一種交變軌跡切削破巖工具的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種交變軌跡切削破巖工具，包括有鉆頭總成和外殼體組；所述外殼體組內(nèi)設(shè)置有萬向軸總成、螺桿馬達(dá)總成和旁通閥總成；所述鉆頭總成安裝在下殼體下端部，構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并且又與萬向軸總成通過螺紋固定連接；所述鉆頭體上固定有切削齒。其特征在于：所述鉆頭體的回轉(zhuǎn)軸線與外殼體組的回轉(zhuǎn)軸線間形成軸傾角α，使外殼體組的公轉(zhuǎn)與鉆頭體的自轉(zhuǎn)相復(fù)合，實(shí)現(xiàn)所述切削齒的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)；所述萬向軸總成直接與鉆頭體固定連接。本實(shí)用新型有益效果包括：能夠?qū)崿F(xiàn)切削齒穩(wěn)定、可靠的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)，可顯著提高鉆頭在硬巖層吃入能力，提高破巖效率；同時(shí)簡化了“鉆頭?螺桿鉆具”組成結(jié)構(gòu)，提高了鉆井安全性，降低了鉆井工具成本。
【專利說明】
一種交變軌跡切削破巖工具
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種破巖工具。
【背景技術(shù)】
[0002]PDC鉆頭是一種鉆井破巖工具，它具有鉆井安全性高、結(jié)構(gòu)形式靈活性以及以剪切破巖的形式高效破巖等技術(shù)優(yōu)勢，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前在世界范圍內(nèi)鉆井總進(jìn)尺數(shù)的80%以上都是由PDC鉆頭完成的，占有絕對的重要地位。常規(guī)固定切削齒PDC鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)軌跡均為圓形，每顆齒都沿著各自固定的旋轉(zhuǎn)軌跡做刮切運(yùn)動(dòng)(同軌跡刮切)。無論是現(xiàn)場鉆頭鉆進(jìn)和失效形式，還是室內(nèi)可鉆性實(shí)驗(yàn)都能夠反映出PDC鉆頭在這一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的地層吃入能力影響著鉆頭的破巖效率，特別是在深部難鉆地層，這一影響更為顯著。其主要表現(xiàn)在:①在軟、硬交替地層中鉆進(jìn)時(shí)容易發(fā)生斷齒、崩齒、復(fù)合片層脫落等牙齒失效現(xiàn)象的發(fā)生;②隨著切削齒的磨損，與巖石的互作用接觸赫茲應(yīng)力急劇降低，進(jìn)而使鉆頭的地層吃入能力下降，機(jī)械鉆速顯著降低;③地層對roc鉆頭結(jié)構(gòu)個(gè)性化設(shè)計(jì)要求高，地層適應(yīng)性不強(qiáng)。
[0003]螺桿鉆具是目前廣泛使用的一種井下動(dòng)力鉆具，為一種容積式馬達(dá)。它的主要工作原理是通過高流速、大排量、高壓強(qiáng)的鉆井液的流動(dòng)，使螺桿鉆具轉(zhuǎn)子與定子之間的密閉空間發(fā)生移動(dòng)或變化，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前螺桿鉆具在油氣鉆井工程中廣泛應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:其一是螺桿鉆具下部可設(shè)置一彎外殼，使它所驅(qū)動(dòng)的鉆頭回轉(zhuǎn)軸線與鉆柱系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，易于實(shí)現(xiàn)定向造斜或穩(wěn)斜鉆進(jìn)，對于實(shí)現(xiàn)特殊復(fù)雜的井身軌跡鉆進(jìn)十分重要;其二是在大位移定向井、水平井鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱系統(tǒng)與井壁大量接觸并產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力，使地面轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩難以有效傳遞至鉆頭，而通過鉆井液流動(dòng)獲得驅(qū)動(dòng)力的螺桿鉆具可在井底產(chǎn)生強(qiáng)大的扭矩并驅(qū)動(dòng)鉆頭有效鉆進(jìn)。
[0004]在2010年前后，西南石油大學(xué)鉆頭研究所提出了認(rèn)為“鉆頭通過交叉刮切的運(yùn)動(dòng)形式，可有效提高破巖效率”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，其理論依據(jù)包括兩個(gè)方面:其一是鉆頭通過交叉刮切在牙齒的切削方向上自然形成了 “凸起”(巖脊)，因而牙齒能夠自然吃入巖石，鉆頭鉆進(jìn)的有效性必將顯著提高;其二是深部地層巖石受孔隙壓、圍壓以及覆蓋壓等壓力環(huán)境作用下，具有強(qiáng)烈的“壓實(shí)效應(yīng)”。而鉆頭通過交叉刮切形成“凸起”，其局部壓力環(huán)境發(fā)生顯著變化，抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度必將顯著降低，從而使其更容易發(fā)生體積破碎，進(jìn)而提高了鉆頭的鉆進(jìn)效率。該學(xué)術(shù)觀點(diǎn)無論是室內(nèi)全鉆頭實(shí)驗(yàn)，還是現(xiàn)場“復(fù)合鉆進(jìn)”工程實(shí)踐均已驗(yàn)證了其正確性和合理性。
