鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭的製作方法
2023-05-27 22:20:11 1
鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭（簡稱模塊鑽頭），包括模塊（1），模塊單元（2），鑽頭體（3）、常規切削齒（4），噴嘴（5）。本發明的模塊切削齒鑽頭，根據所鑽地層的巖石力學性能及鑽井要求，通過對模塊和模塊單元形狀、規格、數量的組合設計及材料的優選，來控制鑽頭特定部位切削單元的有效切削刃長，維持鑽頭切削單元鑽進過程中的恆定比壓，大幅增加切削單元的有效磨損體積，提高切削單元有效利用率。模塊式切削齒鑽頭不僅能夠大幅提高鑽頭在複雜地質尤其是硬地層或研磨性地層條件下的平均機械鑽速和鑽井進尺，還能延長鑽頭使用壽命，降低鑽井成本。
【專利說明】鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭
【技術領域】
[0001]本發明屬於石油天然氣鑽探工程、礦山開採、地質鑽探、建築工程、隧道工程、盾構及非開挖等技術設備領域，涉及模塊化布齒鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭。
【背景技術】
[0002]鑽頭是鑽井過程中，直接與巖石接觸，通過切削、衝壓等作用破碎巖石的工具。roc鑽頭(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金剛石複合片鑽頭)破巖形式為切削、剪切巖石，在鑽井、地質乃至建築工程中運用越來越廣泛，在鑽井工程中使用的比例越來越大。在鑽頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鑽頭鑽進時各切削齒的運動軌跡為相對固定的同心圓環帶。由於其破巖機理和結構差異，PDC鑽頭適用於較高鑽速和軟至中硬地層。PDC鑽頭具有以下特點:
[0003](I)破巖方式:依靠複合片切削齒切削、剪切破碎地層。根據巖石研磨性，在鑽頭破碎巖石過程中，巖石與鑽頭之間產生連續或間斷的接觸和摩擦。
[0004](2)切削單元切削刃長、比壓、機械鑽速的關係:鑽頭在破碎巖石的同時，自身也受到巖石的磨損而逐漸變鈍，即切削刃長增加。所以切削刃長、比壓、機械鑽速的關係為:鑽頭鑽進初期，切削單元磨損線短、比壓大，破巖效率高，機械鑽速高；隨著磨損線逐漸變長、t匕壓變小、切削單元對巖石的相對磨損增大，機械鑽速逐步降低直至鑽頭失效。以切削單元為Φ16_的圓形複合片鑽頭鑽中硬地層為例，鑽頭通常失效時複合片的切削刃長約為直徑的80%。切削刃長的急劇增加，會大幅降低鑽頭對巖石的破碎效率和鑽井效率。
[0005](3)切削單元磨耗比、有效磨損體積與鑽頭壽命的關係:對於磨耗比一定的複合片，有效磨損體積越大，鑽頭複合片的有效使用率就越大，進尺就越多，鑽頭壽命也越長。以切削單元為Φ16_的圓形複合片鑽頭鑽中硬地層為例，鑽頭通常失效時，複合片金剛石層的實際磨損體積不到金剛石總體積的20%。在不考慮衝擊損害的影響下，選用磨耗比高的複合片，有助於延長鑽頭使用壽命。
[0006]為了提高複合片性能，國內外研究者從PDC鑽頭剖面形狀、後傾角、切削齒尺寸以及布齒密度這幾個方面進行了研究。但都不能有效解決鑽頭失效時，複合片金剛石層的實際磨損體積佔金剛石總體積比例很小的問題。
【發明內容】
[0007]為本發明提出一種鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，通過對切削齒布齒方式的改進，採用模塊式切削齒，實現鑽進過程比壓可控和切削單元有效磨損體積增加，提高機械鑽速和鑽頭性能的目的。
