一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头制造技术

本发明专利技术提供了一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头，包括钻头本体、至少两个刀翼，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，钻头上设有由PDC齿和冲击齿构成的混合切削单元，混合切削单元中的PDC齿和冲击齿分别设置在相邻两个刀翼上；冲击齿能够能产生冲击运动；在混合切削单元中，PDC齿与冲击齿的位置关系被构造为在钻头转动所形成的圆周方向上，PDC齿设置于冲击齿的后方，且PDC齿和冲击齿之间的距离D的范围是：4d≥D≥d，d为PDC齿的直径。本发明专利技术能够解决钻头钻进硬地层时，切削齿侵入能力差、破岩效率低、钻头工作寿命短的问题。

PDC bit with dynamic stress interference principle

【技术实现步骤摘要】
一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头
本专利技术涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等
，具体而言，涉及一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头。
技术介绍
钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(PolycrystallineDiamondCompact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，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过设置在钻头上的PDC齿以切削为主要的方式进行岩石破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海、非常规油气(包括页岩气)。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于PDC齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，地层的复杂程度越来越高，如硬-塑性地层、硬-脆性地层、软硬夹层、含砾地层等，PDC齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且容易造成PDC齿的快速磨损。特别的，现有PDC钻头的PDC齿多以聚晶金刚石复合片为主，其抗冲击能力较弱，当钻进这些复杂地层时，PDC齿很容易发生冲击崩损，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。钻头上局部径向区域内PDC齿的过度磨损后，会加重临齿的工作负荷，进而发生PDC齿的连锁失效，一旦出现较大区域的PDC齿失效，钻头的切削能力即基本丧失。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头，以解决现有技术中存在的问题：在钻进硬地层中，PDC齿侵入能力差、破岩效率低、钻头工作寿命短的问题。本专利技术是这样实现的：一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头，包括钻头本体、至少两个刀翼，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，钻头上设有由PDC齿和冲击齿构成的混合切削单元，混合切削单元中的PDC齿和冲击齿分别设置在相邻两个刀翼上；冲击齿能够能产生冲击运动；在混合切削单元中，PDC齿与冲击齿的位置关系被构造为在钻头转动所形成的圆周方向上，PDC齿设置于冲击齿的后方，且PDC齿和冲击齿之间的距离D的范围是：4d≥D≥d，d为PDC齿的直径。借助图2和图3，对混合切削单元进行简单的描述，在轴面的井底覆盖图中，混合切削单元中的PDC齿和冲齿具有相同的切削区域。在钻头上，混合切削单元的PDC齿和冲击齿在钻头钻进方向上相邻，且冲击齿在旋转方向上靠前，冲击齿旋转跟随。井底覆盖布齿图，是指过钻头中心线的任意轴面内，PDC齿的切削轮廓绕钻头中心线旋转，并与该轴面形成交线，该交线即为切削轮廓线，将所有PDC齿的切削轮廓线汇集在一起，就形成了井底覆盖布齿图。井底覆盖布齿图直接反映了PDC齿的定位半径、定位高度等重要参数。同理，单个刀翼的覆盖图的形成原理类似，不再赘述。上述方案中，冲击齿设置在PDC齿前方较近的位置，利用冲击齿的冲击力所产生的岩石应力场与PDC齿切削力所产生的应力场相干涉或交汇，促使PDC齿前方岩石提前破裂失效，从而达到降低PDC齿切削力、提升钻头在硬地层工作性能的目的，加之冲击齿本有的破岩效果，破岩效率就可以显著提升。