一种交变轨迹切削破岩工具的制作方法
【专利说明】一种交变轨迹切削破岩工具
[0001]
技术领域
[0002]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，具体涉及一种破岩工具。
【背景技术】
[0003]PDC钻头是一种钻井破岩工具，它具有钻井安全性高、结构形式灵活性以及以剪切破岩的形式高效破岩等技术优势，据统计目前在世界范围内钻井总进尺数的80%以上都是由PDC钻头完成的，占有绝对的重要地位。常规固定切削齿PDC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(同轨迹刮切)。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，这一影响更为显著。其主要表现在:①在软、硬交替地层中钻进时容易发生断齿、崩齿、复合片层脱落等牙齿失效现象的发生;②随着切削齿的磨损，与岩石的互作用接触赫兹应力急剧降低，进而使钻头的地层吃入能力下降，机械钻速显著降低;③地层对roc钻头结构个性化设计要求高，地层适应性不强。
[0004]螺杆钻具是目前广泛使用的一种井下动力钻具，为一种容积式马达。它的主要工作原理是通过高流速、大排量、高压强的钻井液的流动，使螺杆钻具转子与定子之间的密闭空间发生移动或变化，从而实现连续旋转运动的执行机构。目前螺杆钻具在油气钻井工程中广泛应用，其技术优势主要体现在两个方面:其一是螺杆钻具下部可设置一弯外壳，使它所驱动的钻头回转轴线与钻柱系统的回转轴线偏转一定角度，易于实现定向造斜或稳斜钻进，对于实现特殊复杂的井身轨迹钻进十分重要;其二是在大位移定向井、水平井钻进时，钻柱系统与井壁大量接触并产生强大的摩擦力，使地面转盘或顶驱的转动扭矩难以有效传递至钻头，而通过钻井液流动获得驱动力的螺杆钻具可在井底产生强大的扭矩并驱动钻头有效钻进。
[0005]在2010年前后，西南石油大学钻头研究所提出了认为“钻头通过交叉刮切的运动形式，可有效提高破岩效率”的学术观点，其理论依据包括两个方面:其一是钻头通过交叉刮切在牙齿的切削方向上自然形成了 “凸起”(岩脊)，因而牙齿能够自然吃入岩石，钻头钻进的有效性必将显著提高;其二是深部地层岩石受孔隙压、围压以及覆盖压等压力环境作用下，具有强烈的“压实效应”。而钻头通过交叉刮切形成“凸起”，其局部压力环境发生显著变化，抗剪强度和抗拉强度必将显著降低，从而使其更容易发生体积破碎，进而提高了钻头的钻进效率。该学术观点无论是室内全钻头实验，还是现场“复合钻进”工程实践均已验证了其正确性和合理性。
[0006]在上述学术观点的引导下，中国专利CN 201010229371.9公开了“一种以切削方式破岩的复合钻头”，提出了一种将镶装有PDC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。其中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”，两套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。中国专利CN 201010614370.6公开了 “一种复合式单牙轮钻头”，在常规单牙轮钻头的基础上将牙轮分成两部分，一部分为“恒接触切削破岩”的下部轮尖部分与轴颈固定，另一部分“交替接触切削破岩”的上部轮体绕轴颈被动旋转。该发明专利一方面在轮尖部分固定金刚石类切削齿，可有效提高钻头的耐磨性和切削效率；另一方面轮尖部切削齿的同心圆形破碎带与轮体部分的“人”字形网状破碎带可实现部分交叉作用，形成交叉切削破岩效果，可进一步提高破岩效果。中国专利CN 20130545668.X公开了 “一种单牙轮复合钻头”，在钻头体上设置有固定切削结构和装有切削齿的转动切削结构。其中转动切削结构为一设置有轴颈的牙轮，并在钻头体上设置有轴承孔，牙轮通过轴颈与轴承孔形成转动连接。这两套切削结构同样可以实现井底复杂的交叉网状刮切，有利于切削齿吃入地层岩石，提高破岩效率。
