阅读说明：本技术 一种切削齿可轴向冲击的pdc钻头 (PDC drill bit with axially-impacted cutting teeth ) 是由 刘伟 其他发明人请求不公开姓名 于 2020-08-24 设计创作，主要内容包括：一种切削齿可轴向冲击的PDC钻头：包括钻头体,钻头体上设置有刀翼、喷嘴及流体主通道,刀翼上安装有切削齿,切削齿由中心活动齿、衬套、限位器及水力驱动旋转器组成；中心活动齿底部设置有凸凹不平的轨道,衬套上设置有轴及水孔,水力驱动旋转器上设置有冲击头,中心活动齿与衬套之间通过限位器形成移动连接,水力驱动旋转器与衬套上的轴形成转动连接。本体上设置有第一流体通道,中心活动齿内设置有第二流体通道,第一流体通道与主通道相通,衬套内空间形成第二流体通道,第二流体通道通过衬套上的水孔与第一流体通道相通,第二流体通道与第三流体通道相通。本发明可以实现切削齿沿其轴线对地层的冲击作用,提高破岩效率,降低钻井成本。(A PDC bit with axially percussive cutting teeth: the cutting bit comprises a bit body, wherein a blade, a nozzle and a main fluid channel are arranged on the bit body, cutting teeth are arranged on the blade, and the cutting teeth consist of central movable teeth, a bushing, a limiter and a hydraulic drive rotator; the bottom of the central movable tooth is provided with a rugged track, the lining is provided with a shaft and a water hole, the hydraulic drive rotator is provided with an impact head, the central movable tooth and the lining are movably connected through a limiter, and the hydraulic drive rotator is rotatably connected with the shaft on the lining. The body is provided with a first fluid channel, the central movable gear is provided with a second fluid channel, the first fluid channel is communicated with the main channel, the space in the bushing forms a second fluid channel, the second fluid channel is communicated with the first fluid channel through a water hole in the bushing, and the second fluid channel is communicated with the third fluid channel. The invention can realize the impact action of the cutting teeth on the stratum along the axis of the cutting teeth, improve the rock breaking efficiency and reduce the drilling cost.)

一种切削齿可轴向冲击的PDC钻头

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、水文等钻探设备技术领域，具体涉及一种用于镶固于钻头上的可活动切削齿，以及具有该切削齿的PDC钻头。

背景技术

聚晶金刚石齿（简称PDC齿）是一种用于镶固在钻头体上的切削齿。切削齿主要由金刚石层和硬质合金基体组成，金刚石层具有高硬度、高耐磨性和具有自锐性等特点。安装有PDC齿的钻头称之为PDC钻头，它广泛应用于钻探技术领域，具有机械钻速高、寿命长和钻探安全性高等诸多优点。

近年来，随着深井和超深井的勘探开发比例不断增加，深部地层岩石硬度和塑性增大，常规牙轮钻头可钻性差、机械转速低、钻井周期长。为提高钻头行程机械钻速，PDC 钻头得到广泛使用，但在深部地层PDC 钻头出现的粘滑振动现象，不仅严重制约机械钻速进一步提升，还极大地影响了其使用寿命。为消除PDC 钻头的粘滑振动现象，国内外对此进行了大量的试验研究和现场应用，其中配合使用扭力冲击器是目前可以减小或消除钻头该现象的最有效方法。扭力冲击器可以在钻进过程中给钻头提供一个周期性的高频周向冲击载荷，减少扭矩的积蓄时间,减轻PDC钻进过程中粘滑振动。扭力冲击器一般是直接作用于钻头上，这种扭力冲击器结构比较复杂，制造成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种切削齿可轴向冲击的PDC钻头，PDC齿本身具有冲击作用，无需单独配备冲击器工具，就能实现降低钻头粘滑振动现象，同时实现冲击破碎地层的效果，提高钻井效率，降低作业成本。

本发明是这样实现的：

一种切削齿可轴向冲击的PDC钻头：包括钻头体上设置有刀翼、喷嘴及流体主通道，刀翼上安装有切削齿，其特征在于，切削齿由中心活动齿、衬套、限位器及水力驱动旋转器组成；中心活动齿底部设置有凸凹不平轨道，衬套上设置有轴及水孔；水力驱动旋转器上设置有冲击头；中心活动齿与衬套之间通过限位器形成移动连接；水力驱动旋转器与衬套上的轴形成转动连接；本体上设置有第一流体通道，中心活动齿内设置有第二流体通道；第一流体通道与主通道相通，衬套内空间形成第二流体通道，第二流体通道通过衬套上的水孔与第一流体通道相通，第二流体通道与第三流体通道相通。

