一種具有交變切削軌跡的pdc鉆頭工具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備用破巖工具領(lǐng)域，尤其是一種用于鉆探設(shè)備用破巖的PDC鉆頭工具。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆頭是在鉆井工程中用以破碎井底巖石、形成井筒的破巖工具?，F(xiàn)今鉆井工程中所使用的常規(guī)鉆頭主要有三牙輪鉆頭、PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭以及牙輪-PDC混合鉆頭坐寸ο
[0003]其中PDC鉆頭(聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)是目前石油鉆井工程中最常用的一種鉆井工具。隨著切削齒材料技術(shù)和鉆頭設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步，其獨(dú)特的鉆井安全性、結(jié)構(gòu)形式的靈活性以及剪切破巖的高效切削性，使PDC鉆頭在油氣鉆井工程中的地層適應(yīng)范圍越來越廣，據(jù)統(tǒng)計目前在世界范圍內(nèi)鉆井總進(jìn)尺數(shù)的70%都是由PDC鉆頭完成的，占有絕對的重要地位。常規(guī)的PDC鉆頭主要是通過“吃入-刮切”作用破碎井底巖石，但當(dāng)鉆井遇到硬塑性地層時，PDC鉆頭上的切削齒往往很難有效吃入井底巖石，鉆頭的機(jī)械鉆速將變得非常緩慢，難以獲得較好的鉆頭使用效果。
[0004]為了應(yīng)對這種情況，中國專利CN 200880016630.0公開了一種“混合鉆頭”，該鉆頭由具有滾動牙輪和固定刀翼復(fù)合切削結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒀垒喌臎_擊壓碎破巖方式和刀翼的刮切破巖方式結(jié)合起來，在特定地層條件下能夠獲得較好的綜合鉆進(jìn)效果。但該鉆頭的不足主要表現(xiàn)在:牙輪破巖所產(chǎn)生的沖擊載荷容易導(dǎo)致固定刀翼上的金剛石齒發(fā)生異常失效，如崩刃、脫層、斷齒或掉齒等，給鉆頭的高效應(yīng)用帶來不確定性因素。中國專利CN201010229371.9公開了 “一種以切削方式破巖的復(fù)合鉆頭”，該鉆頭利用了“以交替刮切形式破巖可以提高破巖效率”的思想，提出了將一種鑲裝有roc齒等高強(qiáng)度切削齒的轉(zhuǎn)輪與固定刀翼相間布置的復(fù)合鉆頭。該鉆頭所具有的“轉(zhuǎn)輪-固定刀翼”復(fù)合切削結(jié)構(gòu)能夠在井底巖石上形成網(wǎng)狀破碎區(qū)域，具有破巖效率高，磨損均勻，鉆頭使用壽命長等優(yōu)點。該鉆頭所述的轉(zhuǎn)輪為一種被動旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)，在地層巖石的反作用力條件下實現(xiàn)“緩慢交替切削過程”。但影響轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的因素很多，如地層巖石形貌及力學(xué)特性、輪體切削結(jié)構(gòu)與固定切削結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系、鉆井參數(shù)條件和輪體與軸承或軸頸的摩擦力等，因此轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動規(guī)律存在不確定性。當(dāng)在某些特殊工況下輪體的旋綜合驅(qū)動力方向有可能與輪體的旋轉(zhuǎn)線速度方向垂直，也即為死點工況，輪體就會被“卡住”不動。此時，鉆頭將無法實現(xiàn)“以交替刮切形式破巖”效果。