切削齒，然而小直徑切削齒的出露高度小，可磨損高度顯著低于大直徑切削齒，但此時切削齒的磨損速度卻更快，
因此就形成了一個難鉆地層鉆頭設計中難以解決的矛盾：若采用大直徑切削齒，切削齒難以侵入巖石(特別是發生一定程度磨損以后)，鉆頭破巖效率低；若采用小直徑切削齒，切削齒的工作壽命又不夠。第二，鉆頭在硬地層、不均質地層中鉆進時切削齒常常受到較強的沖擊載荷，易發生少量甚至個別切削齒的脫落、斷裂、碎裂、金剛石層的崩裂等快速失效現象，這種現象一旦發生，將引發臨近區域切削齒因工作負荷增加而導致的連鎖失效，繼而產生環切現象，即鉆頭在該徑向區域內的切削齒的出露部分被全部或大部分磨掉，并進而在鉆頭各刀翼本體上磨出環形槽。環切現象一旦出現，鉆頭上各刀翼的本體均直接與巖石形成面接觸，即便刀翼上的切削齒尚未全部磨完，但由于比壓嚴重降低，所以鉆頭的破巖效率會顯著下降。所以，當鉆頭上磨出環槽后，一般就認為鉆頭已喪失或接近喪失切削能力，不僅不能再入井使用，嚴重時甚至連修復(更換或翻新已磨損的切削齒)都難以實施。
技術實現思路
本專利技術的目的在于：提出一種適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，能顯著提升鉆頭在復雜應用條件、難鉆地層，特別是高硬度、高研磨性、高不均質性等地層條件下的工作性能。本專利技術目的通過下述技術方案來實現：一種適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的若干個刀翼，相對鉆頭本體轉動連接的盤刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，盤刀由盤刀體和設置于其外緣的盤刀齒組成，至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區域(或稱為異廓區域)，以及至少一個重合點或重合區域(或稱為同廓區域)。對于本專利技術所涉及的鉆頭本體、刀翼、刀翼布齒面、水眼、噴嘴、刀翼本體輪廓線，乃至第一組切削齒，為本領域公知的概念，在此不做贅述，可以參考如圖1、圖14、圖17、圖18、圖19及圖20所示，為本專利技術鉆頭的結構示意圖，其中，1為鉆頭本體、2為盤刀(即
技術介紹
所述大偏移角的轉輪)、21為輪掌、8為盤刀齒、3為刀翼、33為刀翼布齒面、41為第一組切削齒、61為水眼或噴嘴；如圖11所示，為本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體若干個刀翼，相對鉆頭本體轉動連接的盤刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，盤刀由盤刀體和設置于其外緣的盤刀齒組成，其特征在于：至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區域，以及至少一個重合點或重合區域。

【技術特征摘要】
1.一種適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體若干個刀翼，相對鉆頭本體轉動連接的盤刀，以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，盤刀由盤刀體和設置于其外緣的盤刀齒組成，其特征在于：至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區域，以及至少一個重合點或重合區域。2.如權利要求1所述的適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，其特征在于：至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線，且所述各曲線外凸區域頂點沿鉆頭徑向的徑向位置不同。3.如權利要求1所述的適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，其特征在于：至少有兩個刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯開。4.如權利要求3所述的適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，其特征在于：所述曲線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區域。5.如權利要求3所述的適用于難鉆地層的盤刀式復合鉆頭，其特征在于：所述曲線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊迎新，張春亮，戚清亮，林敏，黃奎林，王吉，
申請(專利權)人：西南石油大學，成都為一石油科技有限公司，
類型：發明
國別省市：四川;51