一种智能复合钻头及调整方法

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种智能复合钻头及调整方法。

背景技术：

1、在石油天然气钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和pdc钻头，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低，机械钻速太低。pdc钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称pdc齿)来剪切和破碎岩石，pdc钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用，但是在定向钻井中，pdc钻头容易出现扭矩波动大，不利于钻具工作面的稳定控制，不利于钻头的快速钻进。

2、在pdc钻头设计过程中，通常会任意确定一个通过钻头中心轴线的平面作为布齿轴面(亦简称为轴面)，钻头上各切削齿的径向和轴向位置均能在该轴面上得到准确的表达。当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将钻头上所有主切削齿(或若干指定刀翼上的所有主切削齿)的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图(或若干指定刀翼的轴面布齿图)。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的径向覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。在钻头的井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头的切削轮廓线(也即钻头的冠部轮廓线)。另外，若仅将某个指定刀翼上的切削齿表示出来，而将其它刀翼上的切削齿隐去，就形成了该刀翼的轴面布齿图。在刀翼的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该刀翼的切削轮廓线。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线，即为刀翼轮廓线。通常情况下，由于布置在刀翼布齿面上的主切削齿的出露高度是相同或相近的(临近规径面的区域除外)，所以刀翼的切削轮廓线与其本体轮廓线的形状基本呈平行状态，仅在临近规径的区域可能有明显差异，因此通常情况下，若要使不同刀翼的切削轮廓线相互匹配、适应，则需要将不同的刀翼轮廓线设计为完全或基本相同的形状，再加上出露高度是相同或相近的布齿方式即可实现。

3、美国贝克休斯公司提出的牙轮—pdc混合式钻头是在传统的pdc切削结构基础上增加牙轮切削结构而形成的。当混合钻头旋转钻进时，固定刀翼上的pdc齿以刮切方式破岩，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩,因此混合钻头依靠两种方式破碎岩石，它在某些特殊地层—如砾石地层，不均质地层能获得较好的效果，复合钻头在定向作业时，扭矩响应小，工具面更加稳定，提速效果明显。

4、在现有的牙轮—pdc混合钻头中，牙轮体通过其轴承孔与安装牙掌的轴颈上，由于牙掌轴颈结构的特殊性，牙掌与钻头体很难采用一体式结构，而必须通过焊接的方式将牙掌-牙轮部件与钻头体相连接。这样，焊缝就成为钻头强度的薄弱点，在实钻中容易发生因焊缝失效而导致的牙掌落井现象，落井事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响，增加钻井成本；另一方面，牙掌的存在，将会占据钻头上宝贵的布齿空间，限制固定切削结构的布齿密度，上述缺点的存在将严重制约混合钻头的使用。现有牙轮-pdc复合钻头均为固定式切削结构，不可调整，在井下无法调整，为了克服上述缺陷，提出一种智能复合钻头及调整方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种智能复合钻头及调整方法，能够在钻井作业时，钻头边钻边测定岩石参数及钻井参数，钻头内的微型计算机通过测试参数来智能判断是否需要调整钻头切削结构，智能确定调整后pdc齿与牙轮齿的相对高度，并通过电动机来控制牙轮切削结构的移动，从而实现钻头切削结构的调整，这极大节约了起下钻的时间，降低了钻井的成本，钻井过程中钻头切削结构的调整智能化、自动化程度大大提升。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

3、一种智能复合钻头，包括钻头体，固定刀翼，pdc齿，牙轮，牙轮齿，喷嘴，接头，牙轮绕着牙轮轴旋转，其特征在于：牙轮切削结构由牙轮、牙轮齿、牙轮轴、支撑体构成，牙轮切削结构与钻头体可相互移动，在钻头体内设置测试系统，信号输入装置，微型计算机，信号输出装置，电池，电动机，传动装置；测试系统通过与地层直接接触可测定岩石岩性、岩石的抗压强度、pdc齿的磨损与失效情况以及钻头轴向，径向，切向三个方向的加速度值，信号输入装置可将测试系统所测定的参数与近钻头随钻测井仪器的测试数据以信号形式传输到微型计算机，微型计算机通过数据库比对计算后将输出信号通过信号输出装置传递给电动机，电动机通过传动装置带动牙轮切削结构上下移动，钻头在井下实现切削结构的调整，电池需要给测试系统、微型计算机、电动机供电。

