[实用新型]一种低扭矩金刚石钻头

说明书

本实用新型公开了一种低扭矩金刚石钻头，属于钻探领域。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、水眼或喷嘴、流道，至少一个刀翼上设置有挂切齿，且至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座，所述基座上设置有法向轮单元。本实用新型能够显著降低钻头在复杂工况下钻头的工作扭矩，降低因钻头扭矩过大造成钻头及配套工具的过载或过早失效，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PDC钻头可以减少定向滑动钻进时工具面的调整时间。

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。另外，由于PDC钻头吃入地层的深度对钻压的变化特别敏感，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，是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：提出一种钻井用的PDC钻头，能够显著降低钻头在复杂工况下钻头的工作扭矩，降低因钻头扭矩过大造成钻头及配套工具的过载或过早失效，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PDC钻头可以减少定向滑动钻进时工具面的调整时间。

本发明通过下述技术方案来实现：

一种低扭矩金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴、流道，至少一个刀翼上设置有刮切齿，且至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，或至少一个刀翼的前端和/或后端有延伸自所述刀翼的基座，基座上设置有法向轮单元，法向轮单元由法向轮、轴套组成，法向轮通过轮轴转动连接于轴套。

所述的至少一个刀翼上只设置有法向轮单元，事实上也可以理解为是一个基座，其独立于刀翼延伸自钻头体。