[0008]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0009]鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，包括鑽頭體(3)、切削齒(4)，其特徵在於:切削齒包含作為基體的模塊(I)和模塊單元(2 )，在一個鑽頭上模塊(I)數量> I，一個模塊(I)上設置的模塊單元(2)數量> 2。[0010]主要以模塊單元作為切削部。[0011]下文中上述由模塊(I)和模塊單元(2)構成的切削齒稱為切削單元或模塊切削單J Li ο[0012]所述的模塊單元與模塊的連接方式包括焊接、鑲嵌、粘結、螺紋等。[0013]所述的模塊與鑽頭體的連接方式包括焊接、鑲嵌、粘結、螺紋、機夾等。[0014]所述的模塊單元截面形狀包括圓形、橢圓形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、長方形、正方形、梯形、菱形、多邊形(邊數> 5)以及它們的環形，以及上述形狀的組合。[0015]所述的模塊單元體形狀包括柱體、錐體、球體、腰鼓體、空心體、異形體，以及它們的組合體。[0016]所述的模塊單兀體形狀為圓柱，其直徑為lmnT25mm,高度為3mnT25mm。[0017]所述的模塊單元組合形式包括相同的模塊單元組合(例如:尺寸相同的圓形單元與圓形單元的組合，橢圓形單元與橢圓形單元的組合)，也包括不相同的模塊單元組合(例如:不同尺寸的模塊單元組合，圓形單元與橢圓形單元的組合)。[0018]所述的模塊單元分布形式可以是規則分布，也可以是無規則分布。[0019]所述的模塊單元組合相互之間可有間隔，也可無間隔，即模塊單元間隔值> 0_。[0020]所述的模塊單元可以全部包含在模塊內，也可以部分包含在模塊內。[0021]所述模塊單元切削麵可以出露於模塊表面，也可以沉於模塊表面內。[0022]所述的模塊單元材料包括硬質合金、聚晶金剛石複合片(體)、熱穩定聚晶金剛石、 人造金剛石孕鑲塊、天然金剛石孕鑲塊、立方氮化硼或陶瓷，以及包含硬質合金、金剛石或立方氮化硼的複合材料。[0023]所述模塊單元通過熱壓、燒結、電火花加工、雷射加工或機械加工成型。[0024]所述的模塊截面形狀包括圓形、橢圓形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、長方形、正方形、菱形、梯形、多邊形(邊數>≥5)以及它們的組合。[0025]所述的模塊體形狀包括柱體、錐體、球體、腰鼓體、空心體、異形體，以及它們的組合體。[0026]所述的模塊形狀為圓柱，其直徑≥2mm。[0027]當所述的模塊數> 2時，模塊組合形式包括相同的模塊組合(例如:圓形模塊與圓形模塊的組合，橢圓形模塊與橢圓形模塊的組合)，也包括不相同的模塊組合(例如:尺寸不同的模塊組合，圓形模塊與橢圓形模塊的組合)。[0028]當所述的模塊數≥2時，模塊與模塊在鑽頭體上可以有間隔，也可以沒有間隔，即模塊組合間隔值≥0mm。[0029]所述的模塊可以全部包含在鑽頭體內，也可以部分包含在鑽頭體內。[0030]所述的模塊可以是鑽頭體的刀翼，也可為刀翼的一部分。[0031 ] 所述的模塊材料包括鋼材、硬質合金、粉末冶金材料、有色金屬或複合材料。[0032]模塊由燒結、壓制、鑄造、鍛造及電火花加工、雷射加工、機械加工成型。[0033]本發明鑽頭類型包括PDC鑽頭、金剛石鑽頭、孕鑲鑽頭、牙輪鑽頭、旋切鑽頭，以及由PDC鑽頭、孕鑲鑽頭、牙輪鑽頭、旋切鑽頭構成的複合鑽頭，至少包含一個模塊和模塊單元形成的切削單元。[0034]所述的鑽頭體材料為碳化鎢與合金的燒結體、鋼材、硬質合金或金屬複合材料。[0035]模塊式切削齒鑽頭鑽進過程，切削單元刃部與巖石接觸的有效切削長度控制在一定範圍，保證較大比壓值，提高鑽頭平均機械鑽速。結合鑽頭體(含胎體、鋼體)參數，模塊式切削齒鑽頭可增加切削齒單元有效磨損體積，提高切削單元有效利用率，延長鑽頭使用壽命。在複雜地質(尤其是硬地層或研磨性地層)條件下，模塊式切削齒鑽頭可實現鑽井總進尺的大幅度提高。本發明的研究包括(但不限於)以下內容:
[0036](I)模塊單元的結構設計:通過模塊單元的結構設計及其與模塊基體連接，研發小規格的模塊單元，組成一個切削齒單元，改變切削單元結構。
[0037](2)模塊單元的材料性能:高性能(尤其是抗衝擊、高耐磨)的單元材料性能，實現鑽頭在深井及研磨性地層中的性能。
[0038](3)模塊的結構設計:模塊的結構設計保證切削單元切削刃長在一定範圍，從而提聞機械鑽速和增加鑽頭壽命。
