[发明专利]一种交叉切削PDC钻头及设计方法

说明书

本发明公开了一种交叉切削PDC钻头及设计方法，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，固定切削结构上布置有第一组切削齿，钻头上还包括具有第二组切削齿的活动切削结构、轴向往复运动发生器和传动机构，活动切削结构在轴向往复运动发生器及传动机构的共同作用下，使活动切削结构上的第二组切削齿在随钻头体作周向运动的同时还产生径向位置的往复变化。当钻头在井下旋转钻进时，第一组切削齿、第二组切削齿在井底上的切削运动轨迹相互交叉，实现交叉切削，提高钻头的破岩效率和侵入能力。

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩 工具领域，具体的讲涉及一种交叉切削PDC钻头及设计方法。

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。

聚晶金刚石复合片钻头(即PDC钻头)是钻井工程中使用的主要钻头之一。依靠高硬度、 耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，PDC钻头由于在软到中硬地层中机械钻 速高，寿命长、钻进成本低，在钻井工程中得到广泛使用。

冠部轮廓(亦称切削轮廓)是钻头重要的结构特征之一，与钻头布齿密度、工作受力及水 力结构紧密相关。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥、鼻部(冠顶区域)、 外锥、肩部和保径五部分。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之 为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的 齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。将所有切削齿 的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓线指在井底覆盖图中，所有 齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。

现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头(钻头上无运动部件)，作为切削元件的聚晶金刚石 复合片按照一定的规律布置并固结在钻头体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。为了及 时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，同时也为了清洗钻头和冷却切削齿，PDC钻头上还 需具有水力结构。水力结构通常由钻头内流道、外流道和喷射孔组成。喷射孔又称喷嘴，可 以是直接设置在钻头体上的固定式喷嘴，也可以是安装在钻头上的可替换式喷嘴。为了使钻 头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律 将PDC齿分成若干组，同组的PDC齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC 齿构成一个切削结构单元，称为刀翼(齿座为刀翼体)。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的外流 道。这种钻头为刀翼式PDC钻头。刀翼式PDC钻头是PDC钻头的主要结构类型。

现有的PDC钻头在面对复杂难钻地层(高硬度、高研磨性、不均质性地层)时，不仅钻 进效率受到限制，其使用寿命也不理想。其主要原因是：第一，在岩石的强度或硬度较高时， PDC齿难以吃入岩石以形成有效的刮切，特别是当PDC齿有磨损后，牙齿更加难以吃入地层， 钻头的机械钻速会急剧降低。第二，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量 会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致 热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿 的热磨损现象)的发生。第三，PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一 般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿， 切削齿磨损均衡性差，从而降低了钻头的综合性能。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种交叉切削PDC钻头及设计方法，在固定切削齿钻头的基础 上增加活动切削结构，活动切削结构可实现相对于钻头体的往复移动或摆动，与固定切削结 构共同切削岩石，提高钻头的破岩效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：