一种转动刀翼自更新智能钻头及更新方法

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，具体涉及一种转动刀翼自更新智能钻头及更新方法。

背景技术：

1、聚晶金刚石复合片是钻井工程中的钻井工具、破岩工具上使用的切削元件，简称为复合片或pdc齿。常规聚晶金刚石复合片通常由聚晶金刚石层与基体(基体材料通常为硬质合金)在高温高压下复合而成，因此复合片既具有聚晶金刚石层有高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。

2、现有技术中的长寿命pdc钻头，大多是在常规pdc钻头切削齿的基础上增加多排齿(内镶齿等方式)，当第一排切削齿的出露高度被磨损殆尽后，第二排切削齿才陆续出露参与切削岩石的工作。显然，当第一排切削齿出露高度为零后，不论新齿是否出露，刀翼本体始终都将会同pdc齿一同参与切削，这将大大减小钻头上局部区域的切削齿比压，削弱了钻头对岩石的吃入能力。现有技术中对延长pdc钻头寿命的手段虽然在一定程度上使钻头更耐用，但同时也使其钻进效率受到了严重影响，并未实现寿命与效率兼顾的效果。

3、此外，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。

4、中国专利“一种具有转位刀翼的长寿命pdc钻头”(专利号：cn108086916a)公开了一种具有转位刀翼的长寿命pdc钻头，转位刀翼能够通过远程控制相对所述转位刀翼支承体由初始工作位经至少一次自转而转动至某一预设工作位并锁定，或由某一预设工作位经至少一次自转而转动至另一预设工作位并锁定。在初始切削齿被磨损后能够在地面通过远程控制使新的切削齿代替已磨损切削齿继续钻进，从而使钻头在井下就能完成切削结构的单次甚至多次更新，实现“不起钻更新钻头”的效果。该专利技术通过远程控制(投球的方式)来实现刀翼的转动从而实现钻头的切削结构的井底更新，刀翼转动后需要专门限位和锁定机构，这样实现钻头更新方式操作复杂，智能化、自动化程度低，需要人为经验来判断操作。为了克服上述缺陷，提出一种转动刀翼自更新智能钻头及更新方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种转动刀翼自更新智能钻头及更新方法，能够在钻井作业时，钻头边钻边测定岩石参数、pdc齿磨损情况以及钻井参数，钻头内的微型计算机通过测试参数来智能判断是否需要更新钻头，智能确定更新后pdc齿的切削参数，并通过电动机来控制转动刀翼的转动，从而实现钻头切削结构自更新，这极大节约了起下钻的时间，降低了钻井的成本，钻井过程中智能化、自动化程度大大提升，为一趟钻智能钻井提供智能钻头。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术：

3、一种转动刀翼自更新智能钻头，包括钻头体，转动刀翼，pdc齿，喷嘴，接头，转动刀翼设置在钻头体上，可绕转动轴转动，其特征在于：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；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齿磨损程度与失效形式以及钻头轴向，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，电动机带动转动刀翼绕转动轴转动，实现钻头在井下的自更新，电池需要给测试系统、微型计算机、电动机供电。

4、现有钻头在磨损后，机械钻速降低后，无法满足钻进需求，想要将钻头取出，就需要将一节一节的钻杆取出，导致起下钻的辅助钻井时间增加，特别是在深井、超深井中。现有钻头专利技术虽然提出井底自更新钻头技术，但需要远程控制(一般投球憋压方式)实现钻头切削结构的更新，至于是否需要更新全靠现场人员的经验来判定，现场人员需要通过随钻测井仪器的数据来进行判定，随钻测试仪器的数据通过钻井液传递至地面其数据是否失真也不得而知，其智能化、自动化程度较低，急需一种智能化、自动化钻头。

5、上述方案中，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更新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；通过电动机实现刀翼的转动，提高钻头切削结构井底更新的可靠性，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，在电动机与转动刀翼之间设置有传动装置，所述传动装置由蜗轮、蜗杆构成，涡轮与蜗杆相互配合，蜗轮与转动刀翼同轴，电动机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮带动转动刀翼转动。

7、上述方案中，现有专利中刀翼转动后需要设置有专门的锁定结构来固定转动刀翼，否则转动刀翼受载后转动，无法破岩，本方案利用蜗轮、蜗杆的自锁原理来固定转动刀翼，不需要再设定限位和锁定结构，简化钻头结构，增加钻头的可实施性。

