一種適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭制造技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的多個(gè)刀翼，刀翼之間的流道中設(shè)置有水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線既有不重合區(qū)域，也有重合點(diǎn)或重合區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度，延長(zhǎng)鉆頭壽命，而且能使鉆頭在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程都處于高比壓鉆進(jìn)狀態(tài)，增強(qiáng)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(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)鉆探、隧道工程、水文、盾構(gòu)及非開(kāi)挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鉆進(jìn)鉆頭。
技術(shù)介紹
PDC鉆頭是鉆井工程(特別是石油天然氣鉆井工程)中使用的主要鉆頭品種之一。依靠高硬度、耐磨、能自銳的聚晶金剛石復(fù)合片來(lái)剪切破碎巖石，PDC鉆頭由于在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長(zhǎng)，鉆進(jìn)成本低，在鉆井工程中得到廣泛使用。現(xiàn)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(gè)刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設(shè)置有多個(gè)切削元件(對(duì)PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復(fù)合片，簡(jiǎn)稱復(fù)合片或PDC齒)。在現(xiàn)有技術(shù)中，固定切削齒鉆頭上的刀翼均按照同步切削原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即每個(gè)刀翼上不同徑向位置的切削齒同時(shí)或同步(或基本同時(shí)、基本同步)進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始切削井底巖石，并同時(shí)開(kāi)始發(fā)生磨損。新鉆頭在理想工作狀態(tài)下(鉆頭中心與井眼中心重合的穩(wěn)定鉆進(jìn)狀態(tài))鉆削巖石時(shí)，同時(shí)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(shè)置在各刀翼的前側(cè)，以利于達(dá)到更好的冷卻和清洗效果。除了切削齒以外，還可根據(jù)需要在鉆頭上設(shè)置后備切削齒(即當(dāng)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(jié)構(gòu)(主要指幫助主切削齒破巖的結(jié)構(gòu)，如錐齒，或保護(hù)切削齒作用的緩沖結(jié)構(gòu)，如緩沖節(jié)或緩沖齒等)。在PDC鉆頭設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常會(huì)任意確定一個(gè)通過(guò)鉆頭中心軸線的平面作為布齒軸面(亦簡(jiǎn)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(zhǔn)確的表達(dá)。當(dāng)鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(或若干指定刀翼上的所有主切削齒)的軸面輪廓線匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖(或若干指定刀翼的軸面布齒圖)。因?yàn)檩S面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對(duì)井底巖石的徑向覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡(jiǎn)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(luò)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(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)PDC鉆頭的井底覆蓋圖，其中，標(biāo)記為R的水平方向?yàn)殂@頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向?yàn)殂@頭軸向，標(biāo)號(hào)11的曲線即為現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭的切削輪廓線。在鉆頭的井底覆蓋圖中，若僅將某個(gè)指定刀翼上的切削齒表示出來(lái)，而將其它刀翼上的切削齒隱去，就形成了該刀翼的軸面布齒圖。在刀翼的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，該包絡(luò)線則稱之為該刀翼的切削輪廓線。刀翼的切削輪廓線反映了當(dāng)?shù)兑砩现髑邢鼾X分布足夠密(能完全覆蓋該刀翼所在的井底徑向區(qū)域)時(shí)，該刀翼所獨(dú)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(zhuǎn)，則對(duì)某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個(gè)以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面，該回轉(zhuǎn)曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線，如圖2所示，其中標(biāo)號(hào)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(guī)徑面的區(qū)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(tài)，僅在臨近規(guī)徑的區(qū)域可能有明顯差異。因此，基于實(shí)現(xiàn)同步切削原理的需要，現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭各個(gè)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(gè)以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)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(duì)各刀翼的切削輪廓線也是成立的。正是這一結(jié)構(gòu)特征，使得固結(jié)在鉆頭各刀翼上的主切削齒能夠同時(shí)或同步切削井底巖石，進(jìn)而形成井筒。