[0039](4)模塊的材料性能:高強度、低耐磨性的基體材料，當單元磨損體積增加時，比壓不會減小，從而提聞鑽頭的平均機械鑽速。
[0040](5)鑽頭體的材料性能:高強度、低耐磨性的鑽頭體材料，實現切削單元磨損體積增加時，比壓不會減小，從而提高鑽頭的平均機械鑽速。
[0041]本發明與現有技術相比的特點是:
[0042]一、優化切削單元切削刃長:隨著鑽頭鑽進，現有技術的切削單元有效切削長度增力口，導致比壓下降，鑽頭鑽進性能降低。模塊式切削齒鑽頭通過模塊或模塊單元的形狀、數目、組合等設計參數，考慮鑽壓、巖石性能等參數，優化切削單元切削刃長，使切削單元有效切削長度控制在一定範圍內。
[0043]二、保證切削單元鑽進比壓:隨著鑽進量增加，模塊式切削齒鑽頭的切削單元切削刃長仍控制在一定範圍。根據切削刃長與比壓的關係，切削刃長的控制保證鑽進過程切削單元的比壓在一定範圍，即鑽頭保持切削單元刃部的比壓，保持機械鑽速。
[0044]三、提高機械鑽速:根據切削刃長、比壓、機械鑽速的關係，切削刃長的增加，會急劇降低巖石破碎效率和機械鑽速。模塊式切削齒鑽頭的模塊化設計，通過控制切削刃長在一定範圍，隨著鑽進增加，比壓仍保持與鑽壓、巖石性能相對應的鑽進較大值，保證了切削單兀的吃入，實現鑽頭機械鑽速的提聞。
[0045]四、提高切削單元的有效利用率:以切削單元為Φ16πιπι的圓形複合片鑽頭鑽中硬地層為例，鑽頭通常失效時複合片的切削刃長約為直徑的80%，金剛石層的實際磨損體積不到金剛石總體積的20%，切削單元的有效利用率較低。模塊式切削齒鑽頭通過較小切削刃長、較大比壓，與鑽頭體材料參數結合，提高切削單元有效磨損體積，提高切削單元的有效利用率。即隨著切削單元的有效磨損體積的增加，模塊式切削齒鑽頭仍可保持鑽進所需的比壓保證鑽頭對地層的吃入，從而提高切削單元的有效利用率。
[0046]五、延長鑽頭使用壽命:鑽頭壽命與切削單元的有效利用率相關。常規設計中切削單元切削刃長增加，會急劇降低巖石破碎效率，即切削刃長達到最大時，比壓最小，切削單元吃入量最少，機械鑽速達到最低。與前對應，隨著切削單元的有效磨損體積的增加，模塊式切削齒鑽頭仍可保持鑽進所需的比壓，保證鑽頭對地層的吃入，提高切削單元的有效利用率，延長鑽頭使用壽命。
[0047]六、增加鑽進總進尺:總進尺作為檢驗鑽頭性能的最終指標，體現在兩個方面:機械鑽速和鑽頭壽命。本發明的模塊式切削齒鑽頭通過模塊化布齒、保證鑽進比壓可控、提高機械鑽速，同時通過增加切削單元的有效磨損體積、提高切削單元有效利用率，最終增加模塊式切削齒鑽頭鑽進總進尺。
[0048]本發明有益效果:(1)顯著提高鑽頭的平均機械鑽速:根據所鑽地層的巖石力學性能及鑽井要求，對模塊和模塊單元形狀、規格、數量的組合設計及材料的優選，控制鑽頭特定部位切削單元的有效磨損刃長，維持鑽頭切削單元鑽進過程中的恆定比壓，顯著提高鑽頭的平均機械鑽速。(2)延長鑽頭使用壽命:結合鑽頭體材料參數，大幅增加切削單元的有效磨損體積，提高切削單元有效利用率，延長鑽頭使用壽命。(3)降低鑽井成本:模塊式切削齒鑽頭不僅能夠大幅提高鑽頭在複雜地質(尤其是硬地層或研磨性地層)條件下的平均機械鑽速和鑽井進尺，還能延長鑽頭使用壽命，降低鑽井成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0049]圖1為本發明的模塊式切削齒鑽頭結構示意圖(PDC鑽頭)
[0050]圖2為本發明模塊切削單元結構示意圖
[0051]圖3為本發明的模塊單元組合形式之一(實施例1)結構示意圖
[0052]圖4為本發明實施例1的模塊切削單元與常規PDC齒切削刃長分布規律對比圖
[0053]圖5為本發明 的模塊單元組合形式之二 (實施例2)結構示意圖
[0054]圖6為本發明實施例2的模塊切削單元與常規PDC齒切削刃長分布規律對比圖
[0055]圖7為本發明的模塊單元組合形式之三(實施例3)結構示意圖
[0056]圖8為本發明的模塊單元組合形式之四(實施例4)結構示意圖
[0057]圖9為本發明的模塊單元組合形式之五(實施例5)結構示意圖
