一种多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头

摘要

本发明提供了一种多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头，包括钻头本体及夹持器，所述钻头本体上端面上开有若干个夹持器安装槽，各夹持器安装槽内分别安装有夹持器，夹持器上可拆卸安装有切削齿，夹持器和安装槽的相对角度和位置可调。本发明可以研究个别齿以及不同布齿方式下钻头的破岩行为及效率，增加了钻头的使用效率，降低实验成本。由于喷嘴可拆卸，可根据需要决定是否安装射流喷嘴，不同喷嘴内部加工有不同角度的射流流道，以研究相对于齿片不同射流角度冲击岩石、携带岩屑时的效率。由于钻头本体上在齿片两侧分别加工有射流流道，因此，可在齿片不同的相对位置安装喷嘴以研究PDC齿与水射流相对位置配合关系对于破岩的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井实验设备领域，具体的是一种多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头。

背景技术

钻头作为钻井行业中常用的破岩工具，其性能的优劣以及和钻井参数是否匹配，直接影响着钻井成本和钻井质量。PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit，即聚晶金刚石复合片钻头)是随着PDC复合材料的发展而发展起来的一类新型钻井工具。PDC钻头是使用人造聚晶金刚石复合片作为切削元件以切削方式破碎岩石的，是刮刀钻头在高级技术工艺条件下的复现。PDC钻头具有自锐性，平均机械钻速往往是牙轮钻头的2倍～3倍；由于没有活动件，排除了掉牙轮的危险，在有效减少井下事故发生的同时也减少了起下钻的次数；钻进时所需钻压低转速高，在易斜地层，能很好地防斜纠斜；可与井下动力钻具、涡轮钻具配合使用来钻定向井；可钻深井(高温井)，可在小于500℃环境下工作。现在全世界PDC钻头的用量和在钻井总进尺中所占比例逐年上升，目前，PDC钻头的钻井进尺已经超过总钻井进尺的60％。

PDC钻头与高压水射流配合以期达到更好的破岩效果，已经进行了几十年的研究。相关的理论和试验证明机械齿与射流联合破岩方式有着巨大的发展潜力。高压水射流破岩是利用射流的集中能量来冲击岩石，在岩石内部形成裂纹，利用“水楔”作用破碎岩石，在钻遇软岩地层时可以直接破碎岩石。射流冲击岩石形成裂纹并清除岩屑，在有效降低钻头受力的同时，使得钻头更加容易地吃入岩石，从而提高破岩钻进效率，缩短钻井周期，降低生产成本。水射流还可以冷却钻头，这使得钻头在较低的温度下工作，降低钻头磨损率，延长使用寿命。从而，在油气钻井岩石破碎过程中机械齿和水射流相互影响相互促进。

一直以来，PDC钻头破岩效率的参数优化、水力机械联合破岩的参数优化是PDC钻头相关研究的热点与难点，其研究方法以软件数值模拟和物理实验模拟为主。目前，物理实验模拟常用的方法有：1.在改装的牛头刨床上或自行设计的设备上进行PDC单齿切削实验；2.使用小型PDC钻头进行室内试验。但是这两种方法分别存在自身的局限性与不足：

1、改装的牛头刨床可以提供稳定、均匀的送进力，在刨床的刀架上安置三向测力(轴向力、切向力、侧向力)传感器后，可以实时监测单齿破岩的受力情况；同时，通过更换PDC齿、改变相关实验参数，可以测试不同条件下的破岩效率，都让牛头刨床成为了研究PDC单齿破岩受力情况的一种重要手段。但是，其局限性在于：A、牛头刨床将井下PDC齿随着钻头旋转的实际高速螺旋给进运动转化为低速直线给进运动，这样就把切削齿沿径向部分变化的切削体积假设成切削齿每部分同速下同等的切削体积，同时忽略了切削速度对于PDC齿的受力影响；另一部分实验是将刀臂固定在一定高度后，岩样夹持装置带动岩样转动，去掉了轴向进给运动，即只有旋转运动，这样就简化了轴向力对切向力的影响；B、PDC钻头切削齿受力是一个超静定问题，仅从单齿来分析切削齿受力，而不考虑邻齿对所分析齿的影响，这就导致切削齿所切削的破碎带大小、形状都因此而改变，对于切削力的研究产生较大的误差。

