[发明专利]一种可伸缩破碎式PDC复合钻头

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻探钻具技术领域，特别涉及一种可伸缩破碎式PDC复合钻头。

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。

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片(即PDC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，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即PDC齿)按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。

当PDC钻头在较硬地层钻进时，PDC钻头头部难于侵入(吃入)井底岩石表面，特别是当PDC齿发生一定程度磨损后，侵入难度更高，导致钻头在井底打滑，钻速极慢。因而，现有技术中存在以下技术问题：1、靠纯剪切状态破碎岩石，钻头心部切削齿相对外围切削齿切削线速度很低，导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC钻头的破岩效率；2、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，当温度超过最大热负荷时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象的发生。3、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切削齿，磨损后的钻头需要整体更换，成本高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，可有效提高钻头心部的破岩效率，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种可伸缩破碎式PDC复合钻头，包括钻头体和固设在钻头体上的刀翼，所述刀翼上设有若干个钻头切削齿，所述钻头体心部设有与钻头体可相对移动的破碎钻头、用于嵌入破碎钻头的嵌入槽和驱动破碎钻头移动的顶出机构，所述顶出机构与所述破碎钻头固定连接；顶出前，所述破碎钻头与所述钻头体间隙配合。

本发明基础方案的工作原理：该复合钻头具有钻头体和与钻头体间隙配合的破碎钻头，破碎钻头连接有顶出机构，破碎钻头通过顶出机构的驱动在钻头体心部的嵌入槽内移动，因此破碎钻头相对钻头体可伸缩移动，为独立钻进的钻头；在钻头体心部设置单独的破碎钻头，利用顶出机构提供的脉冲能量和破碎钻头的独立旋转钻进相结合的方式破岩，这种破岩方式抛却了现有技术中靠纯剪切破岩方式而是通过顶出机构顶出破碎钻头破岩；钻头体心部的破碎钻头侵入岩石表面破岩后再通过其外围的钻头体旋转钻进，便减小破碎钻头外围的钻头体侵入岩石表面的机械负荷，钻头心部设置独立钻进的破碎钻头避免了钻头心部切削齿相对外围切屑齿切削线速度慢，导致导致PDC钻头钻进速度变慢，严重制约PDC 钻头的破岩效率的问题，可有效提高PDC复合钻头的钻进速度，提高钻头心部的破岩效率，且设有顶出机构的破碎钻头在钻头旋转过程中伴有顶出机构提供的脉冲能量，攻破了PDC 钻头在较硬地层难以钻进的技术难题；且不会对破碎钻头体外围的钻头体造成较快的磨损，提高钻头的使用寿命，节约钻井成本。

进一步，所述顶出机构包括顶出块和螺纹管，所述螺纹管穿设在所述钻头体内并与所述钻头体螺纹连接，所述顶出块设置在所述嵌入槽内，且所述顶出块一端与螺纹管固定连接，另一端与所述破碎钻头可拆卸连接。有益效果：螺纹管穿设在钻头体内并与钻头体螺纹连接，连接稳定，安全可靠；可通过螺纹管的旋转钻进顶出螺纹管端部的破碎钻头，且破碎钻头与螺纹管间设置的顶出块增大了破碎钻头与顶出机构的连接面积，顶出支撑稳定，而顶出块与破碎钻头可拆卸的连接方式方便在破碎钻头磨损后，只需更换破碎钻头，节约了不需更换破碎钻头外围钻头体的成本，节约成本。

进一步，所述破碎钻头的钻面覆盖区域占所述钻头体的钻面覆盖区域的45％。有益效果：经申请人多次实验可得，将破碎钻头的钻面覆盖区域设置为占钻头体的钻面覆盖区域的45％，可有效保证破碎钻头的机械刚度，且避免破碎钻头外围区域的钻头体区域的切削齿被快速磨损，保证钻进效率的同时可提高钻头的使用寿命。