[发明专利]一种动静式双级PDC钻头

说明书

一种动静式双级PDC钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有PDC齿，水孔或者喷嘴等，其特征在于：在钻头心部区域设置有旋转刀翼，旋转刀翼上设置有PDC齿，且旋转刀翼与固定刀翼成梯次布置PDC齿。这样的结构能提高钻头心部区域PDC齿的破岩效率，提高钻头的机械钻速，同时依靠双级钻头特点，增强钻头钻进稳定性，延长钻头的使用寿命，从而提升钻头的综合性能。

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种动静式双级PDC钻头。

背景技术

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力，除了岩石不均质带来的冲击以外，在更多的情况下，切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。在PDC钻头上最靠近钻头轴向中心的是固定切削齿，由于该固定切削齿太靠近钻头轴向中心，回转半径小，切削速度低，因而切削效率低；且该固定切削齿速度单独切削井底轴向中心岩石，承受的载荷较大，易出现复合层破碎或脱落。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种动静式双级PDC钻头，能提高钻头心部区域PDC齿的破岩效率，提高钻头的机械钻速，同时依靠双级钻头特点，增强钻头钻进稳定性，延长钻头的使用寿命，从而提升钻头的综合性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

现有技术的PDC钻头，通常包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有PDC齿，水孔或者喷嘴等，本专利的PDC钻头的区别在于：在钻头心部区域设置有旋转刀翼，旋转刀翼上设置有PDC齿，且旋转刀翼与固定刀翼成梯次布置PDC齿。

本专利中，在钻头心部区域设置有旋转刀翼，旋转刀翼上设置有PDC齿，旋转刀翼上的PDC齿在旋转刀翼的自转作用下刮切岩石，提高心部区域的破岩效率，从而提高钻头的机械钻速，旋转刀翼与固定刀翼成梯次布置PDC齿，这样无论是旋转刀翼还是固定刀翼的齿先切削岩石，都会在钻头心部形成凸起或者凹陷的台阶，这样能提高钻头钻进稳定性，同时在台阶处能释放岩石应力，提高钻头的钻进效率。

作为选择，钻头体内设置有液动马达，直接与旋转刀翼连接。

上述方案中，旋转刀翼的动力来源于液动马达，这样就旋转刀翼上的PDC齿能够稳定的刮切岩石，保证钻头心部区域的齿能高效的破碎岩石。

作为选择，旋转刀翼的轴线与钻头中心线平行或者重合。

上述方案中，只有当旋转刀翼的轴线与钻头中心线平行或者重合时，才能保证旋转刀翼上齿相当于复合钻井的方式破碎岩石，从而提高心部区域的钻进效率。

作为选择，：旋转刀翼的轴线与钻头中心线平行，且旋转刀翼的偏心距取值范围为e≤15mm。

上述方案中，旋转刀翼偏心距的存在，可以让旋转刀翼上的切削齿与固定切削结构的相互位置更为灵活，以满足钻头适用于不同地层、岩性的复杂钻井条件。

作为选择，旋转刀翼向上凸起，高于固定刀翼，钻头成内凸外凹双级钻头。