[0058]圖10為本發明的模塊單元組合形式之六(實施例6)結構示意圖
[0059]圖11為本發明的模塊單元組合形式之七(實施例7)結構示意圖
[0060]圖12為本發明的模塊單元組合形式之八(實施例8)結構示意圖
[0061]圖13為本發明的模塊式切削齒鑽頭結構示意圖(PDC與旋切複合鑽頭)結構示意圖
[0062]圖14為本發明應用在PDC鑽頭，在鑽硬及高研磨性地層時，與三牙輪鑽頭的鑽壓對比圖
[0063]圖15為本發明應用在PDC鑽頭，在鑽硬及高研磨性地層時，與三牙輪鑽頭的鑽壓對比圖。
【具體實施方式】
[0064]下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。
[0065]實施例1:模塊切削單元方案一
[0066]如圖3所示，其中模塊單元數目為2，模塊與模塊單元截面形狀為圓形。模塊直徑為山模塊單元種類為2,數量為2,分別為單元1、單元2,直徑分別為屯、d2,其中(I1與d相
切，兩單元y方向中心距為Ii1，且OSZi1 <ii±^0
[0067]實施例2:模塊切削單元方案二[0068]如圖5所示，模塊和模塊單元截面形狀為圓形，所有單元在模塊內，單元之間有間 隔。模塊直徑為d，其中模塊單元數目為4，種類為2，直徑分別為Clpd2，包括模塊(I)、模塊 單元(2)。[0069]實施例3:模塊切削單元方案三[0070]如圖7所示，模塊截面為跑道型，模塊單元截面形狀有圓形、菱形、三角形、矩形等 不同類型，規則分布，包括模塊(I)、模塊單元(2 )。[0071]實施例4:模塊切削單元方案四[0072]如圖8所示，模塊截面為空心橢圓，模塊單元截面形狀為圓形，尺寸不同，無規則 分布。包括模塊(I)、模塊單元(2)。[0073]實施例5:模塊切削單元方案五[0074]如圖9所示，模塊單元相互之間可無間隔，即某些模塊單元間隔值=0mm，包括模 塊(I)、模塊單元(2)。[0075]實施例6:模塊切削單元方案六[0076]如圖10所示，模塊組合形式為同類型的模塊組合，其中模塊截面形狀為梯形，包 括模塊(I)、模塊單元(2)。[0077]實施例7:模塊切削單元方案七[0078]如圖11所示，模塊組合形式為不同類型的模塊組合，其中模塊截面形狀有扇形、 矩形，即扇形模塊與矩形模塊的組合，包括模塊(I)、模塊單元(2)。[0079]實施例8:模塊切削單元方案八[0080]如圖12所示，模塊組合形式為模塊之間無間隔的示意圖，即某些模塊間隔值= Omm,包括模塊(I)、模塊單元(2)。[0081]實施例9:PDC鑽頭[0082]如圖1所示，包括模塊(I)、模塊單元(2 )、鑽頭體(3 )、PDC切削齒(4 )、噴嘴(5 )。其 中鑽頭至少包含一個本發明所述的模塊或模塊單元形成的切削單元(圖2所示)，若干切削 單元構成PDC切削齒(4)。[0083]實施例10:複合鑽頭[0084]如圖12所示，鑽頭為包含旋切鑽頭、模塊PDC鑽頭的複合鑽頭。包括模塊(I)、模 塊單元(2)、PDC鑽頭體(3)、PDC切削齒(4)、噴嘴(5)、旋切鑽頭(7)，其中鑽頭至少包含一 個本發明所述的模塊或模塊單元形成的切削單元(圖2所示)，若干切削單元構成PDC切削 齒⑷。[0085]實施例11:理論分析[0086]根據本發明的研究思路，可完成不同方案的模塊式切削齒鑽頭設計，下面以圖3 的方案為例進行分析。[0087]模塊與模塊單元布置如圖3所示，其中模塊單元數目為2，模塊與模塊單元截面形 狀為圓形，兩單元在模塊內。設模塊直徑為d，模塊單元分別為單元1、單元2，直徑為Clpd2,其中Cl1與(1相切，兩單元y方向中心距為Ill，且OS。下面針對不同鑽進過程分析切削單元(方案中為模塊單元I與2組成)切削刃長分布規律。[0088](I)當單兀I單獨作用時，即
【權利要求】
1.鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，包括模塊(1)，模塊單元(2)，其特徵在於:所述鑽 頭的模塊切削齒由作為基體的模塊(I)和模塊單元(2)組成，所述鑽頭上設置的模塊(I)數 量> 1，所述模塊(I)上設置的模塊單元(2)數量>2。