2、使用小型PDC钻头进行室内试验是设计研制特殊的实验钻头，在实验室内通过钻头驱动系统以及高压泵实现现场的PDC钻头与高压水射流配合破岩的模拟。实验室可以通过调节钻头驱动系统改变钻头的钻压、转速、送进速度，调节高压泵系统调节射流压力，从而研究这些参数对于联合破岩效率的影响。但是，因为设计的小型PDC钻头整体不可改装拆卸，导致其局限性在于：A、钻头的几何参数(齿切削角、布齿方式、射流角度，齿与射流相对位置关系等)无法灵活调节，每改变一个试验参数，需重新设计加工新的实验钻头，浪费了人力物力的同时，重新设计加工出来的钻头无法保证除了要改变的参数以外，与之前加工的钻头完全一致，从而引进了实验误差；B、在破岩过程中，在不更换钻头的前提下，由于钻头上所有PDC齿相互影响，且钻头为整体部件不可拆卸，布齿方案无法改变，因此只能研究单一布齿方式下钻头整体在破岩中的行为及效果，而无法精确研究个别少数PDC齿在破岩过程中的作用，这就导致了只能得到钻头破岩的宏观现象，无法细致分析实验现象，只能得到宏观结论与认识。

总体而言，现有已公开的实验方法和装置均无法同时满足下述条件：1.符合实际工程条件，模拟工况；2.各部件可拆卸更换，能分别研究PDC齿对于破岩的作用及影响。

发明内容

为了解决现有钻头的切削齿不可拆卸及不能调节的问题，本发明提供了一种多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头，该多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头的切削齿不但可以拆卸更换，而且其位置和角度均可以调节，适合于研究个别齿以及不同布齿方式下钻头的破岩行为及效率，增加了钻头的使用效率，降低实验成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头，包括钻头本体及用于安装固定切削齿的夹持器，夹持器设置于钻头本体的工作端，夹持器与钻头本体可拆卸连接，夹持器能够转动，该多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头还包括用于调整夹持器转动角度的角度调节机构。

夹持器含有夹持器本体和压紧片，夹持器本体呈柱状，夹持器本体和压紧片通过螺钉连接后能够使切削齿固定于夹持器上，钻头本体的工作端设有用于安装夹持器的夹持器安装槽，夹持器在钻头本体上的位置能够调节。

夹持器本体的边缘设有缺口，该缺口含有切削齿安装面和压紧片安装面，该切削齿安装面和压紧片安装面均平行于夹持器本体的轴线，切削齿安装面内设有用于容纳安装切削齿的切削齿安装槽，压紧片通过所述螺钉与压紧片安装面固定连接，切削齿的一部分位于切削齿安装槽内，压紧片的一端与切削齿抵接。

切削齿安装面和压紧片安装面之间的夹角大于90°且小于180°，切削齿为圆片状，切削齿平行于切削齿安装面，切削齿的厚度大于切削齿安装槽的深度，压紧片的所述一端为斜面，该斜面与切削齿安装面平行，沿夹持器本体的径向，切削齿的一端位于切削齿安装槽外，切削齿位于切削齿安装槽内的部分与切削齿安装槽的形状相匹配。

夹持器的全部或部分位于夹持器安装槽内，夹持器本体的轴线平行于夹持器安装槽的开设方向，夹持器安装槽能够防止夹持器沿钻头本体的中心线方向脱离钻头本体，钻头本体的工作端朝上，切削齿的位置与夹持器安装槽的上端相对应。

夹持器安装槽沿钻头本体的径向开设，夹持器本体呈扁圆柱状，夹持器能够以夹持器本体的轴线为轴转动，夹持器安装槽的断面形状为弧形，该弧形的半径等于夹持器本体的半径，夹持器本体能够在夹持器安装槽内沿钻头本体的径向滑动

该角度调节机构包括切削角调节键、一条内键槽和多条外键槽，该一条内键槽沿钻头本体的径向设置于夹持器安装槽的内表面、该多条外键槽沿夹持器本体的轴向设置于夹持器本体的外表面，相邻的两条外键槽之间的距离相等，所述切削角调节键位于一条外键槽和一条内键槽之间。

钻头本体呈筒状结构，夹持器安装槽沿钻头本体的径向贯通于钻头本体的内外表面，钻头本体含有多条夹持器安装槽，多条夹持器安装槽在钻头本体的工作端沿周向均匀分布，夹持器安装槽内匹配的安装有至少一个夹持器，相邻的两条外键槽之间的弧形所对应的圆心角为5°～15°。