8、作为选择，钻头自更新后，钻头所有pdc齿在径向覆盖区域上实现全覆盖。

9、上述方案中，若pdc齿在钻头径向覆盖图未能实现全覆盖的话，会导致更新后钻头有部分区域不是新pdc齿来覆盖，该区域pdc齿一旦提前失效，会让岩石接触钻头本体，从而担压降低钻头破岩效率，钻头自更新后，pdc齿在钻头径向覆盖图中实现全覆盖，这样保证钻头全区域都是新的pdc齿，提升整个钻头的攻击性。

10、作为选择，在钻头体至少设置有一个移动刀翼，移动刀翼相对固定刀翼可相对移动，钻头自更新后，移动刀翼与转动刀翼上pdc齿的切削轮廓线相互匹配。

11、上述方案中，在钻头体至少设置有一个移动刀翼，移动刀翼相对固定刀翼可相对移动，钻头自更新后，移动刀翼与转动刀翼上pdc齿的切削轮廓线相互匹配，这样钻头上既有转动刀翼又有移动刀翼，从而实现两种运动方式的混合，提高智能钻头的多样性。

12、作为选择，转动刀翼为非圆形对称结构，转动刀翼上pdc齿至少成两个梯次分布。

13、上述方案中，钻头自更新后，pdc齿在钻头径向覆盖区域中实现梯次分布。当转动刀翼为非圆形对称结构，不同区域pdc齿到旋转刀翼的中心半径不同时，r1<r2<r3在钻头径向覆盖区域就会表现为梯次布齿，这样布齿后会释放井底岩石应力，降低岩石强度，提高钻头的破岩效率。

14、作为选择，单个转动刀翼上pdc齿在钻头径向覆盖区域实现全覆盖。

15、上述方案中，单个转动刀翼上pdc齿实现径向覆盖区域的全覆盖，这样单个转动刀翼就可实现钻头径向覆盖区域的全覆盖，保证钻头更新后切削结构布齿密度增加，提升钻头对硬地层、极硬地层的适应性。

16、作为选择，钻头体上设置有固定刀翼，固定刀翼上有pdc齿，固定刀翼与转动刀翼共同组成更新前钻头切削轮廓线。

17、上述方案中，钻头体上设置有固定刀翼，固定刀翼上有pdc齿，固定刀翼与转动刀翼共同组成更新前钻头切削轮廓线，在相同径向区域内既有固定刀翼又有转动刀翼，可在一定程度上增加钻头的布齿密度，提升钻头使用寿命。

18、一种转动式自更新智能钻头更新方法，其特征在于：本智能钻头的更新方法为：

19、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，pdc齿失效严重，再综合随钻测试仪器提供测试数据，微型计算机判定钻头需要自更新，停止钻井作业，钻头提离井底2-3米距离；

20、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更新后pdc齿与原pdc齿的相对高度值；

21、③根据更新后pdc齿与原pdc齿相对高度值，微型计算机计算出电动机的转动方向、角度以及转动刀翼的转动角度；

22、④微型计算机通过信号输出装置给电动机转动信号，电动机驱动转动刀翼绕转动轴转动规定的角度，完成钻头pdc齿的更新，钻头继续下钻工作。

23、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，比如从砂岩变成灰岩，岩石强度增加明显，再综合随钻测试仪器提供测试数据，机械钻速大幅度降低，增加钻压后机械钻速没有明显改进，微型计算机判定钻头发生明显失效，需要自更新切削结构，停止钻井作业，钻头提离井底2-3米距离。

24、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更新后pdc齿与原固定刀翼pdc齿的相对高度a值为2mm,这样依靠更新后pdc齿作为主切削齿，原固定刀翼pdc齿作为后备齿破碎井底岩石。

25、根据更新后pdc齿与原固定刀翼pdc齿相对高度值，微型计算机计算出电动机的转动方向、角度以及转动刀翼的转动角度，当相对高度a为0mm，即旋转刀翼转动半径不变，当相对高度a为2mm，旋转刀翼转动半径增加2mm。

26、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电动机的转动方向、角度以及转动刀翼的转动角度，完成钻头pdc齿的更新，钻头继续下钻工作。

27、本发明的有益效果：

28、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。

29、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。

30、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是否需要更新，且微型计算机利用数据库来自动确定更新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。

31、4、通过电动机实现刀翼的转动，提高钻头切削结构井底更新的可靠性。

32、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。

33、6、利用蜗轮、蜗杆的自锁原理来固定转动刀翼，不需要再设定限位和锁定结构，简化钻头结构，增加钻头的可实施性。