[0005]在上述學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的引導(dǎo)下，中國專利CN 201010229371.9公開了“一種以切削方式破巖的復(fù)合鉆頭”，提出了一種將鑲裝有PDC齒等高強(qiáng)度切削齒的轉(zhuǎn)輪與固定刀翼相間布置的復(fù)合鉆頭。其中轉(zhuǎn)輪為一種被動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削結(jié)構(gòu)，在地層巖石的反作用力條件下實(shí)現(xiàn)“緩慢交替切削過程”，兩套復(fù)合切削結(jié)構(gòu)能夠在井底巖石上形成網(wǎng)狀破碎區(qū)域，具有破巖效率高，磨損均勻，鉆頭使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。中國專利CN 201010614370.6公開了 “一種復(fù)合式單牙輪鉆頭”，在常規(guī)單牙輪鉆頭的基礎(chǔ)上將牙輪分成兩部分，一部分為“恒接觸切削破巖”的下部輪尖部分與軸頸固定，另一部分“交替接觸切削破巖”的上部輪體繞軸頸被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。該實(shí)用新型專利一方面在輪尖部分固定金剛石類切削齒，可有效提高鉆頭的耐磨性和切削效率;另一方面輪尖部切削齒的同心圓形破碎帶與輪體部分的“人”字形網(wǎng)狀破碎帶可實(shí)現(xiàn)部分交叉作用，形成交叉切削破巖效果，可進(jìn)一步提高破巖效果。中國專利CN 20130545668.X公開了 “一種單牙輪復(fù)合鉆頭”，在鉆頭體上設(shè)置有固定切削結(jié)構(gòu)和裝有切削齒的轉(zhuǎn)動(dòng)切削結(jié)構(gòu)。其中轉(zhuǎn)動(dòng)切削結(jié)構(gòu)為一設(shè)置有軸頸的牙輪，并在鉆頭體上設(shè)置有軸承孔，牙輪通過軸頸與軸承孔形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。這兩套切削結(jié)構(gòu)同樣可以實(shí)現(xiàn)井底復(fù)雜的交叉網(wǎng)狀刮切，有利于切削齒吃入地層巖石，提高破巖效率。
[0006]中國專利CN 201410426491.6: “可實(shí)現(xiàn)偏心擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)的PDC鉆頭工具”和CN201410426030.9:“一種具有交變切削軌跡的PDC鉆頭工具”分別公開了兩種將鉆頭體直接安裝在井下動(dòng)力鉆具的傳動(dòng)軸上，實(shí)現(xiàn)了井下動(dòng)力鉆具與鉆頭的有機(jī)結(jié)合，并使鉆頭具備了 “主動(dòng)交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)”的能力。前者利用內(nèi)嚙合的擺線齒廓結(jié)構(gòu)輸出交變軌跡運(yùn)動(dòng)，后者利用擺線輪與針輪相嚙合同樣可以輸出交變軌跡運(yùn)動(dòng)。上述兩份專利除可實(shí)現(xiàn)鉆頭的交叉刮切破巖方式外，其顯著特點(diǎn)是:將鉆頭的“被動(dòng)”交叉刮切運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)”交叉刮切運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(工具嚙合輪廓線形狀等)，以及井下動(dòng)力鉆具工作轉(zhuǎn)速所決定，與地層巖石性質(zhì)的變化、鉆柱振動(dòng)等因素影響關(guān)系不大，因此其“交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)”能夠穩(wěn)定、可靠的得以實(shí)現(xiàn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的在于:針對常規(guī)固定切削齒roc鉆頭存在的不足，提供一種鉆井破巖工具，該工具可使鉆頭實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)。它具有運(yùn)動(dòng)形式穩(wěn)定、可靠，可顯著提高鉆頭的破巖效率。
[0008]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0009]—種交變軌跡切削破巖工具，包括有有鉆頭總成和外殼體組。所述外殼體組由下殼體、中殼體和上殼體組成;所述外殼體組內(nèi)設(shè)置有萬向軸總成、螺桿馬達(dá)總成和旁通閥總成。所述鉆頭總成中的鉆頭體上固定有切削齒，構(gòu)成破巖工具的切削結(jié)構(gòu)，并且在鉆頭體上設(shè)置有軸頸，在軸頸內(nèi)部設(shè)置有螺紋結(jié)構(gòu);所述下殼體下部設(shè)置有軸承孔，并與鉆頭體上的軸頸相配合，構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接;所述萬向軸總成安裝在下殼體內(nèi)部，其下接頭與所述軸頸內(nèi)的螺紋結(jié)構(gòu)相配合，構(gòu)成固定連接;所述萬向軸的上接頭與所述馬達(dá)總成的轉(zhuǎn)子下部相配合，構(gòu)成固定連接;所述馬達(dá)總成安裝在所述中殼體內(nèi)部，且所述中殼體內(nèi)部設(shè)置有所述馬達(dá)總成的定子結(jié)構(gòu);所述旁通閥總成安裝在所述上殼體內(nèi)部;所述上殼體、中殼體與殼體依次首尾連接固定。本實(shí)用新型專利的特征在于:所述鉆頭體的回轉(zhuǎn)軸線與所述外殼體組的回轉(zhuǎn)軸線形成夾角α (軸傾角)，所述萬向軸總成直接與所述鉆頭體固定連接。