钻头本体呈筒状结构，钻头本体内的中部含有沿轴向贯通的主流道，钻头本体内还含有若干条横向连通流道及若干条纵向连通流道，横向连通流道沿钻头本体的径向设置，纵向连通流道沿钻头本体的轴向设置，主流道的一段为用于安装活塞的活塞安装孔，活塞安装孔内设有活塞，活塞的位置与钻头本体的工作端相对应，活塞与钻头本体密封连接，活塞内含有内流道，主流道能够依次通过该内流道、横向连通流道及纵向连通流道与钻头本体的工作端外连通。

活塞呈圆柱状，该内流道包括盲孔和导流孔，盲孔位于活塞的一端，盲孔朝向钻头本体的连接端，导流孔沿活塞的径向开设，盲孔与活塞的外部通过导流孔连通，活塞的外表面沿周向设有蓄流环，蓄流环为环形凹槽，蓄流环与活塞安装孔之间形成环形流道，蓄流环的位置与导流孔的位置相对应，横向连通流道的位置与该环形流道的位置相对应，横向连通流道与该环形流道相切，钻头本体的工作端设有用于安装夹持器的夹持器安装槽，夹持器安装槽沿钻头本体的径向开设，沿钻头本体的周向夹持器安装槽的两侧各设有一条横向连通流道，每条横向连通流道均连接有多条纵向连通流道，纵向连通流道与钻头本体的工作端相对应的喷射口可拆卸的设有喷嘴或丝堵。

活塞安装孔与活塞之间匹配的套设有定位柱，定位柱位于钻头本体的工作端，定位柱为正棱柱状结构，定位柱的侧面与夹持器安装槽一一对应连接，定位螺栓穿过夹持器安装槽内的夹持器本体与定位柱连接固定，钻头本体的工作端朝上，活塞的上端设有定位环，定位柱的上端内设有与该定位环相匹配的定位台阶，活塞的上端内设有用于旋拧活塞的定位孔。

本发明的有益效果是：由于本发明包括钻头本体及夹持器，夹持器安装槽内可拆卸安装有夹持器，夹持器上可拆卸安装有切削齿，夹持器和安装槽的相对位置可调，因此可通过更换不同的夹持器改变射流角度、切削齿的切削角度、射流与切削齿的相对位置等，从而改变切削齿的数量与布齿方式，可研究个别齿以及不同布齿方式下钻头的破岩行为及效率；并且实验中，若出现了切削齿崩坏或者损伤的情况，在小块损坏时，只需将切削齿旋转180度，将损坏的一段与压紧片紧密接触，固定压紧片即可；大块损坏时，再更换切削齿，节约了实验耗材，增加了钻头的使用效率。

另外，钻头由钻头本体、连接活塞、定位柱组成，而并非为一个整体部件，因此各个部件可拆卸，减小了加工难度，使加工更加精确方便，并且实验时钻井液中可能含有杂质封堵流道，可拆卸的部件使疏通流道成为可能，降低了钻头的维护难度，提高了其使用寿命。

还有，由于钻头本体上设有主流道及钻井液流道，连接活塞内设置有连通主流道与钻井液流道的连接通道，因此钻头可配合高压水射流，实现旋转轴向送进并调节各水力参数，充分模拟不同的井下工况。各纵向连通流道末端加工有连接螺纹孔，可根据需求不同连接具有不同角度的流道的喷嘴，从而研究通过射流辅助破岩的影响。在选择好布齿方案、完成布齿后，由于喷嘴可拆卸，根据是否需要进一步研究射流对于PDC切削齿破岩的影响，决定是否安装射流喷嘴。不同喷嘴内部加工有不同角度的射流流道，以研究相对于切削齿不同射流角度冲击岩石、携带岩屑时的效率。根据实验需要选择所需射流角度，然后安装喷嘴，安装时需使喷嘴螺纹完全旋入，保证研究相同射流角度实验时，射流冲击切削齿的相对位置、角度一定。由于钻头本体上在切削齿两侧分别加工有射流流道，因此，可在切削齿不同的相对位置安装喷嘴以研究PDC齿与水射流相对位置配合关系对于破岩的影响。完成射流喷嘴的装配后，将不需安装喷嘴的位置处拧上丝堵，堵住射流通道；然后将钻头本体末端旋入钻杆，完成实验钻头的装配与连接。使钻头在动力设备驱动下旋转钻进，同时实现切削齿的螺旋与轴向送进。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头装配后的外观结构示意图。

