[实用新型]钻进比压可控的模块切削齿钻头

说明书

技术领域

本实用新型属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及模块化布齿钻进比压可控的模块切削齿钻头。 

背景技术

钻头是钻井过程中，直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金刚石复合片钻头)破岩形式为切削、剪切岩石，在钻井、地质乃至建筑工程中运用越来越广泛，在钻井工程中使用的比例越来越大。在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，钻头钻进时各切削齿的运动轨迹为相对固定的同心圆环带。由于其破岩机理和结构差异，PDC钻头适用于较高钻速和软至中硬地层。PDC钻头具有以下特点： 

(1)破岩方式：依靠复合片切削齿切削、剪切破碎地层。根据岩石研磨性，在钻头破碎岩石过程中，岩石与钻头之间产生连续或间断的接触和摩擦。 

(2)切削单元切削刃长、比压、机械钻速的关系：钻头在破碎岩石的同时，自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝，即切削刃长增加。所以切削刃长、比压、机械钻速的关系为：钻头钻进初期，切削单元磨损线短、比压大、，破岩效率高，机械钻速高；随着磨损线逐渐变长、比压变小、切削单元对岩石的相对磨损增大，机械钻速逐步降低直至钻头失效。以切削单元为Φ16mm的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时复合片的切削刃长约为直径的80%。切削刃长的急剧增加，会大幅降低钻头对岩石的破碎效率和钻井效率。 

(3)切削单元磨耗比、有效磨损体积与钻头寿命的关系：对于磨耗比一定的复合片，有效磨损体积越大，钻头复合片的有效使用率就越大，进尺就越多，钻头寿命也越长。以切削单元为Φ16mm的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时，复合片金刚石层的实际磨损体积不到金刚石总体积的20%。在不考虑冲击损害的影响下，选用磨耗比高的复合片，有助于延长钻头使用寿命。 

为了提高复合片性能，国内外研究者从PDC钻头剖面形状、后倾角、切削齿尺寸以及布齿密度这几个方面进行了研究。但都不能有效解决钻头失效时，复合片金刚石层的实际磨损体积占金刚石总体积比例很小的问题。 

实用新型内容

本实用新型提出一种钻进比压可控的模块切削齿钻头，通过对切削齿布齿方式的改进，采用模块式切削齿，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的目的。 

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下： 

钻进比压可控的模块切削齿钻头，包括模块(1)，模块单元(2)，其特征在于：所述钻头的模块切削齿由作为基体的模块(1)和模块单元(2)组成，所述钻头上设置的模块(1)数量≥1，所述模块(1)上设置的模块单元(2)数量≥2。 

主要以模块单元作为切削部。 

下文中上述由模块(1)和模块单元(2)构成的切削齿称为切削单元或模块切削单元。 

所述的模块单元与模块的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结、螺纹等。 

所述的模块与钻头体的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结、螺纹、机夹等。 

所述的模块单元截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、梯形、菱形以及它们的环形，以及上述形状的组合。 

所述的模块单元体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体，以及它们的组合体。 

所述的模块单元体形状为圆柱，其直径为1mm~25mm，高度为3mm~25mm。 

所述的模块单元组合形式包括相同的模块单元组合(例如：尺寸相同的圆形单元与圆形单元的组合，椭圆形单元与椭圆形单元的组合)，也包括不相同的模块单元组合(例如：不同尺寸的模块单元组合，圆形单元与椭圆形单元的组合)。 

所述的模块单元分布形式可以是规则分布，也可以是无规则分布。 

所述的模块单元组合相互之间可有间隔，也可无间隔，即模块单元间隔值≥0mm。 

所述的模块单元可以全部包含在模块内，也可以部分包含在模块内。 

所述模块单元切削面可以出露于模块表面，也可以沉于模块表面内。 

所述的模块单元是模块单元的组合，即模块单元组合作为模块单元，形成模块切削齿的组成部分。 

所述的模块单元材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片(体)、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷，以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。 

所述模块单元通过热压、烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型。