4、现有牙轮-pdc复合钻头中包括两套切削结构，牙轮切削结构与pdc齿切削结构，复合钻头的两套切削结构一般情况是同时作用于岩石，且两套切削结构为固定式切削结构，一般不能调整，根据实际钻井需要一趟钻完成钻井，对钻头提出新的需要，一个钻头需要满足不同地层和钻井条件的要求，这样新的智能钻头就产生了。

5、上述方案中，牙轮切削结构由牙轮、牙轮齿、牙轮轴、支撑体构成，牙轮切削结构与钻头体可相互移动，打破钻头切削结构为固定式结构的固有思维，同时在钻头体内设置有测试系统，测试系统与地层直接接触可测定岩石的岩性、岩石的抗压强度、pdc齿的磨损与失效情况以及钻头轴向，切向，径向三个方向的加速度值，这样钻头除了破岩的功能外，又增加了测试功能；信号输入装置可输入钻头测试系统测定的参数，又可输入近钻头随钻测试仪器的数据，该数据可直接获取，不需要传递中介，其数据真实可靠；在钻头体设置有微型计算机，微型计算机通过多方数据来智能判定钻头是否需要更新，且微型计算机利用数据库来自动确定调整后钻头切削结构参数，且后期可增加机器学习方式来提高钻头的智能性；通过电动机实现牙轮切削结构的上下移动，提高钻头切削结构井底调整的可靠性，同时微型计算机、测试系统、电动机都是依靠电池供电，不需要钻井液提供能量，从而提高钻井的能量利用率。

6、作为选择，传动装置由蜗轮、蜗杆、齿轮、齿条构成，蜗轮与蜗杆相互配合，齿轮与齿条相互配合，蜗轮与齿轮同轴转动，电动机与蜗杆连接，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动齿轮转动，齿轮带动齿条移动，齿条与牙轮支撑体固定连接。

7、由于牙轮切削结构能与钻头体相互移动，因此需要设置有专门的锁定结构来固定牙轮切削结构，否则牙轮切削结构受载后移动，无法破岩。本方案利用蜗轮、蜗杆的自锁原理来固定牙轮切削结构，不需要再设定限位和锁定结构，简化钻头结构，增加复合钻头的可实施性。

8、作为选择，在钻头刀翼上设置有凹槽，牙轮放置在凹槽内，牙轮通过牙轮轴与钻头体相连接。

9、上述方案中，将牙轮设置在刀翼上的凹槽内，就不需要在设置独立的牙掌结构，从而节约钻头上宝贵的布齿空间，且避免牙掌掉落井底情况的发生，合理利用钻头切削结构区域的几何空间，利用刀翼侧面对牙轮起到轴向止推和限位的作用，能减小牙轮掉落井底的风险。

10、作为选择，牙轮轴与钻头体为双侧支撑连接。

11、上述方案中，牙轮轴承通过双支撑连接，能够明显改善轴承的受力情况，轴承系统的承载能力将大大增加，轴承在受力均匀的情况下能提升轴承的密封能力，延长轴承系统寿命，从而提高延长钻头的使用寿命。

12、作为选择，牙轮轴与钻头体为单侧支撑连接。

13、上述方案中，通过刀翼侧面对牙轮进行轴向止推和限位，这样能提高轴承的承载能力，即使密封失效，牙轮产生晃动，也不至于掉落井底。

14、作为选择，牙轮齿与pdc齿的相对位置a取值范围：-5mm≤a≤5mm。

15、牙轮齿与pdc齿相对位置a方向的规定，以钻头钻进方向正，牙轮齿与pdc齿的相对位置a取值2mm，即表示牙轮齿在钻头钻进方向上超过pdc齿2mm的距离。

16、上述方案中，将牙轮齿与pdc齿的相对位置a值限定在一定范围内，可提高复合钻头对于不同地层的适用能力，从而拓宽复合钻头的应用范围。

17、作为选择，牙轮通过滚珠与牙轮轴实现轴向锁定，滚珠孔设置在牙轮上。

18、上述方案中，牙轮通过滚珠与牙轮轴实现轴向锁定，滚珠孔设置在牙轮上，这样牙轮轴上不再设置滚珠空，可提高牙轮轴的承载能力。

19、一种智能复合钻头调整方法，智能复合钻头调整方法步骤为

20、①当钻头在钻进地层，测试系统检测到地层的岩性和强度发生重大变化，再综合随钻测试仪器提供测试数据，微型计算机判定钻头现有切削结构无法有效钻进地层，需要调整钻头切削结构，停止钻井作业，钻头提离井底2-3米距离；

