[发明专利]一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头

说明书

本发明公开了一种具有转位刀翼的长寿命PDC钻头，涉及一种用于钻井或地下钻孔的钻头，包括钻头体、转位刀翼和转位刀翼支承体，所述转位刀翼支承体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述转位刀翼上设置有切削元件构成转位切削结构，所述转位刀翼能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定。本发明在初始切削齿被磨损后能够在地面通过远程控制使新的切削齿代替已磨损切削齿继续钻进，从而使钻头在井下就能完成切削结构的单次甚至多次更新，实现“不起钻更新钻头”的效果。

技术领域

本发明涉及一种用于钻井或地下钻孔的钻头，用于石油天然气、地热、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域。

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，常用的有PDC钻头和牙轮钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，故在钻井工程中得到广泛使用。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，亦简称齿)按照一定的规律布置并固结在钻头体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。为了及时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，同时也为了清洗钻头和冷却切削齿，PDC钻头上还需具有水力结构。水力结构通常由钻头内流道、外流道和喷射孔组成。为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律将PDC齿分成若干组，同组的PDC齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC齿构成一个切削结构单元，称为刀翼或固定刀翼(齿座为刀翼体)。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的外流道。这种钻头为刀翼式PDC钻头。刀翼式PDC钻头是PDC钻头的主要结构类型。虽然PDC钻头现在已经广泛应用于钻探开发中，PDC钻头的非正常失效如崩齿、聚晶金刚石层脱落、掉片、齿柱冲蚀等造成的钻头先期失效或当钻遇硬地层时，PDC钻头的鼻部、肩部上及外三分之一半径上的切削齿磨损加剧，从而大大缩短了钻头的寿命，增加起下钻的次数。在深井、超深井中，频繁起下钻将会耗费大量的时间，增加钻井成本。

中国专利“一种以切削方式破岩的轮式钻头”(专利号：CN101886522A)公开了一种以切削方式破岩的轮式钻头，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了转轮上(即本申请所称的盘刀)，轮式钻头的切削齿交替工作，减少或避免了固定切削齿钻头因少数切削齿失效带来的钻头早期失效，延长了钻头使用寿命。中国专利“一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头”(专利号：CN201310047803.8)中将盘刀与固定翼结合，提出了一种刀翼上具有可旋转盘刀结构的钻头，能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，提高钻头的综合性能。

在包括上述专利技术的现有技术中，盘刀在工作时均为随钻头的旋转被动地旋转，盘刀上的切削齿可交替地参与切削，由此会出现两个问题：首先，盘刀的旋转需要设置轴承结构，而轴承工作过程中必然需要润滑，相应地就需要密封和储油给油系统，但井下工作环境十分恶劣，轴承系统极易失效，因此对轴承的润滑、密封要求非常高；第二，由于盘刀旋转，盘刀上即将参与切削的PDC齿会从侧面与岩石发生冲击，而冲击对PDC复合片的工作寿命是极为不利的。另一方面，对于现有技术中的长寿命钻头，大多是在常规PDC钻头切削齿的基础上增加多排齿(内镶齿等方式)，当第一排切削齿的出露高度被磨损殆尽后，第二排切削齿才陆续出露参与切削岩石的工作。显然，当第一排切削齿出露高度为零后，不论新齿是否出露，刀翼本体始终都将会同PDC齿一同参与切削，这将大大减小钻头上局部区域的切削齿比压，削弱了钻头对岩石的吃入能力，钻进效率受到严重影响。