一种仿生自适应PDC钻头.pdf

本发明公开了一种仿生自适应PDC钻头，是由钻头基体、数个切削齿组件和数个钻头刀翼组成，数个钻头刀翼固定设置在钻头基体上端，数个切削齿组件固定设置在数个钻头刀翼上，本发明仿生原型虎爪骨骼图，根据其爪子这种自适应特性来设计仿生自适应PDC钻头结构，运用生物爪趾通过关节活动实现自我保护结构，在钻进复杂地层时在地层冲击力的作用下能够自适应的改变切削齿的切削角，钻进硬岩后倾角变大、侧转角变小，保护复合片，钻进软岩后倾角变小、侧转角变大，聚晶金刚石复合片更易切入岩石，完成高效碎岩。本发明结构简单，装卸方便，减缓和避免地层变化对切削齿的冲击力破坏，有效的提高钻头的寿命和钻进效率，提高切削岩石效率和排屑效果。

1.  一种仿生自适应PDC钻头，其特征在于：是由钻头基体(1)、数个切削齿(2)和数个钻头刀翼(3)组成，数个钻头刀翼(3)通过销轴(22)设置在钻头基体(1)上端，数个切削齿(2)固定设置在数个钻头刀翼(3)上。

2.  根据权利要求1所述的一种仿生自适应PDC钻头，其特征在于：所述切削齿(2)与钻头基体(1)之间设有第一弹性体(23)和第二弹性体(24)。

3.  根据权利要求1所述的一种仿生自适应PDC钻头，其特征在于：所述在钻头切削岩石时切削齿后倾角在0°～30°范围内变化，侧转角在0°～15°范围内变化。

4.  根据权利要求1所述的一种仿生自适应PDC钻头，其特征在于：所述切削齿(2)为超硬切削材料，为聚晶金刚石复合片或多晶金刚石片或硬质合金齿等。

一种仿生自适应PDC钻头
技术领域
本发明涉及一种钻井领域的钻头，特别涉及一种仿生自适应PDC钻头。
背景技术
PDC钻头作为钻进中硬地层的主要钻头，应用十分广泛。当钻头钻进硬地层、高研磨性地层、软硬交错夹层、砾夹层、破碎岩层等地层时，其机械转速急骤下降，切削齿磨损加快，极易出现聚晶金刚石层的碎裂、脱层甚至剥落，从而导致整个钻头的失效。此外，PDC切削齿的后倾角对钻进效率具有较大的影响，切削软地层时，角度越小越有利于机械钻速的发挥；钻进硬地层时，后倾角适当增大，有利于减小岩石冲击对PDC片造成的伤害。在石油钻头领域，已经有部分学者对PDC钻头适应性做出改进研究，如西南石油大学邓嵘等发明专利《自适应混合钻头》(专利号：CN102561953A)，该专利公布的钻头为牙轮齿与PDC齿的复合，该类钻头结构较为复杂，牙轮从某种程度弱化了岩石对PDC齿的冲击损害，但PDC的切削齿的切削角在加工制造时就已固定，无法真正随地层情况改变。
自然界动物经过长时间对生存环境的适应和进化，进化出独特优异的身体结构。如猫科动物爪趾可以瞬间穿透猎物皮肉，但当趾尖触及猎物坚硬的骨骼遇阻时，爪的趾骨关节转动改变爪趾的弯曲角度，如此既能稳稳抓住猎物又能保护其爪趾不受损伤。从仿生学角度出发，发明一种仿生自适应PDC钻头，以减缓PDC钻头在钻进复杂地层时非正常破坏现象的产生，提高钻探综合效益，因此研究一种能很好适应复杂地层的钻头有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有PDC钻头在钻进底层时，切削齿磨损快，钻进时对切削齿和PDC片的损坏大，易出现聚晶金刚石层的碎裂、脱层甚至剥落，导致整个钻头的失效，工作效率低等问题，而提供一种仿生自适应PDC钻头。
本发明是由钻头基体、数个切削齿和数个钻头刀翼组成，数个钻头刀翼固定设置在钻头基体上端，数个切削齿通过销轴设置在数个钻头刀翼上；
聚晶金刚石复合片固定设置在切削齿柱体上端构成切削齿，切削齿柱体通过销轴铰接在钻头刀翼上，第一弹性体和第二弹性体分别设置在切削齿柱体两侧，并与钻头刀翼内壁相配合；
切削齿的初始后倾角a为0°—10°，侧转角β为0°—15°；
切削齿为超硬切削材料，为聚晶金刚石复合片或多晶金刚石片或硬质合金齿。