[0010]鉆頭在地層中破巖鉆進(jìn)必須具備三個(gè)條件:一是能夠有效傳遞鉆壓，使鉆頭吃入巖石;二是能夠有效傳遞扭矩，使鉆頭剪切破碎巖石;三是能夠建立鉆井液循環(huán)通路。在本實(shí)用新型專利所采用的技術(shù)方案中，鉆壓的傳遞可通過鉆柱系統(tǒng)專遞給上、中、下殼體，然后通過下殼體上的軸承孔底面與鉆頭體上軸頸的頂面相配合所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副傳遞給鉆頭體，也可以通過下殼體上軸承孔頂面與鉆頭體上軸頸的底面相配合所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副傳遞鉆頭體，也可以兩者共同作用將鉆壓傳遞給鉆頭體。扭矩的傳遞有兩部分構(gòu)成:一部分是鉆井液螺桿馬達(dá)總成，進(jìn)而通過萬向軸直接傳遞給鉆頭體；另外一部分是鉆柱系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)中殼體旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過“轉(zhuǎn)子-定子運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”傳遞給鉆頭體，相當(dāng)于復(fù)合鉆井中的扭矩傳遞。鉆井液循環(huán)通路先是由鉆柱系統(tǒng)內(nèi)孔流動(dòng)至螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、定子之間的縫隙腔，再由萬向軸總成中下接頭上的導(dǎo)流孔進(jìn)入到鉆頭體的中心流道，再通過鉆頭噴嘴進(jìn)入鉆井環(huán)空，進(jìn)而上返至地面。
[0011]本實(shí)用新型專利的技術(shù)關(guān)鍵有兩個(gè)方面:第一，鉆頭體回轉(zhuǎn)軸線與外殼體的回轉(zhuǎn)軸線形成夾角α，假設(shè)外殼體回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為零(公轉(zhuǎn))，鉆頭體上切削齒的運(yùn)動(dòng)軌跡線為同心圓，并且所在平面與外殼體的徑向平面存在夾角α;假設(shè)鉆頭體自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為零，那么鉆頭體上切削齒的運(yùn)動(dòng)軌跡線為在外殼體徑向平面上的同心圓。當(dāng)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速都不為零時(shí)，當(dāng)前切削齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為一空間復(fù)雜曲線，它必然與其他切削齒(或自身)的上一圈(或下一圈)的運(yùn)動(dòng)軌跡相交，即形成了所述的“交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)”。第二，鉆頭體直接與螺桿馬達(dá)總成的轉(zhuǎn)子連接，其自轉(zhuǎn)動(dòng)力由工具內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，而非巖石的反作用力驅(qū)動(dòng)。這就將鉆頭體的“被動(dòng)旋轉(zhuǎn)”變?yōu)椤爸鲃?dòng)旋轉(zhuǎn)”，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(螺桿馬達(dá)“頭數(shù)”、軸傾角α等)所決定，與地層巖石性質(zhì)的變化、鉆柱振動(dòng)等因素影響關(guān)系不大，因此其“交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)”能夠穩(wěn)定、可靠的得以實(shí)現(xiàn)。
[0012]本實(shí)用新型專利所實(shí)現(xiàn)的有益效果包括:
[0013]1、通過外殼體組的公轉(zhuǎn)和鉆頭體的自轉(zhuǎn)所組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆頭體上切削齒的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)規(guī)律穩(wěn)定、可靠。因此可顯著提高鉆頭在硬巖層吃入能力，進(jìn)而提尚破巖效率；
[0014]2、鉆頭體直接與萬向軸連接，簡化了“鉆頭-螺桿鉆具”組成結(jié)構(gòu)，提高了鉆井安全性，降低了鉆井工具成本；
[0015]3、本實(shí)用新型在工作時(shí)，鉆頭體的運(yùn)動(dòng)為非偏心運(yùn)動(dòng)，周向上鉆頭體(切削齒分布)與巖石接觸對稱性較好，所產(chǎn)生的橫向不平衡力小，且在個(gè)性化設(shè)計(jì)時(shí)容易控制，使鉆頭具有較好的穩(wěn)定性；
[0016]4、鉆頭為實(shí)心式結(jié)構(gòu)件，強(qiáng)度高，不容易開裂或破損失效；
[0017]5、實(shí)心結(jié)構(gòu)的牙輪水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活，特別是可實(shí)現(xiàn)多噴嘴水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高攜巖及切削齒冷卻能力；
[0018]6、該鉆頭體結(jié)構(gòu)具有更高的布齒面積，特別是有利于提高鉆頭心部和保徑的布齒密度，提高鉆頭的使用壽命；
[0019]7、該鉆頭體的外肩和保徑部分的切削齒能夠?qū)崿F(xiàn)非連續(xù)切削破巖，有利于降低切削齒的熱磨損，提高鉆頭的工作壽命；
[0020]8、該鉆頭體所擁有的圓弧輪廓徑向布齒曲線，使其在導(dǎo)向鉆進(jìn)條件下切削齒與井底巖石接觸程度高，穩(wěn)定性好，對上部造斜工具施加的側(cè)彎矩響應(yīng)性能好，造斜率高。
[0021]作為選擇，所述軸傾角α的取值范圍為0<α<90°。
[0022]作為進(jìn)一步選擇，所述軸傾角α的取值范圍為O< α < 45° ο
