CN104196456B - 一种具有交变切削轨迹的pdc钻头工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，属于钻探设备用破岩工具领域。本发明的具有交变切削轨迹的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上，所述摆线轴匹配于外壳体内可相对变轨迹偏心旋转，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。本发明所实现的交变切削轨迹运动可显著提高PDC钻头地层吃入能力，提高破岩效率，也有利于减缓切削齿的磨损速度，特别是深部难钻地层高硬度、高研磨性地层具有明显的技术优势。

Description

一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具

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钻头工具。

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CN201010229371.9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，提供一种具有交变切削轨迹的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：

本发明的具有交变切削轨迹的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上，所述摆线轴匹配于外壳体内可相对变轨迹偏心旋转，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。

由于采用了上述结构，偏心轴上偏心轴段与摆线轴匹配形成转动副，使偏心轴转动时，偏心轴段带动摆线轴相对于外壳体做变轨迹偏心旋转，从而带动PDC钻头做交变切削运动轨迹，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,有利于减缓切削齿的磨损速度；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。具体为：1、交变轨迹切削运动可有效提高钻头的破岩钻进效率。常规固定切削齿PDC钻头在井底的运动轨迹均为圆形，每颗齿都沿着各自固定的旋转轨迹做刮切运动，无论是现场钻头钻进和失效形式，还是室内可钻性实验都能够反映出PDC钻头在这一运动状态下的地层吃入能力影响着钻头的破岩效率，特别是在深部难钻地层，这一影响更为严重。而本专利可实现井底网状交变轨迹切削运动，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，进而有效提高钻头的破岩效率。2、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。常规固定齿PDC钻头在井底做圆轨迹切削运动时，其切削线速度方向、工作平面法线方向均固定不变（相对不变），也即切削齿的工作前角和刃倾角固定不变。一般情况下常规钻头的工作前角大小与切削结构前角相当（30°-10°），刃倾角则较小（一般在5°以内），在这种状态下的PDC钻头切削齿运动状态称为“负前角底刃切削”状态。当PDC钻头切削齿做交变轨迹切削运动时，切削齿的刃倾角的大小则在运动过程中始终变化（按正弦曲线规律变化）。当刃倾角大到一定程度时，切削齿与井底岩石的接触运动状态就变为“犁削”接触，这一切削状态的变化可有效提高钻头的攻击性，进而提高钻头的破岩效率。同时，刃倾角的变化是双向的，即改变常规切削齿的底刃切削为交变轨迹运动条件下切削齿的左右交替双刃切削，其效果是在增加切削齿耐磨寿命的同时，提高了切削齿的特殊自锐能力，进而提高钻头的工作性能。3、钻头的交变轨迹切削运动具有强制性。无论是牙轮-PDC复合钻头还是轮式复合金刚石钻头，均是固定齿切削结构和轮体转动切削结构复合而成，轮体的转动是通过与地层岩石的反作用力作为旋转动力，即为被动旋转运动。影响轮体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，因此轮体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，这时轮体就会被“卡住”不动。在室内实验中经常能够观察到轮体无法旋转的情况。本发明所提出的结构方案中，PDC钻头的非圆曲线自转运动动力来源于工具内部，与地层岩石的互作用力对其运动规律影响效果不大，因此能够保证PDC钻头实现规则的“交变轨迹切削运动”，其工作可靠性显著提高。本发明中井液循环是由钻柱系统内钻井液流体通过偏心轴的内孔道、摆线轴的内孔道，再经PDC钻头的内流道及喷嘴进入井下环空，进而建立钻井液循环系统，确保PDC钻头在产生交变切削轨迹的同时加注泥浆，保证PDC钻头的正常钻进。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述外壳体的内壁上均布有若干针齿组形成针轮结构，所述摆线轴的外壁上设有若干摆线齿，所述摆线齿与针轮结构相啮合构成啮合传动关系；或者所述外壳体的内壁上均布有若干轮齿，所述摆线轴的外壁上设有若干摆线齿，所述摆线齿与轮齿相啮合构成啮合传动关系。

