[发明专利]一种旋转切削模块以及具有这种模块的金刚石钻头

说明书

本发明公开了一种旋转切削模块以及使用这种旋转切削模块的金刚石钻头，旋转切削模块包括模块基体和模块切削齿，钻头包括钻头体和切削元件。其中，旋转切削模块上设置有固定轴套，模块基体上固定有至少三个模块切削齿，模块基体通过其上的转轴与固定轴套之间形成转动连接；钻头上的切削元件至少有一个为旋转切削模块，模块基体相对钻头体转动的过程中，其上的切削齿交替切削井底岩石，模块切削齿与钻头体上的固定切削齿的协同工作使钻头在井底形成局部网状刮切轨迹。本发明在常规金刚石钻头、复合钻头的基础上，引入了旋转切削模块，能减缓钻头切削元件的磨损速度，提升钻头在硬地层、高研磨性地层及高温条件下的破岩效率和使用寿命。

技术领域

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、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及一种用于岩石或岩土钻进的切削元件以及使用这种切削元件的钻头，更具体的讲，本发明涉及一种旋转切削模块以及具有这种旋转切削模块的金刚石钻头 。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC（Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片）钻头作为现有钻头技术中的重要一个种类，在钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头以切削形式破岩，在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，其上切削齿在井底产生的切削轨迹为同心圆环带。对于常规PDC钻头而言，由于破岩过程中切削齿持续刮切岩石，使得岩石和钻头之间产生连续的摩擦，在热磨损的作用下，切削齿将逐渐变钝。在钻头钻进初期，切削齿磨损少，齿刃与岩石的接触区域小，切削比压大，机械钻速高；随着磨损量逐渐增加，齿刃与岩石接触区域增加，比压减小，机械钻速逐步降低，直至钻头失效。此外，地层岩石越硬，切削齿侵入岩石难度越高，而使切削齿维持对井底岩石的有效侵入是PDC钻头高效破碎岩石的必要条件。为了提高PDC钻头对岩石的侵入能力，通常钻头需要采用较小直径的切削齿，但钻头在硬地层钻进时切削齿的磨损速度快，而小直径切削齿的可磨损高度较小，这就形成了硬地层钻头设计中的一个不易克服的技术矛盾，使硬地层钻头的工作能力受到严重制约。因此，避免切削齿持续刮切岩石、降低热磨损是提高钻头（尤其是在高硬度、高研磨性地层中工作的钻头）钻进效率和延长钻头寿命的重要途径。

中国专利“钻进比压可控的模块切削齿钻头”（专利号：CN103510859.A）公布了一种模块切削齿，即在模块上设置若干模块单元，实现钻进过程比压可控和切削单元有效磨损体积增加，提高机械钻速和钻头性能。但该发明中模块切削齿以及其中的模块单元仍然是与常规PDC切削齿一样固定不动，以持续刮切的形式破岩，并不能有效避免切削元件的热磨损，此外，位于模块切削齿下部的模块单元需要等到上部模块单元完全磨损后才能参与破岩，此时模块切削齿已经发生较严重的磨损，由于磨损面承压而导致有效钻压显著减小，钻头的钻速严重降低。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”（专利号：201010229371.9）中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮（该申请中偏移角α的范围20°≤|α|≤90°的转轮即本申请所述盘刀）上，并对转轮的偏移角和轴倾角给出了明确定义，同时也设置了装有固定切削齿的固定切削单元（包括刀翼结构）。盘刀切削单元上的PDC齿交替刮切岩石并在井底形成螺旋线的刮痕，一方面有效避免了切削齿的热磨损，另一方面螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式，有利于提高钻进效率。但在该发明中，盘刀需要设置单独的支承结构和轴承系统，加工制造相对困难，制造精度也难以得到充分保障，且盘刀及其支承结构占据的钻头空间过大，对固定切削结构的设计造成了比较明显的不利影响，因而使其技术效果受到明显限制。