[0023]作為更進(jìn)一步選擇，所述軸傾角α的取值范圍為O<α<15°0
[0024]作為選擇，所述鉆頭體的布齒輪廓線為圓弧線。
[0025]作為選擇，所述鉆頭體上設(shè)置有一個(gè)或一個(gè)以上的噴嘴。
[0026]作為選擇，所述下殼體上固定有主動(dòng)切削齒和被動(dòng)保徑齒。
[0027]作為選擇，所述萬向軸總成中的下接頭上開有導(dǎo)流孔。
[0028]作為選擇，所述鉆頭體為由粉末冶金材料部分和金屬材料部分組合而成。
[0029]作為選擇，所述切削齒為為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。
[0030]作為進(jìn)一步選擇，所述鉆頭體上的所述切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片(S卩PDC齒)。
[0031]前述本實(shí)用新型主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本實(shí)用新型可采用并要求保護(hù)的方案。如本實(shí)用新型中，各選擇可以和主方案及其他選擇任意組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，在此不做窮舉。
【附圖說明】
[0032]本實(shí)用新型將通過具體實(shí)施例并參照附圖的方式說明，其中:
[0033]圖1為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)組成圖；
[0034]圖2為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的鉆頭總成結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖3為圖1的A-A向剖視圖；
[0036]圖4為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的鉆頭體三維結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖5為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的萬向軸總成結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖6為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的一種刀翼形狀圖；
[0039]圖7為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的第二種刀翼形狀圖；
[0040]圖8為本實(shí)用新型中實(shí)施例一的第三種刀翼形狀圖；
[0041 ]圖9為本實(shí)用新型中實(shí)施例二的下殼體三維結(jié)構(gòu)圖；
[0042]圖10為本實(shí)用新型中實(shí)施例三中的鉆頭體結(jié)構(gòu)圖；
[0043]圖11為本實(shí)用新型中實(shí)施例四的下殼體與中殼體連接結(jié)構(gòu)圖；
[0044]圖12為本實(shí)用新型中實(shí)施例五的結(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖13為本實(shí)用新型的運(yùn)動(dòng)原理不意圖；
[0046]圖14為常規(guī)roc鉆頭的切削齒軌跡線圖；
[0047]圖15為本實(shí)用新型的切削齒軌跡線圖；
[0048]圖16為本實(shí)用新型的切削齒軌跡線圖；
[0049]圖17為本實(shí)用新型的切削齒軌跡線圖；
[0050]圖18為本實(shí)用新型的切削齒軌跡線圖；
[0051]圖19為本實(shí)用新型中實(shí)施例一切削齒與巖石接觸關(guān)系示意圖；
[0052]圖20為本實(shí)用新型中實(shí)施例一布齒輪廓面與對應(yīng)井底對比圖。
[0053]圖中標(biāo)記:1-鉆頭總成；2-萬向軸總成；3_螺桿馬達(dá)總成;4_芳通閥總成；51-下殼體;52-中殼體;53-上殼體；11-鉆頭體；I Ia-鉆頭體粉末冶金材料部分；I Ib-鉆頭體金屬材料部分；121-刀翼；122-主切削齒；1221-保徑齒；13-儲(chǔ)油裝置；131-潤滑油孔；141-塞銷；142-止推軸承；143-軸向密封件；144-徑向密封件；145-鎖緊軸承；146-徑向軸承；151-中心噴嘴；152-邊噴嘴；16-連接螺紋；17-鉆頭體回轉(zhuǎn)軸線；18-軸頸;21-萬向軸桿;22-萬向軸下接頭;221-萬向軸下接頭連接螺紋;222-萬向軸下接頭旁通孔;23-萬向軸上接頭;231-萬向軸上接頭連接螺紋;511-下殼體軸承孔;5121-下殼體上的主動(dòng)保徑齒;5122-下殼體上的被動(dòng)耐磨齒;513-下殼體回轉(zhuǎn)軸線;521-中殼體回轉(zhuǎn)軸線;6a-連續(xù)接觸布齒區(qū)域;6b-交替接觸布齒區(qū)域;α-鉆頭體回轉(zhuǎn)軸線與下殼體回轉(zhuǎn)軸線夾角一一軸傾角，以下也稱為“偏轉(zhuǎn)特征角” 下殼體回轉(zhuǎn)軸線與中殼體回轉(zhuǎn)軸線夾角，以下稱為“工具體彎角”；7a-鉆頭體布齒輪廓面;7b-對應(yīng)井底環(huán)帶。
【具體實(shí)施方式】
[0054]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0055]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0056]實(shí)施例一:
