一種沖切PDC鉆頭制造技術

一種沖切PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼，刀翼與鉆頭本體固定相連或一體成型，刀翼上設置有切削齒，刀翼上還設置有保徑段，自保徑段處延伸有支承體，支承體上設置有沖擊單元，沖擊單元由滾動體、傳動裝置和沖擊裝置構成；所述滾動體能繞自身軸線轉動，且所述滾動體的外輪廓在徑向方向上與刀翼保徑段的距離為L，其范圍為?d/4≤L≤d/4，d為切削齒直徑；沖擊裝置由沖擊桿和至少一個沖擊齒組成。本發明專利技術在實現沖擊破巖時無需配備沖擊器工具，節約鉆井成本的同時，改善切削齒侵入能力，提高破巖效率。

【技術實現步驟摘要】
一種沖切PDC鉆頭
本專利技術涉及石油天然氣鉆探工程、礦山工程、地質鉆探、隧道工程等
，具體而言，涉及一種沖切PDC鉆頭。
技術介紹
鉆頭是鉆井過程中直接與巖石接觸并通過切削、沖擊等作用破碎巖石的工具。PDC(PolycrystallineDiamondCompact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，在石油鉆井、地質乃至建筑工程中的應用越來越廣泛。PDC鉆頭通過設置在鉆頭上的切削齒以切削為主要的方式進行巖石破巖，在軟至中硬地層中，能夠獲得理想的鉆速，在油氣鉆井中到了廣泛的應用。隨著淺層油氣資源的開發殆盡，油氣勘探開發的重點逐漸轉向深層、深海、非常規油氣(包括頁巖氣)。通常情況下，深部地層的巖石材料較硬、研磨性強，可鉆性差。PDC鉆頭，在這些地層中鉆進，往往不能獲得較高的機械鉆速，其中，最重要的一個原因就是受限于切削齒的吃入能力。特別是，隨著地層深度的增加，地層的復雜程度越來越高，如硬-塑性地層、硬-脆性地層、軟硬夾層、含礫地層等，切削齒不能有效吃入地層，鉆進效率低，且容易造成切削齒的快速磨損。切削齒的過度磨損后，會加重鄰齒的工作負荷，進而發生切削齒的連鎖失效，一旦出現較大區域的切削齒失效，鉆頭的切削能力即基本喪失。為了改善難鉆地層中鉆頭侵入能力差、破巖效率低、壽命短等問題，不少科研單位和鉆頭生產企業的工作人員，嘗試著將沖擊器工具(如軸向沖擊器、扭轉沖擊器)配合鉆頭使用。這種辦法，使鉆頭在鉆進的過程中產生小幅沖擊，以達到使切削齒在與巖石作用過程中的突然加力，井底巖石應力得到較大釋放，切削齒吃入能力得到提高。但，沖擊器產生的沖擊直接作用在了整個鉆頭上。通常情況下，鉆頭上安裝的切削齒為聚晶金剛石復合片，這些切削齒的抗沖擊能力相對較弱，當沖擊器的沖擊載荷作用到鉆頭上后，鉆頭上的切削齒與巖石產生沖擊很容易造成部分切削齒的崩脫等失效。在此情況下，西南石油大學提出了一種沖擊-刮切復合鉆頭(202659151U)，該技術方案將沖擊器產生的沖擊直接作用在沖擊切削結構上，而不直接作用在整個鉆頭上，提高切削齒侵入能力的同時，延長了鉆頭的工作壽命。然而，以上沖擊破巖技術均為沖擊器工具與破巖鉆頭的組合，沖擊設備的增加，使鉆井成本升高。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供了一種沖切PDC鉆頭，PDC鉆頭上設置有沖擊單元，無需單獨配備沖擊器工具，即能實現沖擊破碎或預損傷地層，提高破巖效率，節約成本。本專利技術是這樣實現的：一種沖切PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼，刀翼與鉆頭本體固定相連或一體成型，刀翼上設置有切削齒，刀翼上設置有保徑段，其特征在于，自保徑段處延伸有支承體，支承體上設置有沖擊單元，沖擊單元由滾動體、傳動裝置和沖擊裝置構成；滾動體能繞自身軸線轉動，且滾動體的外輪廓在徑向方向上與保徑段的距離L的范圍為-d/4≤L≤d/4，其中d為切削齒直徑；沖擊裝置由沖擊桿和至少一個沖擊齒組成；滾動體的轉動能夠通過傳動裝置實現沖擊裝置沿著沖擊方向沖擊。上述結構中，沖擊單元的滾動體在破巖過程中與巖石接觸產生轉動矩而自轉。滾動體通常為牙輪結構、滾輪結構、滾柱。滾動體的自轉通過傳動裝置實現沖擊裝置沿著預設的沖擊方向沖擊破巖或預損傷巖石，刀翼上的切削齒在破碎這些弱化的地層時，能耗低、效率高。一方面，沖擊單元能夠很好的輔助鉆頭上的切削齒破碎巖石，延長切削齒的工作壽命，進而延長鉆頭的可持續高效鉆進能力。另一方面，沖擊單元所形成的沖擊只需依靠鉆頭的公轉，而不需要單獨配備沖擊器等工具，節約鉆井成本。最后，滾動體設置在鉆頭的保徑段，增加了鉆頭與井壁的接觸支撐點，鉆進過程中鉆頭的振動能顯著降低，同時滾動體還能顯著降低鉆頭鉆進過程中的工作扭矩。結合圖7對滾動體外輪廓距離保徑段的距離L進行說明。在井底覆蓋圖中，滾動體的外包絡線即為外輪廓線，外輪廓線與保徑段的最近距離即為L。沖擊方向是指在井底覆蓋圖中沖擊齒的運動方向，通常包含在刀翼上切削齒的覆蓋范圍內(BS)，如圖7所示。顯然，沖擊方向并不是隨意設定，而應以破巖或損傷巖石為核心目的設定。