此外，冲击齿的冲击载荷直接作用于岩石，而并不作用在刀翼PDC齿上，所以，冲击力不会对钻头上的PDC齿起到负面作用，只会促进岩石的破碎，特别是直接促进PDC齿前方岩石的破碎，有效降低切削载荷，最终使PDC齿的工作寿命和钻头的侵入能力均得到提升。混合切削单元设置在相邻两个刀翼上，就相邻两个刀翼而言，冲击齿设置在旋转在前的刀翼上，PDC齿设置在旋转在后的刀翼上，充分利用了钻头的空间，同时两个刀翼之间的排屑槽也得以保留，能将岩屑顺利携入环空。作为进一步优选，PDC齿和冲击齿之间的距离D的范围是：3d≥D≥d，d为PDC齿的直径。作为优选，PDC齿和冲击齿之间的距离D的范围是：2d≥D≥d，d为PDC齿的直径。作为进一步优选，所述冲击齿的轴线，与其设置参考点的法线不重合。在工作面上设置PDC齿的时候，会首先确定PDC齿在工作面上的空间位置，这个位置就称之为设计参考点或者安装参考点，显然该点在工作面上，通过该点的工作面法线即为参考点法线，本概念与所学基础数学一致，很容易理解，这里不再详细结合附图说明。通常情况下，设置冲击齿时，将冲击齿的轴线与所述的法线重合。本结构中，参考点法线与冲击齿轴线的不平行(不重合)设计，可以很好的优化冲击齿的冲击角度。作为优选，所述混合切削单元中的PDC齿与冲击齿一一对应。即，每一个冲击齿旋转跟随一个PDC齿。作为本专利技术的优选方案，冲击齿包括锥型齿、楔型齿、勺型齿、球型齿等。作为优选，冲击齿为非对称齿形。通常情况下，冲击齿为规则回转体(如牙轮钻头上常用的锥形齿、球形齿等)，或者轴对称结构(如楔形齿)，这些齿均称之为对称齿形。将冲击齿设置成非对称型，可以在不改变冲击方向的情况下，改变齿刃侵入力的作用方向。本专利技术至少包括以下有益效果：1、混合切削单元中，PDC齿和侵入齿的近距离设置，使冲击齿产生的冲击应力场干涉PDC齿的切削应力场，形成应力干涉原理，促使PDC齿前方岩石提前破裂失效，降低PDC齿切削力。同时，应力干涉原理，降低PDC齿前岩石强度，利于提高切削齿的侵入能力。2、混合切削单元中，冲击齿产生的侧向裂纹倾向于朝PDC齿工作区域扩展，PDC齿产生的剪切裂纹也倾向于朝耗能较少的干涉区域发展，在这两种趋势下，岩石产生大体积破碎，提高破岩效率。3、混合切削单元设置在相邻两个刀翼上，在充分利用了刀翼空间的同时，还保留了刀翼之间的排屑槽。由旋转在后的PDC齿产生的岩屑能够顺利的进入环空。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1是本专利技术实施例提供的PDC钻头的结构示意图。图2是图1的俯视图。图3是在井底覆盖图中，混合切削单元中PDC齿与冲击齿形成一一对应的示意图。图4是本专利技术混合切削单元形成应力干涉原理的示意图。图5是岩石在应力干涉作用下的破碎效果示意图。图6是常规金刚石钻头中，PDC齿的破岩效果图。图7是冲击齿为非对称结构的示意图。图标：1-PDC钻头；2-刀翼；21-PDC齿；22-冲击齿；211-切削应力场；221-冲击应力场；11-钻头本体；3-混合切削单元；4-排屑槽；5-冲击座。具体实施方式为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头，包括钻头本体、至少两个刀翼，所述刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，其特征在于，所述钻头上设有由PDC齿和冲击齿构成的混合切削单元，所述混合切削单元中的PDC齿和冲击齿分别设置在相邻两个刀翼上；所述冲击齿能够能产生冲击运动；在所述混合切削单元中，所述PDC齿与所述冲击齿的位置关系被构造为在所述钻头的转动所形成的圆周方向上，所述PDC齿设置于所述冲击齿的后方，且所述PDC齿和所述冲击齿之间的距离D的范围是：4d≥D≥d，d为PDC齿的直径。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有动态应力干涉原理的PDC钻头，包括钻头本体、至少两个刀翼，所述刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，其特征在于，所述钻头上设有由PDC齿和冲击齿构成的混合切削单元，所述混合切削单元中的PDC齿和冲击齿分别设置在相邻两个刀翼上；所述冲击齿能够能产生冲击运动；在所述混合切削单元中，所述PDC齿与所述冲击齿的位置关系被构造为在所述钻头的转动所形成的圆周方向上，所述PDC齿设置于所述冲击齿的后方，且所述PDC齿和所述冲击齿之间的距离D的范围是：4d≥D≥d，d为PDC齿的直径。


2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春亮，杨迎新，包泽军，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51