[发明专利]具有旋转缓冲结构的复合式金刚石钻头

说明书

本发明公开了一种适于在硬地层定向钻进的复合式金刚石钻头，属于钻探领域。钻头主要包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼和至少两个牙掌、至少两个由牙轮体与牙齿组成的牙轮、水眼或喷嘴，所述牙轮与牙掌转动连接，所述刀翼上设置有刮切齿。对于任意两个相邻牙轮，在钻头的旋转方向上，周向位置靠前的为前牙轮，位置靠后的为后牙轮，在后牙轮之前、前牙轮之后的区域设置有至少一个刀翼，且在至少一个刀翼与前牙轮之间，设置有延伸自钻头体或固定在钻头体上的缓冲座，缓冲座上设置有旋转缓冲元件。本发明钻头能够显著减轻钻头在导向钻井过程中的冲击振动，减少刮切齿的冲击失效，提高钻头的可持续钻进能力。

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种钻进钻头。

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，常用的有聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。以PDC钻头为代表的固定刮切齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件（对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。牙轮钻头以冲击压碎的方式破岩，在井底形成一个个离散的破碎齿坑。在难钻地层中，两种钻头的表现均不能令人满意。

难钻地层主要是指地层的可钻性差，具体表现为岩石的硬度高、不均质程度高、研磨性强、温度高等。这些岩石性质条件可能存在各种复杂的组合、变化，且一般都具有较大的不可预知性，特别是在深井、超深井的深部地层表现尤其突出。钻头在难钻地层中钻进的寿命短、钻速慢，是制约钻井工程降本增效的最大技术瓶颈之一。

孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，它以孕含在刀翼体或刮切齿中的大量金刚石微小颗粒（即金刚石微切削刃）形成的基本切削刃作为切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其粘结材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。孕镶金刚石钻头的这种“磨削”原理，决定了它的应用对象主要为高硬度、强研磨性等不适宜用PDC钻头的难钻甚至极难钻地层，且一般在高转速下才能达到相对较好的破岩效果。将金刚石微粒孕含在胎体式刀翼体中所形成的切削元件称为刀翼孕镶体或刀翼孕镶块（简称孕镶体或孕镶块），孕含在刮切齿中所形成的切削元件则称为孕镶刮切齿（简称孕镶齿）。孕镶体自身构成了孕镶金刚石钻头刀翼体的一部分，属于孕镶钻头基本的切削结构，而孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构。在刀翼孕镶体上增设孕镶齿，既有助于改善孕镶钻头在钻遇软地层时的适应性，更能显著增加孕镶金刚石钻头切削结构的工作寿命。孕镶体、孕镶齿以及孕镶体与孕镶齿的各种组合，均可形成钻头的孕镶切削元件，钻头上所有的孕镶切削元件构成了钻头的孕镶切削结构。尽管孕镶钻头在难钻地层拥有较长的工作寿命，但机械钻速仍不尽如意。

自2009年美国贝壳休斯公司推出牙轮—PDC复合钻头（简称复合钻头）产品以来，这种新钻头已在油气开发领域得到了成功应用。在难钻地层中，相对于常规PDC钻头，PDC-牙轮复合钻头的工作性能在一定程度上得到了提高。PDC-牙轮复合钻头一般由若干个PDC刀翼和两个或两个以上牙轮复合而成，PDC刀翼为钻头的主切削结构，而牙轮则为辅助切削结构。通常，相邻两个牙轮之间具有至少一个PDC刀翼。