[0057]如圖1至圖8，圖13至圖20所示，本實(shí)用新型的一種交變軌跡切削破巖工具，它由鉆頭總成1、萬向軸總成2、螺桿馬達(dá)總成3、旁通閥總成4、下殼體51、中殼體5 2以及上殼體5 3組成。鉆頭總成包括有鉆頭體U、軸承系統(tǒng)、密封系統(tǒng)，潤滑系統(tǒng)。在鉆頭體11上設(shè)置有若干刀翼121，在刀翼121上固定有主切削齒122和保徑齒1221，作為本實(shí)用新型的切削結(jié)構(gòu)。在鉆頭體11上還設(shè)置有一個(gè)中心噴嘴151和若干個(gè)邊噴嘴152，以及刀翼間的流道共同構(gòu)成了鉆頭體11的水力結(jié)構(gòu)。
[0058]其中:鉆頭總成I的軸承系統(tǒng)包括有徑向軸承146，主要承受鉆頭體11的徑向力，使鉆頭體11能夠周向靈活旋轉(zhuǎn)。所述的徑向軸承146可以為滾動(dòng)軸承，或滑動(dòng)軸承，或滾滑復(fù)合軸承。止推軸承142主要承受鉆頭體11的軸向力(也即鉆頭的鉆壓)，為破巖工具的持續(xù)鉆進(jìn)提供必要條件。所述的止推軸承142可以為滾動(dòng)軸承，或滑動(dòng)軸承，或滾滑復(fù)合軸承。鎖緊軸承145—般為滾動(dòng)軸承，其中的滾動(dòng)體通過下殼體51上開的安裝孔進(jìn)入滾道，并通過塞銷141定位。鎖緊軸承145的主要作用與常規(guī)牙輪鉆頭類似，即鎖緊鉆頭體11與下殼體51，使之構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，且能夠防止鉆頭體11脫落。鉆頭總成I的密封系統(tǒng)包括有兩部分，一部分位于軸頸18的下根部，主要為徑向密封件144，用于防止鉆柱系統(tǒng)環(huán)空的循環(huán)物質(zhì)進(jìn)入軸承系統(tǒng)；另一部分位于軸頸18的上端部，主要為軸向密封件143，用于防止工具內(nèi)部的循環(huán)物質(zhì)進(jìn)入軸承系統(tǒng)。所述的徑向密封件144和軸向密封件143可以為橡膠密封件(密封結(jié)構(gòu))，金屬密封件(密封結(jié)構(gòu))或者其他類型的普通牙輪鉆頭上所使用的密封件或密封結(jié)構(gòu)。鉆頭總成I的潤滑系統(tǒng)包括有儲(chǔ)油裝置13、潤滑油孔131等，其功能是為軸承系統(tǒng)提供良好的潤滑環(huán)境，進(jìn)而提高軸承系統(tǒng)的工作性能。
[0059]鉆頭在地層中破巖鉆進(jìn)必須具備三個(gè)條件:一是能夠有效傳遞鉆壓，使鉆頭吃入巖石。在本實(shí)施例中，鉆柱系統(tǒng)所提供的鉆壓通過下上殼體53、中殼體52，傳遞至下殼體51，并通過下殼體51上的軸承孔511的底面，經(jīng)止推軸承142傳遞至鉆頭體11，使鉆頭體11上的切削結(jié)構(gòu)能夠有效吃入地層巖石。在上述方案中，也可以通過下殼體51上軸承孔511頂面與鉆頭體11上軸頸18的底面間設(shè)置止推軸承，并傳遞鉆壓。也可以兩者共同作用將鉆壓傳遞給鉆頭體。二是能夠有效傳遞扭矩，為切削結(jié)構(gòu)剪切破巖提供動(dòng)力。在本實(shí)施例中，扭矩的傳遞有兩部分構(gòu)成，一部分是鉆井液推動(dòng)螺桿馬達(dá)總成3旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過萬向軸總成2直接傳遞給鉆頭體11;另外一部分是鉆柱系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)中殼體52旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而經(jīng)“轉(zhuǎn)子-定子運(yùn)動(dòng)副”傳遞給鉆頭體U，相當(dāng)于復(fù)合鉆井中的扭矩傳遞。三是能夠建立鉆井液循環(huán)通路。在本實(shí)施例中，鉆井液循環(huán)通路先是由鉆柱系統(tǒng)內(nèi)孔流動(dòng)至螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子、定子之間的縫隙腔，再由萬向軸總成2中下接頭22上的導(dǎo)流孔222進(jìn)入到鉆頭體11的中心流道，再通過鉆頭體11上的中心噴嘴151或邊噴嘴152進(jìn)入鉆井環(huán)空，進(jìn)而上返至地面。
[0060]在本實(shí)施例中，所述鉆頭體11上的刀翼121的形狀可以為直刀翼(如圖6所示)，也可以為圓弧刀翼(如圖7所示)，也可以為螺旋刀翼(如圖8所示)，也可以為由上述刀翼形狀組合而成。在常規(guī)PDC鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容為切削齒的周向布齒設(shè)計(jì)，它與刀翼的形狀有著密切關(guān)系。所謂刀翼的形狀是指在鉆頭體的俯視圖中，刀翼的形狀軌跡線。一般情況下，各刀翼上的切削齒都是沿著這條軌跡線布置的。需要指出的是，不同的刀翼形狀對鉆頭的布齒密度，其他輔助切削結(jié)構(gòu)(如后備齒、保持節(jié)、內(nèi)鑲二級齒等)，以及鉆頭的力學(xué)穩(wěn)定性等。因此本實(shí)施例中的切削結(jié)構(gòu)包含現(xiàn)有公開或公認(rèn)roc鉆頭切削結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的所有特征。
[0061]在本實(shí)施例中，所述旁通閥總成4與現(xiàn)有常規(guī)螺桿鉆具的旁通閥總成基本相同，所述螺桿馬達(dá)總成3與現(xiàn)有常規(guī)螺桿鉆具的螺桿馬達(dá)總成基本相同。
[0062]在本實(shí)施例中的獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)特征主要有三個(gè)方面:其一是鉆頭體11回轉(zhuǎn)軸線17與下殼體51回轉(zhuǎn)軸線513偏轉(zhuǎn)一定的角度α(軸傾角)；其二是萬向軸總成2的下接頭22直接與鉆頭體11連接;其三是鉆頭體11上設(shè)置有軸頸18，而軸承孔511設(shè)置在下殼體51上，兩者相互配合并構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