本发明的工作原理和过程：
本发明仿生原型虎爪骨骼图，当虎捕食猎物时，它的前爪趾可以瞬间穿透猎物皮肉，但当趾尖触及猎物坚硬的骨骼遇阻时，爪的趾骨关节转动改变爪趾的弯曲角度，既能抓住猎物又能保护其爪趾不受损伤。根据其爪子这种自适应特性来设计仿生自适应PDC钻头。
在钻进过程中，聚晶金刚石复合片切入岩石，受岩体反作用力，切削齿柱体通过销轴铰接在钻头刀翼上，可在力的作用下在一定范围内转动，第一弹性体与第二弹性体具有一定的预紧力。在钻进硬岩地层时，切削齿柱体受岩体作用力大于第一弹性体的预紧力，切削齿向后转动，压缩第一弹性体，后倾角变大，聚晶金刚石复合片受地层冲击力减弱，避免冲击受损，在钻进软岩地层时，切削齿受岩体作用力小于第一弹性体的预紧力，大于第二弹性 体的预紧力，第一弹性体向前舒展，切削齿向前转动，压缩第二弹性体，后倾角变小，聚晶金刚石复合片更易切入岩石，完成高效碎岩。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，装卸方便，运用生物爪趾通过关节活动实现自我保护结构，在钻进复杂地层时在地层冲击力的作用下能够自适应的改变切削齿的切削角，减缓和避免地层变化对切削齿的冲击力破坏，可以有效的提高钻头的寿命和钻进效率，钻进硬岩后倾角变大、侧转角变小，保护复合片，钻进软岩后倾角变小、侧转角变大，提高切削岩石效率和排屑效果。
附图说明
图1是仿生原型虎爪骨骼示意图。
图2是本发明第一实施例的立体示意图。
图3是本发明第一实施例的局部立体示意图。
图4是本发明第二实施例的立体示意图。
图5是本发明切削齿的初始后倾角a示意图。
图6是本发明切削齿的侧转角β示意图。
具体实施方式
第一实施例：
请参阅图2、图3、图5和图6所示，本实施例是由钻头基体1、数个切削齿2和数个钻头刀翼3组成，数个钻头刀翼3固定设置在钻头基体1上端，数个切削齿2通过销轴22设置在数个钻头刀翼3上；
聚晶金刚石复合片25固定设置在切削齿柱体21上端构成切削齿2，切削齿柱体21通过销轴22铰接在钻头刀翼3上，第一弹性体23和第二弹性体24分别设置在切削齿柱体21两侧，并与钻头刀翼3内壁相配合；
切削齿2的初始后倾角a为0°—10°，侧转角β为0°—15°；
切削齿2为超硬切削材料，为聚晶金刚石复合片或多晶金刚石片或硬质合金齿。
第二实施例：
请参阅图3、图4、图5和图6所示，本实施例是由钻头基体1、数个切削齿2和数个钻头刀翼3组成，数个钻头刀翼3固定设置在钻头基体1上端，数个切削齿2通过销轴22设置在数个钻头刀翼3上；
切削齿2的初始后倾角a为0°—10°，侧转角β为0°—15°；
切削齿2为超硬切削材料，为聚晶金刚石复合片或多晶金刚石片或硬质合金齿。
本发明的工作原理和过程：
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明仿生原型虎爪骨骼图，当虎捕食猎物时，它的前爪趾可以瞬间穿透猎物皮肉，但当趾尖触及猎物坚硬的骨骼遇阻时，爪的趾骨关节转动改变爪趾的弯曲角度，既能抓住猎物又能保护其爪趾不受损伤。根据其爪子这种自适应特性来设计仿生自适应PDC钻头。
在钻进过程中，聚晶金刚石复合片25切入岩石，受岩体反作用力，切削齿柱体21通过销轴22铰接在钻头刀翼3上，可在力的作用下在一定范围内转动，第一弹性体23与第二弹性体24具有一定的预紧力。在钻进硬岩地层时，切削齿柱体21受岩体作用力大于第一弹性体23的预紧力，切削齿2向后转动，压缩第一弹性体23，后倾角变大，聚晶金刚石复合片25受地层冲击力减弱，避免冲击受损，在钻进软岩地层时，切削齿2受岩体作用力小于第一弹性体23的预紧力，大于第二弹性体24的预紧力，第一弹性体23向前舒展，切削齿2向前转动，压缩第二弹性体24，后倾角变小，聚晶金刚石复合 片25更易切入岩石，完成高效碎岩。