在技術(shù)專(zhuān)利“具有二級(jí)齒結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭”(專(zhuān)利號(hào)為:ZL200620033337.3)和技術(shù)專(zhuān)利“具有獨(dú)立式縱向后備切削結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭”(專(zhuān)利號(hào)為:ZL200720082270.7)中，均公開(kāi)了一種具有后備(二級(jí))齒結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭，其共同特點(diǎn)是后備齒均固結(jié)于主切削齒之下的鉆頭體內(nèi)，即后備齒相對(duì)于鉆頭體向內(nèi)布置，從而在鉆頭縱向上形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)。兩專(zhuān)利中設(shè)置縱向后備齒的目的在于增加鉆頭金剛石切削齒的縱向可磨損長(zhǎng)度，延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。但上述兩方案中的縱向后備齒均為內(nèi)鑲齒，而其主切削齒均按同步切削原理工作，作為輔助切削結(jié)構(gòu)的內(nèi)鑲齒須在主切削齒磨損殆盡且本體有部分磨損后才開(kāi)始工作，但在內(nèi)鑲齒切削巖石的同時(shí)，刀翼本體已經(jīng)與地層發(fā)生大面積接觸，顯著地降低了后備切削齒作用于巖石的比壓，從而使鉆頭的鉆進(jìn)效率受到很大限制。現(xiàn)有的具有同步切削原理的PDC鉆頭在面對(duì)復(fù)雜難鉆地層(高硬度、高研磨性乃至含礫石層、夾層等不均質(zhì)地層)時(shí)，不僅鉆進(jìn)效率受到限制，其使用壽命也不理想。其主要原因是：第一，為了保證鉆頭在硬地層鉆進(jìn)時(shí)能夠具備較強(qiáng)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(shí)切削齒的磨損速度卻更快，因此就形成了一個(gè)難鉆地層鉆頭設(shè)計(jì)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(fā)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(zhì)地層中鉆進(jìn)時(shí)切削齒常常受到較強(qiáng)的沖擊載荷，易發(fā)生少量甚至個(gè)別切削齒的脫落、斷裂、碎裂、金剛石層的崩裂等快速失效現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，將引發(fā)臨近區(qū)域切削齒因工作負(fù)荷增加而導(dǎo)致的連鎖失效，繼而產(chǎn)生環(huán)切現(xiàn)象，即鉆頭在該徑向區(qū)域內(nèi)的切削齒的出露部分被全部或大部分磨掉，并進(jìn)而在鉆頭各刀翼本體上磨出環(huán)形槽。環(huán)切現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，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(yán)重降低，所以鉆頭的破巖效率會(huì)顯著下降。所以，當(dāng)鉆頭上磨出環(huán)槽后，一般就認(rèn)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(yán)重時(shí)甚至連修復(fù)(更換或翻新已磨損的切削齒)都難以實(shí)施。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于：提出一種適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，能顯著提升鉆頭在復(fù)雜應(yīng)用條件、難鉆地層，特別是高硬度、高研磨性、高不均質(zhì)性等地層條件下的工作性能。本專(zhuān)利技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的多個(gè)刀翼，刀翼之間的流道中設(shè)置有水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域(或稱為異廓區(qū)域)，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域(或稱為同廓區(qū)域)。對(duì)于本專(zhuān)利技術(shù)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(lǐng)域公知的概念，在此不做贅述，可以參考如圖1、圖13、圖14、圖20所示，為本專(zhuān)利技術(shù)鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為鉆頭本體、2為連接螺紋、3為刀翼、33為刀翼布齒面、41為第一組切削齒、6為水眼；7為噴嘴；如圖10、圖15所示，為本專(zhuān)利技術(shù)中各刀翼本體輪廓線示意圖，其中，32為刀本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的多個(gè)刀翼，刀翼之間的流道中設(shè)置有水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，其特征在于：至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，包括鉆頭本體，延伸自鉆頭本體的多個(gè)刀翼，刀翼之間的流道中設(shè)置有水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，其特征在于：至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。2.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，其特征在于：至少有兩個(gè)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(qū)域頂點(diǎn)沿鉆頭徑向的徑向位置不同。3.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，其特征在于：至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個(gè)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(cuò)開(kāi)。4.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，其特征在于：至少有40％數(shù)量的刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個(gè)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(cuò)開(kāi)。5.如權(quán)利要求3所述的適用于難鉆地層的長(zhǎng)壽命鉆頭，其特征在于：所述曲線之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之一...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊迎新，戚清亮，張春亮，林敏，張偉峰，徐帥兵，王吉，
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，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51