由于采用了上述结构，在外壳体内设置与摆线轴相互配合的机构，例如与摆线轴外的摆线齿匹配的轮齿结构，或者如针轮结构，使本发明在驱动PDC钻头形成交变切削轨迹时，扭矩传递由两种传递方式共同作用产生，其一是由钻柱系统的旋转扭矩直接通过连接螺纹传递给外壳体，再通过其上的针齿组与摆线齿的齿轮副传递给摆线轴，进而通过连接螺纹传递给PDC钻头；其二是井下动力钻具（如螺杆钻具、涡轮钻具等）输出的扭矩经连接螺纹传递给偏心轴，再经偏心轴段的外圆柱面与摆线齿所形成的转动副和针齿组与摆线齿的齿轮副共同作用下传递给摆线轴，进而通过连接螺纹传递给PDC钻头；其中若干针齿组布置于外壳体的内壁上形成的针轮结构，其可形成类似于齿圈结构，任意两相邻的针齿组之间的间隙均可与摆线轴啮合，而其中针齿组的数量、摆线齿的齿数均可根据实际需要寻找动力传动比，便于进行动力扭矩的匹配与传递。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述针轮结构包括设于外壳体内壁上的若干轴向高度不同的针齿座，所述针齿座上配合有针齿组，使每组针齿座的轴向高度相同，其中所述针齿组包括配合于针齿座上的针齿销，所述针齿销上套设有针齿套。

由于采用了上述结构，在外壳体的内圆柱面上设置有至少2组轴向高度不同的针齿座，该针齿座与针齿销相配合，每组针齿座的轴向高度相同，在周向上均匀排布，从而确保配合形成的针轮结构的高度一致，且能够与摆线轴相互啮合，使偏心轴带动摆线轴进行变轨迹偏心旋转时，所述摆线轴外的摆线齿能够与针齿销上的针齿套贴合，并沿针齿组的方向旋转，保证摆线轴能正常地进行变轨迹偏心旋转。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述偏心轴螺纹连接于井下动力钻具输出端上，所述外壳体螺纹连接于钻柱系统末端上。

由于采用了上述结构，将偏心轴上的连接螺纹与石油钻井中钻柱系统的下部动力钻具（如螺杆钻具、涡轮钻具等）的输出端相连接，可向偏心轴提供其旋转的动力，同时确保偏心轴与外壳体之间能够产生相对转动。本发明中的扭矩传递由两种传递方式共同作用产生，其一是由钻柱系统的旋转扭矩直接通过连接螺纹传递给外壳体，再通过其上的针齿组与摆线齿的齿轮副传递给摆线轴，进而通过连接螺纹传递给PDC钻头；其二是井下动力钻具（如螺杆钻具、涡轮钻具等）输出的扭矩经连接螺纹传递给偏心轴，再经偏心轴段的外圆柱面与定位轴肩的下端面所形成的转动副和针齿组与摆线齿的齿轮副共同作用下传递给摆线轴，进而通过连接螺纹传递给PDC钻头。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述啮合传动关系中，所述偏心轴与摆线轴形成的传动比≥7:1，且所述偏心轴上偏心轴段的偏心距e≤6mm。

由于采用了上述结构，通过合理的匹配本实施例的几何学参数（摆线轴齿数、针齿齿数、偏心距等）和运动学参数（如偏心轴转速、外壳体转速等）可以使PDC钻头切削齿获得较为规则的井底交变切削运动轨迹，正是该特性可使PDC钻头提供一种交变切削运动轨迹，一方面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；三是钻头的交变轨迹切削运动具有“强制性”，可靠性高。本发明所实现的交变切削轨迹运动可显著提高PDC钻头地层吃入能力，提高破岩效率，也有利于减缓切削齿的磨损速度，特别是深部难钻地层高硬度、高研磨性地层具有明显的技术优势。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述啮合传动关系中，所述偏心轴与摆线轴形成的传动比为7，且所述偏心轴上偏心轴段的偏心距e为6mm。

由于采用了上述结构，在本发明中优选几何结构参数为：摆线轴、齿数为7，针齿组、齿数为8，偏心距e为6时，假设井下动力钻具转速为140转/分，钻柱系统转速为0转/分时，PDC钻头、上的单颗齿可实现如图18所示的运动轨迹；假设井下动力钻具转速为120转/分，钻柱系统转速为40转/分时（传动比i=3），PDC钻头上的单颗齿可实现如图19所示的运动轨迹；假设井下动力钻具转速为120转/分，钻柱系统转速为60转/分时（传动比i=2），PDC钻头上的单颗齿可实现如图20所示的运动轨迹；假设改变其中几何参数偏心距e为12，运动学参数井下动力钻具转速为120转/分，钻柱系统转速为60转/分时（传动比i=2），PDC钻头上的单颗齿可实现如图21所示的运动轨迹。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述外壳体上连接的下接头将摆线轴限制于外壳体内，所述下接头内设有偏心轴承，所述PDC钻头穿过下接头内的偏心轴承并螺纹连接于摆线轴的下端；所述偏心轴上设有偏心轴段和定位轴肩，其中偏心轴段与摆线轴的内腔之间设有向心推力轴承组，所述偏心轴的下端面与摆线轴之间设置有密封圈进行密封，所述定位轴肩与外壳体之间设有径向轴承。

