[实用新型]一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头

说明书

本实用新型公开了一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，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刀翼、水眼或喷嘴及流道等。其特征在于：所述刀翼上设置有滚动元件，且至少一个刀翼上只安设有滚动元件，或至少一个刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且该支座上安设有滚动元件，所述滚动元件安设于所述刀翼或支座的凹槽内。本专利可显著降低钻头扭矩对钻压的敏感度，降低切削齿及其他井下工具因扭矩波动造成的冲击损坏和疲劳失效，延长钻头使用寿命；提高定向钻井中工具面的稳定性，从而提高定向效率。

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钻头是金刚石钻头中最常用的一种钻头，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钻头为代表的固定切削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）。

在钻井过程中，PDC钻头的复合片切削齿在钻压和扭矩的作用下，克服地层应力吃入地层并向前钻进。PDC钻头以剪切的方式破碎岩石的工作特点，相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。在理想钻进过程中，在一定的钻压下，PDC均匀的吃入地层深度恒定，对岩石产生的是均匀刮切，其扭矩反馈趋于平稳状态。然而，由于井下地层情况的复杂性，特别是在钻遇软硬交错的地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头扭矩反馈的振动程度也就越剧烈。严重时，钻头吃入地层深度过深，会造成驱动扭矩不能驱动钻头进行旋转导致钻头停转。此时钻柱在转盘的驱动下继续扭转。当钻柱所积能量足以克服钻头与地层之间互作用的扭矩时，钻头从静止状态向运动状态过渡，钻柱所积累的能量瞬间释放，钻头突然超过正常速度的数倍加速旋转。这就是钻头的粘滑现象。这种现象，易引起钻头和钻具的高速旋转和扭阵，使钻头切削齿承受大的周向冲击载荷，导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、及其他井下工具和测量仪器的损坏，严重影响钻进效率。同时，较大的扭矩波动，还会造成定向钻进过程中工具面的不稳定，导致工具面摆放困难，减慢施工进度。另外，由于PDC钻头吃入地层的深度变化对钻压特别敏感，加之切削齿与岩石互作用的复杂性，PDC钻头还存在沿钻头轴向方向的纵向振动也会对钻头寿命和机械钻速产生负面影响。

因此，如何控制钻头吃入岩石的深度，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，消除钻头卡滑憋跳，使钻头扭矩在给定钻压下保持在相对稳定的运动状态，是延长井下钻具和钻头的使用寿命，提高钻井效率的重要技术难题。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，能够显著降低钻头在复杂工况下钻头扭矩对钻压的敏感度，提高钻头旋转钻进时扭矩反馈的平稳度，从而降低因钻头大的扭矩波动对切削齿及其他井下工具造成的冲击损坏和疲劳失效，提高钻头的工作稳定性和延长钻头使用寿命。特别地，在定向钻井中，这种低扭矩钻头可以提高定向滑动钻进时工具面的稳定性，提高定向效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种适于硬地层钻进的低扭矩金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼、水眼或喷嘴、流道等，其中刀翼上设置有滚动元件，且至少一个刀翼上只安设有滚动元件，或至少一个刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且该支座上安设有滚动元件，滚动元件安设于所述刀翼或支座的凹槽内。

对于本发明所涉及的钻头本体、牙齿、刀翼、水眼、喷嘴为本领域公知的概念，在此不做赘述。