21、②微型计算机在获取测试系统提供三个方向加速度值与近钻头随钻测试仪器提供的测试数据后，通过数据库计算后确定调整后pdc齿与牙轮齿的相对位置；

22、③根据调整后pdc齿与牙轮齿的相对位置，微型计算机计算出电动机的转动角度以及牙轮切削结构的移动距离；

23、④微型计算机通过信号输出装置给电动机转动信号，电动机驱动传动装置，传动装置带动牙轮切削结构实现上下移动，完成钻头切削结构的调整，钻头继续下钻工作。

24、上述方案中，当钻头在钻进地层，测试系统检测到地层的岩性和强度发生重大变化，再综合随钻测试仪器提供测试数据，微型计算机判定钻头现有切削结构无法有效钻进地层，需要调整钻头切削结构，停止钻井作业，钻头提离井底2-3米距离，此时可分成多种情况，1、初始情况是牙轮齿相对于pdc齿的相对位置a为负值，牙轮不参与破岩，微型计算机判断地层发生变化，岩石强度增加，仅依靠pdc齿不能有效破碎岩石，需要调整切削机构，调整思路是移动牙轮切削结构的位置，让牙轮齿与pdc齿相对位置a为正值，让pdc齿与牙轮齿共同切削岩石；2、初始情况是牙轮齿相对于pdc齿的相对位置a为正值，牙轮齿与pdc齿共同参与破岩，微型计算机判断地层发生变化，岩石强度减小，两套切削结构共同破碎岩石机械钻速过低，需要调整切削机构，调整思路是移动牙轮切削结构的位置，让牙轮齿与pdc齿相对位置a为负值，让pdc齿切削岩石，牙轮齿不参与破岩。

25、微型计算机在获取测试系统提供三个方向加速度值与近钻头随钻测试仪器提供的测试数据后，若钻头的振动加速度较大，说明该地层的不均质性强，随钻测试仪器提供的扭矩波动较大，扭转振动较大，通过数据库计算后确定调整后pdc齿与牙轮齿的相对位置a为2mm,调整后牙轮齿与pdc齿共同破碎岩石，且牙轮齿先接触岩石，可有效保护pdc，减少pdc齿的冲击失效。

26、根据pdc齿与牙轮齿的相对位置a，以pdc齿轴向高度作为基准，微型计算机计算出电动机的转动角度以及牙轮切削结构的移动距离。

27、微型计算机通过信号输出装置给电动机转动信号，电动机根据微型计算机计算出转动角度驱动传动装置，传动装置带动牙轮切削结构移动微型计算计算的移动距离，完成钻头切削结构的调整，钻头继续下钻工作。

28、本发明的有益效果：

29、1、在钻头体内设置有测试系统，测试系统与地层直接接触可测定岩石的岩性、岩石的抗压强度、pdc齿的磨损和失效方式以及钻头轴向，切向，径向三个方向的加速度值，这样钻头除了破岩的功能外，又增加了测试功能。

30、2、信号输入装置可输入钻头测试系统测定的参数，又可输入近钻头随钻测试仪器的数据，该数据可直接获取，不需要传递中介，其数据真实可靠。

31、3、在钻头体设置有微型计算机，微型计算机通过多方数据来智能判定钻头切削结构是否需要调整，且微型计算机利用数据库来自动确定调整后钻头切削结构参数，且后期可增加机器学习方式来提高钻头的智能性。

32、4、通过电动机实现牙轮切削结构的上下移动，提高钻头切削结构井底调整的可靠性。

33、5、微型计算机、测试系统、电动机都是依靠电池供电，不需要钻井液提供能量，从而提高钻井的能量利用率。

34、6、利用蜗轮、蜗杆的自锁原理来固定牙轮切削结构，不需要再设定限位和锁定结构，简化钻头结构，增加复合钻头的可实施性。