[0063]下面結(jié)合本實(shí)施例，進(jìn)一步展開敘述本實(shí)用新型的有益效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
[0064]第一、本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)鉆頭體11上切削齒122穩(wěn)定、可靠的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)，可顯著提高鉆頭在硬巖層吃入能力，進(jìn)而提高破巖效率。如圖13所示，下殼體51隨鉆柱系統(tǒng)繞回轉(zhuǎn)軸線513旋轉(zhuǎn)(破巖工具的公轉(zhuǎn))，同時(shí)鉆頭體11在螺桿馬達(dá)總成3的帶動(dòng)下，繞自身回轉(zhuǎn)軸線17旋轉(zhuǎn)(破巖工具的自轉(zhuǎn))。假設(shè)自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為0，公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分，則鉆頭上切削齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為定半徑的圓形，該運(yùn)動(dòng)軌跡與常規(guī)PDC鉆頭理想工作條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡相同，如圖14所示。假設(shè)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分，鉆頭吃入深度為3mm/轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)特征角α為15°，如本實(shí)用新型所述破巖工具公轉(zhuǎn)I圈，則可形成如圖15所示的切削齒運(yùn)動(dòng)軌跡線。從該軌跡線中可以明顯看出，切削齒實(shí)際上以空間曲線的形式旋轉(zhuǎn)兩圈，其中粗實(shí)線為第一圈軌跡，細(xì)實(shí)線為第二圈軌跡，并且這兩圈軌跡在箭頭所指方向點(diǎn)上具有一個(gè)軌跡線交點(diǎn)。當(dāng)本實(shí)用新型所述破巖工具以公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速60轉(zhuǎn)/分，自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/分，鉆頭吃入深度為3_/轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)特征角α為15°時(shí)，則可形成如圖16所示的切削齒運(yùn)動(dòng)軌跡線。從該軌跡線中可以明顯看出，切削齒實(shí)際上以空間曲線的形式旋轉(zhuǎn)三圈，并且形成了四個(gè)軌跡線交點(diǎn)。在本實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)特征角的不同，對切削齒運(yùn)動(dòng)軌跡線的影響很大，圖17為時(shí)的井底軌跡線，圖18為時(shí)的井底軌跡線。從以上兩個(gè)軌跡線圖可以看出，兩條線的軌跡交角不同，在一定切削寬度條件下的切削區(qū)域重疊長度也不同，這對切削齒切削角度和切削載荷的變化將產(chǎn)生重大影響。另外，采用鉆頭體直接與螺桿馬達(dá)總成的轉(zhuǎn)子連接的傳動(dòng)方案，使鉆頭體自轉(zhuǎn)的動(dòng)力來自于工具內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，而非巖石的反作用力驅(qū)動(dòng)。這就將鉆頭體的“被動(dòng)旋轉(zhuǎn)”變?yōu)椤爸鲃?dòng)旋轉(zhuǎn)”，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可由自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(螺桿馬達(dá)“頭數(shù)”、軸傾角α等)所決定，與地層巖石性質(zhì)的變化、鉆柱振動(dòng)等因素影響關(guān)系不大，其“交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)”能夠穩(wěn)定、可靠的得以實(shí)現(xiàn)。特別是對應(yīng)井底的心部區(qū)域也能夠?qū)崿F(xiàn)良好的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)，可有效提高鉆頭的工作性能。
[0065]第二、鉆頭體直接與萬向軸連接，簡化了“鉆頭-螺桿鉆具”組成結(jié)構(gòu)，提高了鉆井安全性，降低了鉆井工具成本?！般@頭+螺桿鉆具”的鉆具組合是目前深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井常用的一種鉆具組合方式。但是常規(guī)螺桿鉆具設(shè)置有傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)，它包括有徑向軸承組、推力軸承組、軸承座、傳動(dòng)桿以及軸承密封結(jié)構(gòu)等，裝配零件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。且由于井下工作條件十分惡劣，容易導(dǎo)致傳動(dòng)軸總成中的軸承脫落、徑向間隙過大、傳動(dòng)桿斷裂等井下事故的發(fā)生。在本實(shí)施方案中，使萬向軸總成直接與鉆頭體連接，直接取消了常規(guī)螺桿鉆具中的傳動(dòng)軸總成，大大降低了下部鉆具組合的失效概率，提高了鉆井安全性。
