一种能主动适应岩性变化的PDC钻头

本发明涉及一种钻探、钻井领域的自适应钻头，特别涉及一种能主动适应岩性变化的pdc钻头。

背景技术：

1、聚晶金刚石复合片钻头（简称pdc钻头）起源于20世纪70年代，是一种结合了金刚石硬度与硬质合金基体韧性的先进钻探工具，特别适用于地质勘探、石油天然气开采等领域。但pdc钻头切削齿的一种钻进角度仅适用一种力学性能的岩石，当钻进岩石硬度变化大的地层时，钻头钻进效率明显降低，寿命也会大幅减少。此外，pdc钻头切削齿的后倾角对钻速和钻头寿命具有较大的影响，角度越小，pdc齿的效率越高。切削软地层时，角度越小越有利于机械钻速的发挥，同时软岩硬度低，对切削齿造成的损伤有限；钻进硬地层时，后倾角适当增大，有利于减小岩石冲击碎片造成的伤害，增加钻头寿命。

2、已有部分专利对钻头适应性做了改进研究，如名称为“交变前倾角的pdc钻头”（专利号：202411184163.x）的发明专利，通过沿钻头半径方向排布的前倾角交错变化的pdc齿，来提高钻头对复杂地层的适应性，其对岩石侵入能力高于常规pdc钻头，钻头上设置的pdc齿的前倾角交错变化，形成了一种有效的限吃入结构，缓冲能力有所增强。但是该钻头对地层的适应范围仍然较窄，很难应对复杂多变的地层环境。如名称为“一种仿生自适应pdc钻头”（专利号：201510428061.2）的发明专利，仿生虎爪骨骼，根据其爪子自适应特性设计仿生自适应pdc钻头结构，运用生物爪趾通过关节活动实现自我保护，在钻进复杂地层时在地层冲击力的作用下能够自适应地改变切削齿的切削角，能有效减缓和避免地层变化对切削齿的冲击力破坏，提高钻头的寿命和钻进效率。但是，该钻头的自适应元件因受到的应力较大，容易失效，且整个钻头均为自适应齿，受钻压的影响大，尤其克服软硬夹层时，极易导致井底不平整而带来跳钻现象，影响钻探取心质量或钻井质量。为此，有必要开展创新研究，发明一种受力合理、寿命长的能主动适应岩性变化的pdc钻头。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决上述仿生自适应pdc钻头遇到的自适应元件受力不合理、寿命短和钻遇软硬夹层地层时跳钻严重等难题，提供一种能主动适应岩性变化的pdc钻头。

2、一种能主动适应岩性变化的pdc钻头，包括钻头基体、若干个自适应齿和若干个固定齿，若干个自适应齿和若干个固定齿依次交错分布在钻头基体上端；

3、钻头基体上端设置有用于装配自适应齿的槽键结构和用于装配弹簧塞及弹性元件的弹簧孔；

4、自适应齿包括自适应胎体、第一pdc齿、第一螺栓、第二螺栓、限位块、弹簧塞和弹性元件；

5、自适应胎体通过槽键结构限位连接在钻头基体上端，第一pdc齿固定设置在自适应胎体上端，第一螺栓螺纹连接在自适应胎体上端，弹性元件与弹簧塞设置在弹簧孔中，弹性元件位于弹簧塞下方并与其接触；第一螺栓下端抵触在弹簧塞上端，限位块通过第二螺栓设置在自适应胎体上；

6、固定齿上部固定设置有第二pdc齿。

7、优选的，在切削岩石时，所述自适应齿后倾角α在0°～ 18°范围内变化，初始后倾角为0°～ 10°；所述固定齿后倾角β固定设置为20°。

8、优选的，自适应齿和固定齿为聚晶金刚石复合片，弹性元件为弹簧，通过弹簧的压缩给弹簧塞和自适应胎体的位移创造条件，从而改变自适应齿的后倾角。

9、优选的，自适应齿通过槽键结构设置在钻头基体上，槽键结构留有与自适应胎体和限位块尺寸契合的槽，自适应齿装配到钻头基体上之后通过限位块限制自适应齿径向位移，通过第二螺栓固定限位块。

