[发明专利]可实现偏心摆动旋转的PDC钻头工具

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气、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钻头装备。

背景技术

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混合钻头等。

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。

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CN 201010229371.9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。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。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种可实现偏心摆动旋转的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。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的可实现偏心摆动旋转的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的端部，所述外壳体的内壁上均布有若干内摆线齿，所述摆线轴的外壁上均布有若干外摆线齿，所述外摆线齿与内摆线齿相啮合，使所述摆线轴可相对于外壳体变轨迹偏心旋转；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。