上述方案中，流体（钻井液）由主流体通道流入设置于钻头体内的流道空间，该空间称为第一流体通道；由于切削齿的衬套上设置有水孔，钻井液通过孔流入衬套与中心切削齿形成的空间内，该空间称为第二流体通道；中心旋转切削齿内部设置有供流体通过的孔，孔所在的空间称为第三流体通道，第二流体通道与第三流体通道之间连通。中心活动齿与衬套都设置有限位槽，且衬套限位槽长度小于中心活动齿限位槽长度，它们之间通过限位器形成移动连接。衬套上设置有轴，水力驱动旋转器安设于轴上，水力驱动旋转器与轴之间通过限位器形成转动连接。

作为选择，中心活动齿的基体底部为法线方向与切削齿轴线成一定夹角的斜平面。上述方案中，冲击头通过接触斜平面上的不同位置推动中心活动齿，同时在齿前岩石的反作用力下实现中心活动齿的回缩。

作为选择，水力驱动旋转器为叶片形式。

上述方案中，第一流体通道内的钻井液通过衬套上的水孔流出进入第二流体空间时，对叶片进行冲击，从而驱动水力驱动旋转器旋转，水力驱动旋转器上的冲击头也随之旋转。叶片结构简单，易于加工。

作为选择，水力驱动旋转器为螺旋状涡轮。

上述方案中，由于钻井液压差作用，第二流体通道内的流体向第三流体通道流动，流动过程中流体会对涡轮上的叶轮进行冲击使涡轮旋转，从而带动中心切削齿的旋转。涡轮结构可以提供较大的旋转扭矩。

作为选择，中心活动齿和衬套上的限位槽为环形限位槽，中心活动齿和衬套通过放置于限位槽内的卡簧连接，中心活动齿和衬套之间可相对旋转。

上述方案中，由于中心活动齿和衬套之间可相对旋转，当切削齿受到齿前岩石的反作用时，切削齿可绕自身轴线进行旋转。同时，中心活动齿上的限位槽宽度大于衬套上的限位槽宽度，两者还可以发生相对的移动。

作为选择，切削齿包括锥形齿、楔形齿、勺形齿、球形齿；切削齿的材料包括人造聚晶金刚石、天然金刚石、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼。

本发明的有效效果在于：

1、水力驱动旋转器上的冲击头可以对中心活动齿进行冲击，使切削齿在切削时受到一定程度的冲击力，实现了切削齿冲击刮切的破岩过程，提高钻头的破岩效率，降低了钻头发生粘滑振动几率，提高钻头寿命。

2、切削齿可以转动，切削齿齿刃的整个圆周都可以与岩石接触，降低了切削齿因局部快速磨损导致的钻头过早失效，提高钻头寿命，减少起下钻时间。

3、钻井液可以从切削齿内部流出，可以及时的带走切削过程中产生的热量，对切削齿起到很好的冷却作用，避免切削齿因热磨损的过早失效。

附图说明

图1为安装有可轴向冲击齿的PDC钻头。

图2为切削齿的结构示意图。

图3为切削齿的剖面示意图。

图4为切削齿与本体之间关系示意图。

图5为水力驱动旋转器与中心活动齿上轨道的接触过程示意图。

图6为切削齿的水力驱动旋转器为叶片的结构示意图。

图7为切削齿的水力驱动旋转器为涡轮的结构示意图。

图8为与冲击头接触的为斜平面的结构示意图。

图9为中心活动齿相对衬套可同时旋转可移动的结构示意图。

100—钻头，101—钻头体，102—刀翼，103—水眼，104—流体主通道，105—接头，106—第一流体通道，200—中心活动齿，201—耐磨层，202—基体，203—轨道，204—限位器，205—第三流体通道，300—衬套，301—衬套轴，302—第二流体通道，303—水孔，400—水力驱动旋转器，401—冲击头。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

第一实施例：

如图1-图4所示，本发明提供一种切削齿可轴向冲击的PDC钻头100，包括钻头体101，钻头体上设置有刀翼102、喷嘴103、流体主通道104、接头105，刀翼上安装有切削齿200。切削齿200由中心活动齿200、衬套300及水力驱动旋转器400组成；中心活动齿200由耐磨层201（一般为聚晶金刚石）和基体202组成。中心活动齿200底部设置有凸凹不平轨道203。衬套300上设置有衬套轴301及水孔303；水力驱动旋转器400上设置有冲击头401；中心活动齿200与衬套300设置有限位槽206，且中心活动齿200限位槽宽度大于衬套300限位槽，它们之间通过限位器204连接，中心活动齿200与衬套300可相对移动；水力驱动旋转器400安设于衬套轴303上，两者通过卡簧500形成转动连接；本体101上设置有第一流体通道106，中心活动齿200内设置有第三流体通道205；第一流体通道106与主通道104相通，衬套300内空间形成第二流体通道302，第二流体通道302通过衬套300上的水孔303与第一流体通道106相通，第二流体通道302与第三流体通道205相通。