图2为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头的装配主剖视图。

图3为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头的装配俯视图。

图4为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中钻头本体的主剖视图。

图5为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中钻头本体的俯视图。

图6为图4中沿A-A方向的剖面图。

图7为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中连接活塞的主剖视图。

图8为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中夹持器本体的主视图。

图9为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中夹持器本体的俯视图。

图10为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中定位六方的主剖视图。

图11为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中定位柱的俯视图。

图12为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中一种喷嘴的剖面图。

图13为本发明中多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头中另一种喷嘴的剖面图。

11、钻头本体；12、活塞；13、定位柱；14、夹持器；

111、主流道；112、活塞安装孔；113、扩径；114、夹持器安装槽；115、切削角调节键；

121、盲孔；122、密封圈；123、蓄流环；124、导流孔；125、定位环；126、定位孔；

131、定位台阶；

141、夹持器本体；142、切削齿；143、压紧片；144、外键槽；145、固定孔；146、切削齿安装面；147、压紧片安装面；

21、横向连通流道；22、纵向连通流道；23、喷射口；24、丝堵；25、喷嘴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头，包括钻头本体11及用于安装固定切削齿142的夹持器14，夹持器14设置于钻头本体11的工作端，夹持器14与钻头本体11可拆卸连接，夹持器14能够转动，该多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头还包括用于调整夹持器14转动角度的角度调节机构，如图1所示。

本发明所述的多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头与现有钻头的主要区别在于，切削齿142能够拆卸和更换，切削齿142在钻头本体11上的位置和角度能够调节，其中位置的改变包括因角度改变而带来的位置的改变。钻头本体11上设置的任何能够实现切削齿142可以拆卸且位置和角度可调节的结构均可以实现本发明的功能，任何能够实现切削齿142可以拆卸同时位置和角度可调节的钻头均为本发明的保护范围。

在本实施例中，如图1、图2、图3所示，该多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头包括钻头本体11及夹持器14，如图4和图5所示，钻头本体11含有工作端和连接端，钻头本体11的工作端朝上连接端朝下，钻头本体11的下端设置有用于连接钻杆的外螺纹，钻头本体11的上端面上开有六个夹持器安装槽114，各夹持器安装槽114内分别安装有夹持器14。夹持器14包括夹持器本体141、切削齿142及压紧片143，如图8、图9所示，夹持器本体141为一扁圆柱状体，夹持器本体141的边缘含有缺口，该缺口含有切削齿安装面上146和压紧片安装面147。切削齿安装面上146内开有切削齿安装槽140，切削齿142位于切削齿安装槽140内，压紧片143压在切削齿142上，并且压紧片143与夹持器本体141之间通过压紧片螺钉连接，使切削齿142可拆卸。

安装切削齿142时，注意切削齿142的正反，应将合金面靠紧切削齿安装槽140，切削齿面靠紧压紧片143，从而在钻头旋转时，由夹持器整体承受切削岩石时的阻力，夹持器整体结构保持稳定，否则将由压紧片承受切削岩石时的阻力，在长时间实验或者承受较大阻力时，导致压紧片螺钉变形，压紧片松动，无法固定切削齿。各夹持器安装槽114内均设置有内键槽115，夹持器本体141的外圆周面上沿轴向依次开有若干个外键槽144，相邻两个外键槽144之间角度差为10°，该切削角调节键插设于一条内键槽115和一条外键槽144之间，该切削角调节键为细圆柱状，该切削角调节键与内键槽115和外键槽144形成的通孔相匹配，通过使该切削角调节键插入内键槽115和不同的外键槽144相卡固实现夹持器14相对于安装槽114的转动，从而得到4个依次相差10°的齿切削角。在加工时，通过改变夹持器本体下部第一外键槽144的角度，即可得到与之前不同的4个需要的切削角度。根据实验的需要，设计加工夹持器本体上不同的第一外键槽的角度，和夹持器本体的数量，可实现切削齿切削角大范围、小步长的变化。

在本实施例中，如图4、图5所示，钻头本体11的轴向中心设有主流道111，主流道111上方为连接活塞安装孔112，连接活塞安装孔112内安装有连接活塞12，钻头本体11上设置有钻井液流道，钻井液流道包括相互连通的若干条横向连通流道21及若干条纵向连通流道22，各横向连通流道21末端封闭，如图7所示，连接活塞12内设置有连通主流道111与钻井液流道的连接通道，上述连接通道包括盲孔121、蓄流环123及若干个导流孔124，盲孔121上端封闭、下端和主流道111连通，并且盲孔121的直径大于主流道111的直径，蓄流环123为沿连接活塞12的外圆周周向延伸的凹槽，导流孔124设置于盲孔121与蓄流环123之间，蓄流环123和各横向连通流道21连通，并且连接活塞12上，在蓄流环123上方设置密封圈122。钻井液泵出后，由主流道111进入钻头本体，经过一小段扩径113后，进入连接活塞的盲孔121，盲孔121末端限制了钻井液的轴向流动，沿径向流入相互垂直的导流孔124，经导流孔124流入蓄流环123，短时间蓄流后充满蓄流环123，再经蓄流环123进入横向连通流道21、纵向连通流道22，后经喷嘴25喷出。