2.根據權利要求1所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的鑽頭 類型包括PDC鑽頭、金剛石鑽頭、孕鑲鑽頭、牙輪鑽頭或旋切鑽頭，或由roc鑽頭、孕鑲鑽頭、 牙輪鑽頭、旋切鑽頭構成的複合鑽頭；所述的鑽頭體材料為碳化鎢與合金的燒結體、鋼材、 硬質合金、金屬複合材料。
3.根據權利要求1或2所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的 模塊與鑽頭體的連接方式包括焊接、鑲嵌、粘結、螺紋或機夾。
4.根據權利要求1所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的模塊 單元截面形狀包括圓形、橢圓形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、長方形、正方形、梯形、菱形 或多邊形以及它們的環形；所述的模塊單元體形狀包括柱體、錐體、球體、腰鼓體、空心體或 異形體，以及它們的組合體。
5.根據權利要求1或4所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的 模塊單兀體形狀為圓柱，其直徑為lmnT25mm,高度為3mnT25mm。
6.根據權利要求1或4所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的 模塊單元組合形式包括相同的模塊單元組合和不相同的模塊單元組合；所述的模塊單元分 布形式包含規則分布或無規則分布；所述的模塊單元組合相互之間模塊單元間隔值；所述 的模塊單元全部包含在模塊內或部分包含在模塊內；所述的模塊單元切削麵露出模塊表面 或沉於模塊表面內；所述的模塊單元是模塊單元的組合，即模塊單元組合作為模塊單元，形 成模塊切削齒的組成部分。
7.根據權利要求6所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的模塊 單元材料包括硬質合金、聚晶金剛石複合片或體、熱穩定聚晶金剛石、人造金剛石孕鑲塊、 天然金剛石孕鑲塊、立方氮化硼或陶瓷，以及包含硬質合金、金剛石或立方氮化硼的複合材 料；所述的模塊單元通過熱壓、燒結、電火花加工、雷射加工、機械加工成型。
8.根據權利要求1所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的模塊 截面形狀包括圓形、橢圓形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、長方形、正方形、菱形、梯形或多 邊形或它們的組合；所述的模塊體形狀包括柱體、錐體、球體、腰鼓體、空心體或異形體，或 它們的組合體。
9.根據權利要求1或8所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的 模塊形狀為圓柱，其直徑，高度為3mnT25mm。
10.根據權利要求1或8所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:當所述 的模塊數> 2時，模塊組合形式包括相同的模塊組合或不相同的模塊組合；當所述的模塊 數> 2時，模塊與模塊在鑽頭體上間隔值；所述的模塊全部包含在鑽頭體內或部分包含在 鑽頭體內；所述的模塊是鑽頭體的刀翼，或刀翼的一部分。
11.根據權利要求1或8所述的鑽進比壓可控的模塊切削齒鑽頭，其特徵在於:所述的 模塊材料包括鋼材、硬質合金、粉末冶金材料、有色金屬或複合材料；所述的模塊由燒結、壓 制、鑄造、鍛造及電火花加工、雷射加工、機械加工成型；所述的模塊單元與模塊基體的連接 方式包括焊接、鑲嵌、粘結或螺紋等。
【文檔編號】E21B10/43GK103510859SQ201210207165
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月21日 優先權日:2012年6月21日
【發明者】張亮, 李舒, 田家林, 曾德發 申請人:四川深遠石油鑽井工具有限公司