[发明专利]一种具有柔性切削结构的金刚石钻头

说明书

本发明公开了一种具有柔性切削结构的金刚石钻头，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、盾构及非开挖等技术设备领域，包括钻头体和切削元件，钻头体上设有缓冲切削模块，缓冲切削模块包括一个或多个切削元件和模块基体，一个或多个切削元件固定于同一模块基体上，且在模块基体与钻头体之间设置有缓冲件。本发明钻头上的缓冲切削模块在受到冲击时，通过缓冲件的柔性缓冲作用，能显著降低切削元件的冲击载荷幅度，提高钻头上切削元件的抗冲击能力，延长钻头在复杂难钻条件下的使用寿命。

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、盾构及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种具有柔性切削结构的金刚石钻头。

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。PDC(PolycrystallineDiamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过刮切的方式破岩，在理想工作条件下，钻头上的切削元件会在井底形成一簇同心圆刮切轨迹。对于常规PDC钻头而言，在现有技术中，切削元件几乎都是直接焊接在刀翼的齿槽(也称齿穴或齿窝)内，切削元件相对于刀翼是不能运动的，而钢质刀翼体及粉末冶金制造的胎体式刀翼体的刚度都很大，所以在钻进时，如果地层硬度高，或不均质性强(如软硬交替地层、含砾岩层等)，钻头的切削齿将承受较大的冲击载荷，特别是在PDC齿直接与岩石接触的刃口区域，由于冲击而致应力幅值很高，极易造成PDC齿金刚石层的崩裂甚至崩碎现象，从而严重缩短齿的工作寿命。当钻头在井下发生横振或回旋运动时，复合片的冲击载荷不仅幅值高，而且方向变化较大，所以也会导致复合片的金刚石层崩裂损伤。钻头的转速越高，这种冲击损伤越严重。相对钻压而言，PDC钻头的切削破岩效率对转速的变化更敏感，也就是说，如果切削齿不发生冲击崩损，增加转速比增加钻压更有利于提升钻进速度，然而，当地层岩石硬度或不均质性增加到一定程度时，为保障钻头切削齿的寿命，钻头就不能在高转速下工作。

随着钻井工艺技术的进步，定向钻进或导向钻进技术应用越来越广泛，导向钻进技术分滑动导向和旋转导向两类，前者因为系统成本低故应用更为普遍。滑动导向钻进的关键在于钻头由井下动力钻具(包括螺杆钻具和涡轮钻具，螺杆使用更为普遍)驱动，或者由井下动力钻具和钻杆同时驱动(复合驱动)。滑动导向钻进过程包括两种工作模式：造斜模式和复合钻进模式，前者由带弯头的动力钻具(主要是螺杆)单独驱动，完成井眼斜度或方位角的改变；后者则采用复合驱动，这种模式又叫复合钻进，此时，钻杆的旋转为公转，钻头在随钻杆公转的同时，还要在动力钻具的驱动下自转，钻头不仅工作转速高，而且由于钻头安装在动力钻具末端的弯头上，所以钻头在井底的运动十分复杂。

研究表明，无论是滑动导向钻进还是旋转导向钻进，钻头在井底的切削运动都比常规钻进更复杂，钻头切削齿的冲击载荷也更大。特别是在复合钻进条件下，由于公转、自转并存的特殊驱动方式，以及安装在弯头上的钻头的倾斜工作姿态，使得钻头的切削岩石过程与常规钻进条件有很大差异，主要体现在牙齿的切削工作状态存在一定程度的交替性，有效工作齿数少于钻头总齿数、井底形貌的起伏不平、切削齿非平行刮切等方面。这些特点一方面有利于提高钻头的破岩效率，但另一方面也因牙齿冲击载荷的显著增大而使钻头的工作寿命显著下降。所以，如果能显著提高切削齿的抗冲击能力，就能使延长钻头的工作时间，提高钻头适应高转速的能力，不仅有利于提高破岩效率，也能减少起下钻次数，从而使钻井效率得到显著提升。