[发明专利]一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头

说明书

本发明公开了一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头，具体包括刀翼和切削齿，在钻头上至少设置一个缓冲模块，所述缓冲模块与钻头体转动连接，所述缓冲模块的缓冲部相对于缓冲模块回转轴线偏心设置；所述缓冲模块通过与岩石之间的互作用，以转动的方式实现缓冲模块上缓冲部相对于切削齿的收缩和伸出趋势运动。本发明能够在导向钻进、复合钻进以及其他复杂运动工况下，或钻进硬地层、不均质地层条件下，刀翼切削齿受到冲击载荷时，缓冲部做伸出趋势运动，可起到吸收冲击载荷，减少或避免切削齿冲击损坏的目的，同时，在钻头进入稳定破岩过程中，缓冲部做收缩趋势运动，减少或避免缓冲部对刀翼切削齿侵入深度的影响，保障钻头的破岩效率。

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，特别是涉及一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头。

背景技术

破岩是钻井的根本问题。机械破岩仍然是现阶段油气钻井中主要的作业方式，钻头是用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，钻头作为绝对主力在钻井工程中发挥着不可替代的作用，其中，牙轮钻头和PDC钻头最为常用。牙轮钻头依靠牙齿对井底岩石的挤压作用产生侧压力，侧压力又形成剪切力，岩石达到剪切强度后发生破裂失效，在这一过程中能量的传递与转化降低了其利用率。PDC钻头凭借高效的剪切方式破岩，在软至中硬地层中逐步替代牙轮钻头。特别是，切削齿材料技术、钻头基础理论、钻头设计技术的快速进步，使PDC钻头的地层适应性变宽，在油气钻井总进尺中的比例，已由十九世纪八十年代的5％增长至90％。

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齿(对PDC钻头，切削齿主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿)。据资料显示，仅占总进尺20％的深部复杂地层，就花费了整个钻井周期80％的总成本。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。钻头在复杂难钻地层中钻进的寿命短，需消耗更多的钻头，同时造成起下钻频繁，这已成为制约钻井工程降本增效的技术瓶颈之一。

在钻井过程中，PDC钻头的切削齿在钻压的作用下克服地应力吃入地层，在扭矩的驱动下剪切破碎地层材料。相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。钻进深部难钻地层时，特别是在钻遇软硬交错、含砾地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头周向、横向和轴向振动剧烈。此时，钻头切削齿承受大的周向和轴向冲击载荷，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。特别是在钻头的外三分之一区域的切削齿，由于线速度大，更容易受到损坏。当PDC钻头切削齿发生磨损后，为保持一定的机械钻速，经常增加钻压，而扭矩对钻压特别敏感，随着钻压的增加，扭矩增大，这就使钻头的工况更加恶劣，钻头更容易发生失效。如何增加PDC钻头在深部难钻地层中的工作寿命，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，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。

为此，本领域的研究人员开始尝试在钻头上设置缓冲结构，如一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头(申请号：201810138571.X)，该专利提出在刀翼前方延伸出一个缓冲基座，在缓冲基座上设置缓冲元件，在钻进复杂难钻地层时，能够有效较小周向跨度，而减弱周向冲击振动，同时缓冲元件还能分担部分的轴向钻压，减小轴向冲击，起到保护PDC齿的作用。但该专利中的缓冲元件为固定缓冲元件，缓冲元件与金刚石齿之间的相对高度为固定值，固定式缓冲元件的地层适应范围窄，对于岩性复杂多变的地层，特别是从硬地层钻进软地层时，固定式缓冲元件会降低金刚石齿的吃入能力，降低钻头钻进速度。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有自适应缓冲模块的金刚石钻头，以解决钻头在复杂难钻地层、复杂振动特别是定向钻进、复合钻进等工况下，钻头切削齿因冲击导致快速失效的问题，以起到保护切削齿的目的，从而延长钻头的使用寿命。特别是解决在定向钻井中现有PDC钻头抗冲击能力不足，同时扭矩波动大，定向钻进性能不佳的的问题。