本发明的工作过程如下：流体（钻井液）从流体主通道104除经喷嘴103直接流入井筒环空外，另一部分流入第一流体通道106。当流体通过本体101内的第一流体通道106进入第二流体通道302时，从衬套300上的水孔303出来的流体会对水力驱动旋转器400进行冲击，从而推动水力驱动旋转器400的旋转，这样水力驱动旋转器400上的冲击头401也会跟着旋转。冲击头401会重复处于凸凹不平轨道203的最低点和最低点。如图5所示，当冲击头401位于轨道的最低点时，中心切削齿200在齿前岩石的作用下，中心切削齿向内回缩；当冲击头401从轨道最低点向最高点旋转时，冲击头401会向外推动中心活动齿200，中心活动齿200向外伸出。这样在齿前岩石和水力驱动旋转器400的双重作用下，切削齿200会不断的回缩和伸出，从而实现切削齿对岩石的冲击切削作用。

同时，由于钻井液流经切削齿内部的第三流体通道，可以及时带走切削过程中产生的热量，实现冷却、清洗切削齿的目的，有效提高切削齿的寿命，从而提高钻头的寿命。

如图6所示，水力驱动旋转器400为叶片式。当流体经衬套300上的孔303流入第二流体通道302时，喷出的流体会对水力驱动旋转器400上的叶片进行冲击，推动叶片进行旋转，从而带动冲击头401进行旋转，冲击头401会重复处于凸凹不平轨道203的最低点和最低点。在齿前岩石和水力驱动旋转器400的双重作用下，切削齿200会不断的回缩和伸出，从而实现切削齿对岩石的冲击切削作用。最后流体从中心旋转齿203内的第三流体通道208排出进入井筒环空。该方案中，结构简单，易于加工。

第二实施例：

如图7所示，本发明实施例提供的一种切削齿可活动的PDC钻头，这种PDC钻头与实施例一中的PDC钻头的结构基本相同，区别在于：水力驱动旋转器400为螺旋涡轮式。当流体经衬套300上的孔303流入第二流体通道302时，喷出的流体进入第二流体通道302，流体从第二流体通道302向第三流体通道205流动的过程中，会对水力驱动旋转器400上的涡轮片挤压，推动涡轮片进行旋转，从而带动冲击头401进行旋转，最后流体从中心旋转齿200内的第三流体通道205排出进入井筒环空。该方案中涡轮具有功率高，传动稳定性好的特点。

第三实施例：

如图8所示，本发明实施例提供的一种切削齿可活动的PDC钻头，这种PDC钻头与实施例一中的PDC钻头的结构基本相同，区别在于：中心活动齿200的基体202底部为法线方向与切削齿轴线成一定夹角的斜平面。水力驱动旋转器400上冲击头401的旋转运动使其与斜平面上的不同位置接触。冲击头401在斜面上的运动轨迹为圆形，这里定义，该圆上距齿平面距离最近的点称为回缩点d1，最远点称为伸出点d2。当冲击头401从d2点向d1点旋转运动时，冲击头401有脱离中心活动齿200的趋势，然而由于中心活动齿200与衬套300之间为活动连接，在齿前岩石的反作用力下，中心活动齿200回缩。相反，冲击头401向外推动中心活动齿200向外伸出。

第四实施例：

如图9所示，本发明实施例提供的一种切削齿可活动的PDC钻头，这种PDC钻头与实施例一中的PDC钻头的结构基本相同，区别在于：衬套300与中心活动齿200定位处的限位槽为环形槽，衬套300与中心活动齿200之间可相对旋转，两者之间的限位器204为卡簧。中心活动齿200在齿前岩石与水力驱动旋转器400的作用下做回缩与伸出的直线往复运动，同时在齿前岩石的摩擦作用下做旋转运动。该方案在实现冲击作用的同时，还可以使齿刃的整个圆周都可以参与切削，提高切削齿的寿命，从而提高钻头的寿命，降低钻井成本。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用于限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的同等变化与修改，均应属于本发明保护的范围。