一种具有交变切削轨迹的pdc钻头工具的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及石油天然气、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，尤其是一种用于钻探设备用破岩的PDC钻头工具。
【背景技术】
[0002]钻头是在钻井工程中用以破碎井底岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的常规钻头主要有三牙轮钻头、PDC钻头、孕镶金刚石钻头以及牙轮-PDC混合钻头坐寸ο
[0003]其中PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)是目前石油钻井工程中最常用的一种钻井工具。随着切削齿材料技术和钻头设计技术的不断进步，其独特的钻井安全性、结构形式的灵活性以及剪切破岩的高效切削性，使PDC钻头在油气钻井工程中的地层适应范围越来越广，据统计目前在世界范围内钻井总进尺数的70%都是由PDC钻头完成的，占有绝对的重要地位。常规的PDC钻头主要是通过“吃入-刮切”作用破碎井底岩石，但当钻井遇到硬塑性地层时，PDC钻头上的切削齿往往很难有效吃入井底岩石，钻头的机械钻速将变得非常缓慢，难以获得较好的钻头使用效果。
[0004]为了应对这种情况，中国专利CN 200880016630.0公开了一种“混合钻头”，该钻头由具有滚动牙轮和固定刀翼复合切削结构，能够将牙轮的冲击压碎破岩方式和刀翼的刮切破岩方式结合起来，在特定地层条件下能够获得较好的综合钻进效果。但该钻头的不足主要表现在:牙轮破岩所产生的冲击载荷容易导致固定刀翼上的金刚石齿发生异常失效，如崩刃、脱层、断齿或掉齿等，给钻头的高效应用带来不确定性因素。中国专利CN201010229371.9公开了 “一种以切削方式破岩的复合钻头”，该钻头利用了“以交替刮切形式破岩可以提高破岩效率”的思想，提出了将一种镶装有roc齿等高强度切削齿的转轮与固定刀翼相间布置的复合钻头。该钻头所具有的“转轮-固定刀翼”复合切削结构能够在井底岩石上形成网状破碎区域，具有破岩效率高，磨损均匀，钻头使用寿命长等优点。该钻头所述的转轮为一种被动旋转切削结构，在地层岩石的反作用力条件下实现“缓慢交替切削过程”。但影响转轮旋转运动的因素很多，如地层岩石形貌及力学特性、轮体切削结构与固定切削结构的匹配关系、钻井参数条件和轮体与轴承或轴颈的摩擦力等，因此转轮旋转运动规律存在不确定性。当在某些特殊工况下轮体的旋综合驱动力方向有可能与轮体的旋转线速度方向垂直，也即为死点工况，轮体就会被“卡住”不动。此时，钻头将无法实现“以交替刮切形式破岩”效果。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的发明目的在于:针对上述存在的问题，提供一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，将一种能产生偏心摆动旋转的井下传动机构与PDC钻头相结合，通过该井下传动机构与钻柱系统的复合运动，可为PDC钻头提供一种交变切削运动轨迹运动，一是可形成对井底的网状交叉切削过程，增加钻头切削齿对岩石的吃入能力，提高破岩效率；二是变“切削”破岩为“交变犁削”破岩，可提高钻头的自锐性和攻击能力，有利于提高破岩效率；三是钻头的交变轨迹切削运动具有“强制性”，可靠性高。特别在深部难钻地层高硬度、高研磨性地层具有明显的技术优势。
[0006]本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]本实用新型的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，包括偏心轴、外壳体、PDC钻头和摆线轴，所述PDC钻头固定连接于摆线轴上，所述摆线轴匹配于外壳体内可相对变轨迹偏心旋转，所述偏心轴上设置的偏心轴段匹配于摆线轴的内腔中形成转动副，所述偏心轴的内流道、摆线轴的内流道与PDC钻头的内流道连通。