[0066]第三、在本實(shí)施例中，鉆頭體的運(yùn)動(dòng)為非偏心運(yùn)動(dòng)，鉆頭體橫向不平衡力小，穩(wěn)定性好。中國專利CN 201410426491.6: “可實(shí)現(xiàn)偏心擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)的PDC鉆頭工具”和CN201410426030.9:“一種具有交變切削軌跡的PDC鉆頭工具”所實(shí)施的方案都是使鉆頭體產(chǎn)生偏心運(yùn)動(dòng)，鉆頭體上切削齒的分布與巖石周向接觸對稱性不好，容易引入很大的橫向不平衡力，使鉆頭的工作穩(wěn)定性變差。而本實(shí)施方案中，鉆頭體下部球面結(jié)構(gòu)上切削齒與井底巖石的周向接觸對稱性好，綜合橫向不平衡力系數(shù)小，且在切削結(jié)構(gòu)優(yōu)化布齒設(shè)計(jì)時(shí)容易控制。而上部球面結(jié)構(gòu)主要以保徑齒為主，對巖石的吃入不深，所產(chǎn)生的橫向不平衡力小。
[0067]第四、在本實(shí)施例中，鉆頭體為實(shí)心式結(jié)構(gòu)件，強(qiáng)度高、安全性好。常規(guī)牙輪鉆頭在牙輪內(nèi)部設(shè)置有軸承孔，且由于外部布齒面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部階梯狀軸承孔結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，殼體厚度薄，且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此常規(guī)牙輪鉆頭中的牙輪殼體強(qiáng)度不高，容易產(chǎn)生開裂或破損失效。而本實(shí)施例中，除中心流道外，從刀翼底部至中心流道間均為實(shí)心式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，不容易發(fā)生鉆頭體破損。
[0068]第五、在本實(shí)施例中，具有實(shí)心式結(jié)構(gòu)的鉆頭體噴嘴布置靈活，易于實(shí)現(xiàn)鉆頭體水力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。常規(guī)牙輪鉆頭(單牙輪鉆頭)緊能在鉆頭體上設(shè)置中心噴嘴，且其尺寸受軸頸尺寸和強(qiáng)度的嚴(yán)格限制，水力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不靈活。而本實(shí)施例中，可在非中心區(qū)域設(shè)置邊噴嘴，如圖2、圖4所示。且其噴嘴的直徑、噴射角度和數(shù)量等，可根據(jù)鉆頭體的切削結(jié)構(gòu)靈活設(shè)計(jì)，可使其獲得良好的冷卻、攜巖、輔助破巖等高效水力結(jié)構(gòu)特性。
[0069]第六、在本實(shí)施例中，由于偏轉(zhuǎn)特征角α的存在，使鉆頭體上特定區(qū)域的布齒輪廓面7a大于對應(yīng)于切削齒覆蓋的井底環(huán)帶7b，如圖20所示。本實(shí)施例較常規(guī)I3DC鉆頭具有更大的布齒面積，特別是有利于提高鉆頭心部和保徑區(qū)域的布齒密度，提高鉆頭的綜合使用壽命O
[0070]第七、在本實(shí)施例中，由于偏轉(zhuǎn)特征角α的存在，可將鉆頭體11的布齒輪廓面分為連續(xù)接觸布齒區(qū)域6a和交替接觸布齒區(qū)域6b，如圖19所示。鉆頭體的外肩部和保徑部正處于所述的交替接觸布齒區(qū)域6b，當(dāng)位于該區(qū)域的切削齒接近或達(dá)到與井壁相接觸的位置時(shí)，便參與刮切井壁巖石，如圖中保徑齒1221;當(dāng)脫離該位置時(shí)，切削齒便不再參與刮切井壁巖石，如圖中保徑齒(1221)。布置在交替接觸布齒區(qū)域6b的切削齒，能夠更為有利的實(shí)現(xiàn)切削齒的高效冷卻效果，降低了切削齒熱磨損程度，提高了使用壽命。
[0071]第八、在本實(shí)施例中，具有圓球面布齒切削結(jié)構(gòu)的破巖工具，導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)力學(xué)穩(wěn)定性好，造斜能力高。鉆頭體11布齒面輪廓為圓球面，當(dāng)進(jìn)行定向造斜鉆進(jìn)時(shí)，切削齒與井底巖石接觸程度高，穩(wěn)定性好;同時(shí)對上部造斜工具施加的側(cè)彎矩響應(yīng)性能好，造斜率高。
[0072]實(shí)施例二:
[0073]如圖9所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其區(qū)別在于:所述下殼體51上的外圓周面上設(shè)置有主動(dòng)保徑齒5121或被動(dòng)保徑齒5122，或由主動(dòng)保徑齒5121和被動(dòng)保徑齒5122組合而成的保徑布齒結(jié)構(gòu)。所述主動(dòng)保徑齒5121和被動(dòng)保徑齒5122優(yōu)先采用聚晶金剛石復(fù)合片齒，也可以采用硬質(zhì)合金切削齒、孕鑲金剛石切削齒、具有金剛石層的復(fù)合齒或其他石油天然氣、地礦鉆井工程中所使用的破巖鉆頭用切削齒。
[0074]實(shí)施例二所提出的結(jié)構(gòu)方案，可進(jìn)一步豐富本實(shí)用新型的保徑切削結(jié)構(gòu)，使其具有更強(qiáng)的保徑能力和鉆進(jìn)穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提尚本實(shí)用新型的綜合工作性能。
[0075]實(shí)施例三:
[0076]如圖10所示，本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，其區(qū)別在于:所述鉆頭體11使用兩種不同材料的部分構(gòu)成，分別為下部具有刀翼結(jié)構(gòu)特征的粉末冶金材料部分11a，和上部具有軸頸結(jié)構(gòu)特征的金屬材料部分lib。
