[实用新型]一种盘刀复合钻头

说明书

技术领域

本实用新型属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的常规钻头主要有三牙轮钻头、聚晶金刚石复合片钻头（即PDC钻头）和冲旋钻头（也称旋冲钻头或钎头）等。

三牙轮钻头主要以压碎（牙齿压入岩石造成岩石破碎）的形式破岩，适用的地层范围较宽，但能量利用率不高，破岩效率相对较低。特别是在深部地层钻进时，在高密度钻井液作用条件下井底的岩屑压持效应十分明显，牙齿难以压入地层并形成有效的破碎，钻头机械钻速受到很大限制。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。三牙轮钻头需要大钻压才能保证较高的破岩效率，所以轴承的载荷幅值高，同时牙轮上牙齿交替破碎岩石的工作原理必然导致钻头的轴向或纵向振动，以及较大幅度的轴承载荷波动。加之牙轮钻头轴承在井下的工作环境恶劣，轴承密封的寿命难以保障，因此三牙轮钻头的轴承寿命相对较短。

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片（即PDC齿，亦简称齿）对岩石的刮切或剪切作用破岩的钻头。由于在切削元件性能以及破岩方式方面具备了突出的优越性，所以PDC钻头在软至中硬地层的破岩效率明显高于三牙轮钻头。现今，PDC钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大，但对于硬度、研磨性高的地层以及严重不均质的地层，PDC钻头仍难以适应。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头（钻头上无运动部件）。对PDC钻头而言，在钻头转速、钻压相同的条件下，钻头的破岩效率主要取决于PDC齿吃入岩石的能力，PDC齿吃入岩石的深度越大，钻头破岩效率就越高。通常，在软地层钻进时，PDC钻头切削齿的吃入深度较大，钻头的破岩效率较高；当硬地层钻进时，切削齿的吃入能力就变弱，吃入深度变小，钻头的钻进效率就明显降低。PDC钻头的主要有缺点是：第一，在岩石的强度或硬度较高时，PDC齿难以吃入岩石以形成有效的刮切，特别是当PDC齿有磨损后，牙齿更加难以吃入地层，钻头的机械钻速会急剧降低。第二，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象（当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象）的发生。第三，PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域（特别是钻头半径的外1/3区域）的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿，切削齿磨损均衡性差，从而降低了钻头的综合性能。

冲旋钻头是冲旋钻井中配合潜孔冲击器（即潜孔锤）使用的固定齿破岩工具。冲旋钻头的结构与PDC钻头相似，钻头上没有可运动部件，钻头体上固结了一定数量的能够覆盖井底待破碎区域的切削齿。不同之处主要在于：PDC钻头的切削元件主要为PDC齿，而冲旋钻头的切削元件主要为与牙轮钻头牙齿形状相似的硬质合金或金刚石复合牙齿。冲旋钻头的破岩机理与牙轮钻头的压碎机理以及PDC钻头的切削机理均具有显著的区别。冲旋钻头依靠其牙齿的瞬间冲击力实现对井底岩石的破碎。冲旋钻头的上端连接着潜孔冲击器，潜孔冲击器在工作时，其冲锤在循环流体（钻井液或循环气体）的作用下往复运动，反复撞击钻头或钎头，从而为与井底岩石相接触的钻头牙齿提供了脉动冲击载荷，岩石在牙齿的瞬间冲击力作用下发生破碎。由于钻头的冲击载荷依赖于潜孔冲击器，所以，冲旋钻头工作过程中不需要施加很大的钻压（这一特点与牙轮钻头有着显著区别，牙轮钻头必须在大钻压下才能获得较高的破岩效率），只需用很小的钻压将钻头压在井底即可。通常情况下，冲旋钻头在脆性地层特别是较硬的脆性地层钻进时能取得较高的破岩效率。此外，在地层倾角较大的易斜地层，采用冲旋钻头钻进有利于减小井斜趋势。但由于冲旋钻头为固定齿钻头，当有少量切削齿损坏失效时，其负责破碎的井底区域将无法破碎，这将影响整个钻头的破岩效率和钻进能力，少量切削齿的失效会很快引起钻头体的损害，进而影响钻头的使用寿命。