10、优选的，在一定钻压下钻进一种硬度的岩石时，自适应齿所受反力不变，根据胡克定律在下钻前调节第一螺栓与弹性元件的配合及弹性元件的参数，使弹性元件的弹力与自适应齿所受反力平衡，以使自适应齿切削角在钻进时保持切削该种力学性能岩石的最佳角度。

11、本发明的有益效果：

12、本发明结构巧妙，制作容易，装卸方便，稳定可靠，根据岩石和地层环境适时使用自适应齿和固定齿以减轻地层变化对切削齿的冲击力破坏，有效提高钻头自适应齿的可靠程度、钻头寿命和钻进效率，减少更换钻头次数，减少起下钻的辅助时间，减小钻探周期；此外弹性元件可选用弹簧，取材方便、成本低、效果好，可根据所钻地层环境和岩石特征等选用不同参数的弹簧，使自适应齿切削角在钻进时保持切削一种力学性能岩石的最佳角度。

技术特征：

1.一种能主动适应岩性变化的pdc钻头，其特征在于：包括钻头基体（1）、若干个自适应齿（2）和若干个固定齿（3），若干个自适应齿（2）和若干个固定齿（3）依次交错分布在钻头基体（1）上端；

2.根据权利要求1所述的一种能主动适应岩性变化的pdc钻头，其特征在于：在切削岩石时，所述自适应齿（2）后倾角α在0°～ 18°范围内变化，初始后倾角为0°～ 10°；所述固定齿（3）后倾角β固定设置为20°。

3.根据权利要求1所述的一种能主动适应岩性变化的pdc钻头，其特征在于：自适应齿（2）和固定齿（3）为聚晶金刚石复合片，弹性元件（27）为弹簧，通过弹簧的压缩给弹簧塞（26）和自适应胎体（21）的位移创造条件，从而改变自适应齿（2）的后倾角。

4.根据权利要求1所述的一种能主动适应岩性变化的pdc钻头，其特征在于：自适应齿（2）通过槽键结构（11）设置在钻头基体（1）上，槽键结构（11）留有与自适应胎体（21）和限位块（25）尺寸契合的槽，自适应齿（2）装配到钻头基体（1）上之后通过限位块（25）限制自适应齿（2）径向位移，通过第二螺栓（24）固定限位块（25）。

5.根据权利要求1所述的一种能主动适应岩性变化的pdc钻头，其特征在于：在一定钻压下钻进一种硬度的岩石时，自适应齿（2）所受反力不变，根据胡克定律在下钻前调节第一螺栓（23）与弹性元件（27）的配合及弹性元件（27）的参数，使弹性元件（27）的弹力与自适应齿（2）所受反力平衡，以使自适应齿（2）切削角在钻进时保持切削该种力学性能岩石的最佳角度。

技术总结本发明公开了一种能主动适应岩性变化的PDC钻头，包括钻头基体、若干个自适应齿和若干个固定齿，若干个自适应齿和若干个固定齿依次交错分布在钻头基体上端，钻头基体上端设置有用于装配自适应齿的槽键结构和用于装配弹簧塞及弹性元件的弹簧孔，自适应齿包括自适应胎体、第一PDC齿、第一螺栓、第二螺栓、限位块、弹簧塞和弹性元件，自适应胎体通过槽键结构限位连接在钻头基体上端，第一PDC齿固定设置在自适应胎体上端，第一螺栓螺纹连接在自适应胎体上端，弹性元件与弹簧塞设置在弹簧孔中，弹性元件位于弹簧塞下方并与其接触；第一螺栓下端抵触在弹簧塞上端，限位块通过第二螺栓设置在自适应胎体上，固定齿上部固定设置有第二PDC齿。技术研发人员：赵研,廖国锐,高科,郭京坤,谢晓波,高军辉受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6