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種具有交變切削軌跡的PDC鉆頭工具，將一種能產(chǎn)生偏心擺動旋轉(zhuǎn)的井下傳動機(jī)構(gòu)與PDC鉆頭相結(jié)合，通過該井下傳動機(jī)構(gòu)與鉆柱系統(tǒng)的復(fù)合運(yùn)動，可為PDC鉆頭提供一種交變切削運(yùn)動軌跡運(yùn)動，一是可形成對井底的網(wǎng)狀交叉切削過程，增加鉆頭切削齒對巖石的吃入能力，提高破巖效率；二是變“切削”破巖為“交變犁削”破巖，可提高鉆頭的自銳性和攻擊能力，有利于提高破巖效率；三是鉆頭的交變軌跡切削運(yùn)動具有“強(qiáng)制性”，可靠性高。特別在深部難鉆地層高硬度、高研磨性地層具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本實用新型的具有交變切削軌跡的PDC鉆頭工具，包括偏心軸、外殼體、PDC鉆頭和擺線軸，所述PDC鉆頭固定連接于擺線軸上，所述擺線軸匹配于外殼體內(nèi)可相對變軌跡偏心旋轉(zhuǎn)，所述偏心軸上設(shè)置的偏心軸段匹配于擺線軸的內(nèi)腔中形成轉(zhuǎn)動副，所述偏心軸的內(nèi)流道、擺線軸的內(nèi)流道與PDC鉆頭的內(nèi)流道連通。
[0008]由于采用了上述結(jié)構(gòu)，偏心軸上偏心軸段與擺線軸匹配形成轉(zhuǎn)動副，使偏心軸轉(zhuǎn)動時，偏心軸段帶動擺線軸相對于外殼體做變軌跡偏心旋轉(zhuǎn)，從而帶動PDC鉆頭做交變切削運(yùn)動軌跡，一是可形成對井底的網(wǎng)狀交叉切削過程，增加鉆頭切削齒對巖石的吃入能力，提高破巖效率；二是變“切削”破巖為“交變犁削”破巖，可提高鉆頭的自銳性和攻擊能力，有利于減緩切削齒的磨損速度；三是鉆頭的交變軌跡切削運(yùn)動具有“強(qiáng)制性”，可靠性高。特別在深部難鉆地層高硬度、高研磨性地層具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。具體為:1、交變軌跡切削運(yùn)動可有效提高鉆頭的破巖鉆進(jìn)效率。常規(guī)固定切削齒roc鉆頭在井底的運(yùn)動軌跡均為圓形，每顆齒都沿著各自固定的旋轉(zhuǎn)軌跡做刮切運(yùn)動，無論是現(xiàn)場鉆頭鉆進(jìn)和失效形式，還是室內(nèi)可鉆性實驗都能夠反映出PDC鉆頭在這一運(yùn)動狀態(tài)下的地層吃入能力影響著鉆頭的破巖效率，特別是在深部難鉆地層，這一影響更為嚴(yán)重。而本專利可實現(xiàn)井底網(wǎng)狀交變軌跡切削運(yùn)動，有利于切削齒對巖石的有效吃入，有利于巖石的破碎，進(jìn)而有效提高鉆頭的破巖效率。2、變“切削”破巖為“交變犁削”破巖可提高鉆頭的自銳性和攻擊能力。常規(guī)固定齒PDC鉆頭在井底做圓軌跡切削運(yùn)動時，其切削線速度方向、工作平面法線方向均固定不變(相對不變)，也即切削齒的工作前角和刃傾角固定不變。一般情況下常規(guī)鉆頭的工作前角大小與切削結(jié)構(gòu)前角相當(dāng)(30° -10° )，刃傾角則較小(一般在5°以內(nèi))，在這種狀態(tài)下的PDC鉆頭切削齒運(yùn)動狀態(tài)稱為“負(fù)前角底刃切削”狀態(tài)。當(dāng)PDC鉆頭切削齒做交變軌跡切削運(yùn)動時，切削齒的刃傾角的大小則在運(yùn)動過程中始終變化(按正弦曲線規(guī)律變化)。當(dāng)刃傾角大到一定程度時，切削齒與井底巖石的接觸運(yùn)動狀態(tài)就變?yōu)椤袄缦鳌苯佑|，這一切削狀態(tài)的變化可有效提高鉆頭的攻擊性，進(jìn)而提高鉆頭的破巖效率。同時，刃傾角的變化是雙向的，即改變常規(guī)切削齒的底刃切削為交變軌跡運(yùn)動條件下切削齒的左右交替雙刃切削，其效果是在增加切削齒耐磨壽命的同時，提高了切削齒的特殊自銳能力，進(jìn)而提高鉆頭的工作性能。3、鉆頭的交變軌跡切削運(yùn)動具有強(qiáng)制性。