[0007]中国专利CN 201410426491.6: “可实现偏心摆动旋转的PDC钻头工具”和CN201410426030.9:“一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具”分别公开了两种将钻头体直接安装在井下动力钻具的传动轴上，实现了井下动力钻具与钻头的有机结合，并使钻头具备了 “主动交变轨迹切削运动”的能力。前者利用内啮合的摆线齿廓结构输出交变轨迹运动，后者利用摆线轮与针轮相啮合同样可以输出交变轨迹运动。上述两份专利除可实现钻头的交叉刮切破岩方式外，其显著特点是:将钻头的“被动”交叉刮切运动转变为“主动”交叉刮切运动，其运动规律可由自身结构特点(工具啮合轮廓线形状等)，以及井下动力钻具工作转速所决定，与地层岩石性质的变化、钻柱振动等因素影响关系不大，因此其“交变轨迹切削运动”能够稳定、可靠的得以实现。
【发明内容】
[0008]本发明的发明目的在于:针对常规固定切削齿PDC钻头存在的不足，提供一种钻井破岩工具，该工具可使钻头实现主动的交变轨迹切削运动。它具有运动形式稳定、可靠，可显著提高钻头的破岩效率。
[0009]本发明采用的技术方案如下:
一种交变轨迹切削破岩工具，包括有有钻头总成和外壳体组。所述外壳体组由下壳体、中壳体和上壳体组成;所述外壳体组内设置有万向轴总成、螺杆马达总成和旁通阀总成。所述钻头总成中的钻头体上固定有切削齿，构成破岩工具的切削结构，并且在钻头体上设置有轴颈，在轴颈内部设置有螺纹结构;所述下壳体下部设置有轴承孔，并与钻头体上的轴颈相配合，构成转动连接;所述万向轴总成安装在下壳体内部，其下接头与所述轴颈内的螺纹结构相配合，构成固定连接;所述万向轴的上接头与所述马达总成的转子下部相配合，构成固定连接;所述马达总成安装在所述中壳体内部，且所述中壳体内部设置有所述马达总成的定子结构;所述旁通阀总成安装在所述上壳体内部;所述上壳体、中壳体与壳体依次首尾连接固定。本发明专利的特征在于:所述钻头体的回转轴线与所述外壳体组的回转轴线形成夹角α(轴倾角)，所述万向轴总成直接与所述钻头体固定连接。
[0010]钻头在地层中破岩钻进必须具备三个条件:一是能够有效传递钻压，使钻头吃入岩石;二是能够有效传递扭矩，使钻头剪切破碎岩石;三是能够建立钻井液循环通路。在本发明专利所采用的技术方案中，钻压的传递可通过钻柱系统专递给上、中、下壳体，然后通过下壳体上的轴承孔底面与钻头体上轴颈的顶面相配合所构成的运动副传递给钻头体，也可以通过下壳体上轴承孔顶面与钻头体上轴颈的底面相配合所构成的运动副传递钻头体，也可以两者共同作用将钻压传递给钻头体。扭矩的传递有两部分构成:一部分是钻井液螺杆马达总成，进而通过万向轴直接传递给钻头体；另外一部分是钻柱系统的旋转带动中壳体旋转，进而通过“转子-定子运动机构”传递给钻头体，相当于复合钻井中的扭矩传递。钻井液循环通路先是由钻柱系统内孔流动至螺杆马达转子、定子之间的缝隙腔，再由万向轴总成中下接头上的导流孔进入到钻头体的中心流道，再通过钻头喷嘴进入钻井环空，进而上返至地面。
[0011]本发明专利的技术关键有两个方面:第一，钻头体回转轴线与外壳体的回转轴线形成夹角α，假设外壳体回转转速为零(公转)，钻头体上切削齿的运动轨迹线为同心圆，并且所在平面与外壳体的径向平面存在夹角α;假设钻头体自转转速为零，那