如图2所示，连接活塞12上端与钻头本体11之间留有间距，间距内设置定位柱13，定位柱13为多棱柱，各夹持器安装槽114呈以连接活塞安装孔112的中心为中心点的环形阵列，定位柱13的外侧面与夹持器安装槽114一一对应。

在本实施例中，定位柱13的外部为正六棱柱状，如图10、图11所示，定位柱13上设置横向的螺钉孔，如图5所示，夹持器安装槽114设置六个，定位柱13的每个外端面分别与一个夹持器安装槽114相对应，每个夹持器安装槽114内设置三个夹持器14，夹持器本体141的轴心处开有固定孔145，定位螺钉穿过各夹持器本体141的固定孔145连接到定位柱13侧面的螺钉孔内。夹持器安装槽114内可以匹配的安装有一至三个夹持器14，夹持器安装槽114内也可以不安装夹持器14。安装时，夹持器通过内键槽滑入夹持器安装槽后，分别顶住定位六方侧面，不再滑动；如图7、图10、图11所示，连接活塞12顶部外壁设置径向突出的定位环125，定位柱13内壁设置径向向里凸出的定位台阶131，定位环125卡在定位台阶131上，防止连接活塞轴向滑动，使之定位。装配时，定位柱13直接卡入钻头本体上端的定位六方孔中固定。

定位柱13安装固定后，再经定位柱13的轴向通孔中将连接活塞12插入连接活塞安装孔内，连接活塞12顶部端面上设置有若干个沿轴向延伸的定位孔126，连接活塞12底部外壁设置外螺纹用于连接钻头本体11，由工具插入定位孔126后旋转，使得活塞12上的外螺纹与钻头本体11上的内螺纹相配合，连接固定活塞的同时，活塞12卡紧定位柱13。

在本实施例中，如图5、图6所示，蓄流环123与活塞安装孔112之间形成环形流道，每个横向连通流道21均与该环形流道相切，每个夹持器安装槽114两侧分别设置一个横向连通流道21，每个横向连通流道21连接同一排的三个纵向连通流道22，各纵向连通流道22的末端的喷射口23均加工有连接螺纹孔用于安装喷嘴25或丝堵24。本发明所述的多功能高压水射流—PDC齿联合破岩实验钻头安装时，先将切削齿142安装在夹持器本体上，然后根据实验方案，选择要进行实验的切削齿角度。在需要安装所有切削齿的情况下，随后按照相同的方法和步骤，将所有夹持器本体安装好。在进行不需安装所有切削齿或者进行特定的布齿方案时，只需旋开不需要安装切削齿的位置上的夹持本体器上的压紧螺钉，打开压紧片，取下切削齿即可。

在选择好布齿方案、完成布齿后，由于喷嘴25可拆卸，根据是否需要进一步研究射流对于PDC切削齿破岩的影响，决定是否安装射流喷嘴25。不同喷嘴内部加工有不同角度的射流流道，以研究相对于切削齿不同射流角度冲击岩石、携带岩屑时的效率。根据实验需要选择所需射流角度，然后安装喷嘴，安装时需使喷嘴螺纹完全旋入，保证研究相同射流角度实验时，射流冲击切削齿的相对位置、角度一定。由于钻头本体上在切削齿两侧分别加工有射流流道，因此，可在切削齿不同的相对位置安装喷嘴以研究PDC齿与水射流相对位置配合关系对于破岩的影响。完成射流喷嘴的装配后，将不需安装喷嘴的位置处拧上丝堵，堵住射流通道；然后将钻头本体末端旋入钻杆，完成实验钻头的装配与连接。使钻头在动力设备驱动下旋转钻进，同时实现切削齿的螺旋与轴向送进。

如图12、图13所示，喷嘴25外形为一六角螺钉，其内部加工有不同角度的圆柱形射流流道，当射流角度为0°时，直接加工一个贯通喷嘴的直圆柱通孔；当需加工其他角度的射流喷嘴时，需先从螺钉底部加工一个圆柱盲孔，再从头部加工一定角度的流道与盲孔贯通，形成弯折的圆柱通孔，完成射流喷嘴流道的加工。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。