無論是牙輪-PDC復(fù)合鉆頭還是輪式復(fù)合金剛石鉆頭，均是固定齒切削結(jié)構(gòu)和輪體轉(zhuǎn)動切削結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，輪體的轉(zhuǎn)動是通過與地層巖石的反作用力作為旋轉(zhuǎn)動力，即為被動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。影響輪體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的因素很多，如地層巖石形貌及力學(xué)特性、輪體切削結(jié)構(gòu)與固定切削結(jié)構(gòu)的匹配關(guān)系、鉆井參數(shù)條件和輪體與軸承或軸頸的摩擦力等，因此輪體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動規(guī)律存在不確定性。當(dāng)在某些特殊工況下輪體的旋綜合驅(qū)動力方向有可能與輪體的旋轉(zhuǎn)線速度方向垂直，也即為死點工況，這時輪體就會被“卡住”不動。在室內(nèi)實驗中經(jīng)常能夠觀察到輪體無法旋轉(zhuǎn)的情況。本實用新型所提出的結(jié)構(gòu)方案中，PDC鉆頭的非圓曲線自轉(zhuǎn)運(yùn)動動力來源于工具內(nèi)部，與地層巖石的互作用力對其運(yùn)動規(guī)律影響效果不大，因此能夠保證PDC鉆頭實現(xiàn)規(guī)則的“交變軌跡切削運(yùn)動”，其工作可靠性顯著提高。本實用新型中井液循環(huán)是由鉆柱系統(tǒng)內(nèi)鉆井液流體通過偏心軸的內(nèi)孔道、擺線軸的內(nèi)孔道，再經(jīng)PDC鉆頭的內(nèi)流道及噴嘴進(jìn)入井下環(huán)空，進(jìn)而建立鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，確保PDC鉆頭在產(chǎn)生交變切削軌跡的同時加注泥漿，保證PDC鉆頭的正常鉆進(jìn)。
[0009]本實用新型的具有交變切削軌跡的PDC鉆頭工具，所述外殼體的內(nèi)壁上均布有若干針齒組形成針輪結(jié)構(gòu)，所述擺線軸的外壁上設(shè)有若干擺線齒，所述擺線齒與針輪結(jié)構(gòu)相嚙合構(gòu)成嚙合傳動關(guān)系；或者所述外殼體的內(nèi)壁上均布有若干輪齒，所述擺線軸的外壁上設(shè)有若干擺線齒，所述擺線齒與輪齒相哨合構(gòu)成哨合傳動關(guān)系。
[0010]由于采用了上述結(jié)構(gòu)，在外殼體內(nèi)設(shè)置與擺線軸相互配合的機(jī)構(gòu)，例如與擺線軸外的擺線齒匹配的輪齒結(jié)構(gòu)，或者如針輪結(jié)構(gòu)，使本實用新型在驅(qū)動PDC鉆頭形成交變切削軌跡時，扭矩傳遞由兩種傳遞方式共同作用產(chǎn)生，其一是由鉆柱系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)扭矩直接通過連接螺紋傳遞給外殼體，再通過其上的針齒組與擺線齒的齒輪副傳遞給擺線軸，進(jìn)而通過連接螺紋傳遞給PDC鉆頭；其二是井下動力鉆具(如螺桿鉆具、渦輪鉆具等)輸出的扭矩經(jīng)連接螺紋傳遞給偏心軸，再經(jīng)偏心軸段的外圓柱面與擺線齒所形成的轉(zhuǎn)動副和針齒組與擺線齒的齒輪副共同作用下傳遞給擺線軸，進(jìn)而通過連接螺紋傳遞給PDC鉆頭；其中若干針齒組布置于外殼體的內(nèi)壁上形成的針輪結(jié)構(gòu)，其可形成類似于齒圈結(jié)構(gòu)，任意兩相鄰的針齒組之間的間隙均可與擺線軸嚙合，而其中針齒組的數(shù)量、擺線齒的齒數(shù)均可根據(jù)實際需要尋找動力傳動比，便于進(jìn)行動力扭矩的匹配與傳遞。
[0011]本實用新型的具有交變切削軌跡的PDC鉆頭工具，所述針輪結(jié)構(gòu)包括設(shè)于外殼體內(nèi)壁上的若干軸向高度不同的針齒座，所述針齒座上配合有針齒組，使每組針齒座的軸向高度相同，其中所述針齒組包括配合于針齒座上的針齒銷，所述針齒銷上套設(shè)