[0077]粉末冶金材料(如“WC-Co”硬質(zhì)合金等)是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。在PDC鉆頭制造中，常用粉末冶金材料制作鉆頭的本體結(jié)構(gòu)，具有硬度高、耐磨性好、抗沖蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。具有該材料特征的roc鉆頭常用于高硬度、高研磨性致密地層中使用。在本實(shí)施例中，鉆頭體11下部帶有刀翼結(jié)構(gòu)特征的部分Ila采用粉末冶金材料，可使本實(shí)用新型中的切削結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、耐磨性好、抗沖蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);鉆頭體11上部帶有軸頸結(jié)構(gòu)特征的部分Ilb采用金屬材料，可便于通過機(jī)械加工的方法使軸頸外表面獲得較高的幾何精度，也便于進(jìn)行熱處理，以改善其機(jī)械性能。
[0078]實(shí)施例四:
[0079]如圖11所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其區(qū)別在于:所述中殼體52的幾何軸線521與所述下殼體51的幾何軸線513偏轉(zhuǎn)了一個(gè)工具體彎角β。本實(shí)施例可更好的實(shí)現(xiàn)造斜鉆進(jìn)與穩(wěn)斜鉆進(jìn)。所述工具體彎角β取值范圍為:0<β< 5°。
[0080]實(shí)施例五:
[0081]如圖12所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其區(qū)別在于:所述偏轉(zhuǎn)特征角α=0°。本實(shí)施例與常規(guī)油氣鉆井工程中的“鉆頭-螺桿鉆具”組合所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能相同，但相較而言本實(shí)施例沒有常規(guī)螺桿鉆具的“軸承組”結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了鉆井安全性，降低了工具制造與維護(hù)成本。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種交變軌跡切削破巖工具，包括有鉆頭總成(I)和外殼體組，所述外殼體組由下殼體(51)、中殼體(52)和上殼體(53)組成;所述外殼體組內(nèi)設(shè)置有萬向軸總成(2)、螺桿馬達(dá)總成(3)和旁通閥總成(4);所述鉆頭總成(I)中的鉆頭體(11)安裝在下殼體(51)的下端部，構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并且又與萬向軸總成(2)的下接頭(22)通過螺紋(221)固定連接;所述鉆頭體(11)上固定有切削齒(122)，其特征在于:所述鉆頭體(11)的回轉(zhuǎn)軸線(17)與下殼體(51)的回轉(zhuǎn)軸線(513)間形成軸傾角α，使外殼體組的公轉(zhuǎn)與鉆頭體(I I)的自轉(zhuǎn)相復(fù)合，實(shí)現(xiàn)所述切削齒(122)的交變軌跡切削運(yùn)動(dòng)。2.如權(quán)利要求1所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述鉆頭體(II)上設(shè)置有軸頸(18)，在所述軸頸(18)內(nèi)部設(shè)置有螺紋結(jié)構(gòu)(16)并且與萬向軸總成(2)中的下接頭(22)通過螺紋(221)固定連接。3.如權(quán)利要求1所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述軸傾角α的取值范圍0<α<90° ο4.如權(quán)利要求3所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述軸傾角α的取值范圍，優(yōu)選為O < α < 45° ;或所述軸傾角α的取值范圍，優(yōu)選為O <α < 15° 05.如權(quán)利要求2所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述下殼體(51)下部設(shè)置有軸承孔(511)，并與所述鉆頭體(11)上的所述軸頸(18)相配合，并形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。6.如權(quán)利要求1或2所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述鉆頭體(11)的布齒輪廓線為圓弧線。7.如權(quán)利要求6所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述鉆頭體(II)上設(shè)置有一個(gè)或一個(gè)以上的噴嘴(152)。8.如權(quán)利要求5所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述下殼體(51)上固定有主動(dòng)切削齒(5121)和被動(dòng)保徑齒(5122)。9.如權(quán)利要求1或2所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述萬向軸總成(2)中的下接頭(22)上開有導(dǎo)流孔(222)。10.如權(quán)利要求1或2所述的一種交變軌跡切削破巖工具，其特征在于:所述鉆頭體(II)為由粉末冶金材料部分(I Ia)和金屬材料部分(I Ib)組合而成。
【文檔編號】E21B7/00GK205532272SQ201620102891
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月1日
【發(fā)明人】任海濤
【申請人】西南石油大學(xué)