井底覆蓋布齒圖，是指過鉆頭中心線的任意軸面內，切削齒的切削輪廓繞鉆頭中心線旋轉，并與該軸面形成交線，該交線即為切削輪廓線，將所有切削齒的切削輪廓線匯集在一起，就形成了井底覆蓋布齒圖，如圖7所示。井底覆蓋布齒圖直接反映了切削齒的定位半徑、定位高度等重要參數。同理，單個刀翼的覆蓋圖的形成原理類似，不再贅述。沖擊齒可以為錐型齒、楔型齒、勺型齒、球型齒等，沖擊齒的材料包括人造聚晶金剛石、天然金剛石、硬質合金、陶瓷、立方氮化硼等。沖擊齒與沖擊桿的連接方式可以為螺紋連接、過盈配合、焊接、或一體成型等方式。作為本專利技術的優選方案，傳動裝置為凸輪機構。結合附圖3來說明凸輪機構的實現與傳動原理，凸輪機構中包含傳動軸、軸端的凸輪體以及凸輪體上的凸體。滾動體與傳動軸固定連接或一體成型，傳動軸轉動過程中軸端凸輪體上的凸體與沖擊裝置中的沖擊桿形成凸輪副，這樣滾動體的轉動就可以通過凸輪機構實現沖擊裝置沿著預設方向沖擊。凸輪結構簡單、安全、可靠，易于實施。作為本專利技術的優選方案，傳動裝置為齒輪機構。結合附圖9來說明齒輪機構的實現與傳動原理，齒輪機構中包含傳動軸、傳動齒輪、從動齒輪以及從動齒輪上的凸體，傳動軸與滾動體固定連接或一體成型，傳動齒輪與傳動軸固定相連或一體成型。工作時，滾動體帶動傳動軸及傳動軸底端的傳動齒輪轉動，從動齒輪與傳動齒輪嚙合并產生轉動，從動齒輪上的凸體與沖擊裝置中的沖擊桿形成凸輪副，實現沖擊齒朝向沖擊方向沖擊。齒輪傳動穩定，且容易實現。作為本專利技術的優選方案，所述滾動體包括牙輪、滾輪、滾柱。作為本專利技術的優選方案，沖擊桿上設置有彈性元件，彈性元件可以為彈簧、碟簧、橡膠等，彈性元件用于實現沖擊桿完成沖擊后的回彈。對于沖擊單元而言，沖擊桿完成一次沖擊后，需要及時返程，否者無法順利完成下一次沖擊。沖擊桿上設置彈性元件容易實現，且結構簡單、可靠。作為本專利技術的優選方案，沖擊齒設置在切削齒的前方或后方。顯然，本領域研究人員很容易想到的是，沖擊齒與切削齒同軌道設計。作為本專利技術的優選方案，刀翼上設置有支撐座，沖擊裝置通過支撐座與傳動裝置相連。本專利技術至少包括以下有益效果：1、沖擊單元在依靠鉆頭自轉的情況下實現沖擊，而不需要配備沖擊器工具，節約成本。沖擊單元設置在鉆頭保徑處，其上的滾動體與井壁接觸，增加與井壁的接觸支撐點，降低鉆進過程中的振動，同時還能低鉆頭鉆進過程中的工作扭矩；2、沖擊單元的沖擊作用能形成對巖石的沖擊破碎或預損傷，鉆頭的切削齒在破碎這些已經被弱化了的地層時能耗小，在提高破巖效率的同時，降低了切削齒崩齒失效的幾率；3、本專利技術沖擊單元中的傳動裝置采用凸輪機構或齒輪傳動機構時，結構簡單、安全可靠、易于實施。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施方式的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本專利技術的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種沖切PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼，所述刀翼與所述鉆頭本體固定相連或一體成型，所述刀翼上設置有切削齒，刀翼上還設置有保徑段，其特征在于，自所述保徑段處延伸有支承體，所述支承體上設置有沖擊單元，所述沖擊單元由滾動體、傳動裝置和沖擊裝置構成；所述滾動體能繞自身軸線轉動，且所述滾動體的外輪廓在徑向方向上與所述保徑段的距離L的范圍為：-d/4≤L≤d/4，其中d為切削齒直徑；所述沖擊裝置由沖擊桿和至少一個沖擊齒組成。/n

【技術特征摘要】
1.一種沖切PDC鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼，所述刀翼與所述鉆頭本體固定相連或一體成型，所述刀翼上設置有切削齒，刀翼上還設置有保徑段，其特征在于，自所述保徑段處延伸有支承體，所述支承體上設置有沖擊單元，所述沖擊單元由滾動體、傳動裝置和沖擊裝置構成；所述滾動體能繞自身軸線轉動，且所述滾動體的外輪廓在徑向方向上與所述保徑段的距離L的范圍為：-d/4≤L≤d/4，其中d為切削齒直徑；所述沖擊裝置由沖擊桿和至少一個沖擊齒組成。


2.根據權利要求1所述的一種沖切PDC鉆頭，其特征在于，所述傳動裝置為凸輪機構。


3.根據權利要求1所述的一種沖切PDC鉆頭，其特征在于，所述傳動裝置為齒輪機構。


4.根據權利要求1所述的一種沖切PDC鉆頭，其特征...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張春亮，包澤軍，楊明，楊迎新，雷艷虹，段玉濤，代洋，
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