[0008]由于采用了上述结构，偏心轴上偏心轴段与摆线轴匹配形成转动副，使偏心轴转动时，偏心轴段带动摆线轴相对于外壳体做变轨迹偏心旋转，从而带动PDC钻头做交变切削运动轨迹，一是可形成对井底的网状交叉切削过程，增加钻头切削齿对岩石的吃入能力，提高破岩效率；二是变“切削”破岩为“交变犁削”破岩，可提高钻头的自锐性和攻击能力，有利于减缓切削齿的磨损速度；三是钻头的交变轨迹切削运动具有“强制性”，可靠性高。特别在深部难钻地层高硬度、高研磨性地层具有明显的技术优势。具体为:1、交变轨迹切削运动可有效提高钻头的破岩钻进效率。常规固定切削齿roc钻头在井底的运动轨迹均为圆形，每颗齿都沿着各自固定的旋转轨迹做刮切运动，无论是现场钻头钻进和失效形式，还是室内可钻性实验都能够反映出PDC钻头在这一运动状态下的地层吃入能力影响着钻头的破岩效率，特别是在深部难钻地层，这一影响更为严重。而本专利可实现井底网状交变轨迹切削运动，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，进而有效提高钻头的破岩效率。2、变“切削”破岩为“交变犁削”破岩可提高钻头的自锐性和攻击能力。常规固定齿PDC钻头在井底做圆轨迹切削运动时，其切削线速度方向、工作平面法线方向均固定不变(相对不变)，也即切削齿的工作前角和刃倾角固定不变。一般情况下常规钻头的工作前角大小与切削结构前角相当(30° -10° )，刃倾角则较小(一般在5°以内)，在这种状态下的PDC钻头切削齿运动状态称为“负前角底刃切削”状态。当PDC钻头切削齿做交变轨迹切削运动时，切削齿的刃倾角的大小则在运动过程中始终变化(按正弦曲线规律变化)。当刃倾角大到一定程度时，切削齿与井底岩石的接触运动状态就变为“犁削”接触，这一切削状态的变化可有效提高钻头的攻击性，进而提高钻头的破岩效率。同时，刃倾角的变化是双向的，即改变常规切削齿的底刃切削为交变轨迹运动条件下切削齿的左右交替双刃切削，其效果是在增加切削齿耐磨寿命的同时，提高了切削齿的特殊自锐能力，进而提高钻头的工作性能。3、钻头的交变轨迹切削运动具有强制性。无论是牙轮-PDC复合钻头还是轮式复合金刚石钻头，均是固定齿切削结构和轮体转动切削结构复合而成，轮体的转动是通过与地层岩石的反作用力作为旋转动力，即为被动旋转运动。影响轮体旋转运动的因素很多，如地层岩石形貌及力学特性、轮体切削结构与固定切削结构的匹配关系、钻井参数条件和轮体与轴承或轴颈的摩擦力等，因此轮体旋转运动规律存在不确定性。当在某些特殊工况下轮体的旋综合驱动力方向有可能与轮体的旋转线速度方向垂直，也即为死点工况，这时轮体就会被“卡住”不动。在室内实验中经常能够观察到轮体无法旋转的情况。本实用新型所提出的结构方案中，PDC钻头的非圆曲线自转运动动力来源于工具内部，与地层岩石的互作用力对其运动规律影响效果不大，因此能够保证PDC钻头实现规则的“交变轨迹切削运动”，其工作可靠性显著提高。本实用新型中井液循环是由钻柱系统内钻井液流体通过偏心轴的内孔道、摆线轴的内孔道，再经PDC钻头的内流道及喷嘴进入井下环空，进而建立钻井液循环系统，确保PDC钻头在产生交变切削轨迹的同时加注泥浆，保证PDC钻头的正常钻进。
[0009]本实用新型的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述外壳体的内壁上均布有若干针齿组形成针轮结构，所述摆线轴的外壁上设有若干摆线齿，所述摆线齿与针轮结构相啮合构成啮合传动关系；或者所述外壳体的内壁上均布有若干轮齿，所述摆线轴的外壁上设有若干摆线齿，所述摆线齿与轮齿相哨合构成哨合传动关系。
[0010]由于采用了上述结构，在外壳体内设置与摆线轴相互配合的机构，例如与摆线轴外的摆线齿匹配的轮齿结构，或者如针轮结构，使本实用新型在驱动PDC钻头形成交变切削轨迹时，扭矩传递由两种传递方式共同作用产生，其一是由钻柱系统的旋转扭矩直接通过连接螺纹传递给外壳体，再通过其上的针齿组与摆线齿的齿轮副传递给摆线轴，进而通过连接螺纹传递给PDC钻头；其二是井下动力钻具(如螺杆钻具、涡轮钻具等)输出的扭矩经连接螺纹传递给偏心轴，再经偏心轴段的外圆柱面与摆线齿所形成的转动副和针齿组与摆线齿的齿轮副共同作用下传递给摆线轴，进而通过连接螺纹传递给PDC钻头；其中若干针齿组布置于外壳体的内壁上形成的针轮结构，其可形成类似于齿圈结构，任意两相邻的针齿组之间的间隙均可与摆线轴啮合，而其中针齿组的数量、摆线齿的齿数均可根据实际需要寻找动力传动比，便于进行动力扭矩的匹配与传递。
[0011]本实用新型的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述针轮结构包括设于外壳体内壁上的若干轴向高度不同的针齿座，所述针齿座上配合有针齿组，使每组针齿座的轴向高度相同，其中所述针齿组包括配合于针齿座上的针齿销，所述针齿销上套设