由于采用了上述结构，在所述PDC钻头和下接头之间安装有偏心轴承，偏心轴承可以为滚针偏心轴承、滑动轴承，也可以为圆柱滚子轴承或双列圆锥滚子轴承，或调心滚子轴承，PDC钻头在变轨迹偏心旋转运动状态下为悬臂式结构，其结构刚度和力学稳定性均较常规PDC钻头的工作状态低。且增设偏心轴承，可以使“偏心轮-PDC钻头”机构变为双支撑结构，进而提高结构刚度和力学稳定性，达到较好的使用效果。在所述偏心轴的轴肩与外壳体内表面之间安装有径向轴承。特别地，推力轴承组是由轴承内圈、轴承外圈及滚动体所组成的不少于两TC型向心推力轴承的组合；径向轴承为滚针轴承或滑动轴承或滚滑复合轴承。由于PDC钻头的变轨迹偏心旋转使偏心轴和摆线轴承受了较大的径向不对称力，同时PDC钻头的钻压需由偏心轴传递给摆线轴进而传递给PDC钻头。因此在偏心轴与外壳体之间，偏心轴与摆线轴之间会产生较大的接触摩擦力，为减缓这种接触摩擦力对本实施例所述机械结构摩擦磨损的影响，增设推力轴承组和径向轴承以提高本实施例的工作稳定性和延长使用寿命。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述PDC钻头与下接头之间设有浮式密封结构，所述浮式密封结构包括浮动环、密封压盖和密封圈，其中在浮动环的轴向平面和径向平面上设置有密封圈，使PDC钻头与下接头之间形成密封，所述密封压盖连接于下接头上，所述浮动环位于密封压盖与下接头之间，且可随PDC钻头在下接头与密封压盖之间的空腔内变轨迹偏心旋转。

由于采用了上述结构，在浮动环的轴向和径向平面上设置有密封圈以实现PDC钻头与下接头之间的密封，同时浮动环可随着PDC钻头在下接头与密封压盖之间的空腔内变轨迹偏心旋转，即可实现“浮式密封”，从而确保PDC钻头与下接头之间既能发生相对的变轨迹偏心旋转，又能形成动密封，确保密封效果。使得本发明一方面应具有理想的润滑条件，另一方面应尽量避免外部钻井液中的硬质颗粒进入到运动副表面引起磨粒磨损，因此为提高本实施例的实用性和可靠性，设置密封机构十分必要。

本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，所述外壳体的外壁上均布有若干保径楞，所述保径楞的上表面设有若干被动耐磨齿和/或主动保径齿；所述PDC钻头上设有若干的刀翼结构，所述刀翼结构上布置有若干PDC齿。

由于采用了上述结构，外壳体的外圆柱面上设置有保径楞，该保径楞可以为直条状结构，也可以为螺旋状结构，其数量为两个或两个以上。PDC钻头做交变轨迹切削运动，其上的切削齿在一个回转周期内的切削量和切削载荷是始终变化的，因此给PDC钻头整体的力学稳定性造成了较大影响，因此加强保径结构的耐磨性能和保径能力显得尤为重要。在这种情况下通过本发明所提出的方案可有效降低因切削齿做交变轨迹切削运动，而对PDC钻头整体的钻进效果造成的负面影响。一方面被动耐摩齿可有效降低因钻头横向不平衡过高对钻头保径结构造成的过度磨损，并起到保护钻头本体结构的作用。同时具有较高耐磨性能的钻头保径结构，可为PDC钻头提供较好的扶正稳定能力，有利于提高钻头钻进性能。另一方面，本发明中的PDC钻头几何外径要比所钻井眼尺寸小，在钻头做交变轨迹切削运动条件下，单靠钻头体上的保径齿或规径齿往往难以满足钻井过程中对规整井壁的要求。因此，在发明中外壳体的保径楞上引入主动切削齿，可有效提高本实施例的保径能力，进而提高钻井质量和钻头钻进能力。其中本发明中所谓“主动切削齿”定义为切削齿在保径块上的固定方式为“切削齿工作面的法向线与切削齿所在位置点的稳定器径向线所夹角度较大”，一般情况下该角度不小于60°，该种情况下切削齿能以负前角吃入并刮切井壁，达到主动保径的效果；所谓“被动耐磨齿”定义为切削齿在扶正块上的固定方式为“切削齿工作面的法向线与切削齿所在位置点的稳定器径向线所夹角度较小”，该角度一般小于10°，该种情况下切削齿仅能以摩擦挤压方式保径，称之为被动保径。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、交变轨迹切削运动可有效提高钻头的破岩钻进效率。常规固定切削齿PDC钻头在井底的运动轨迹均为圆形，每颗齿都沿着各自固定的旋转轨迹做刮切运动，无论是现场钻头钻进和失效形式，还是室内可钻性实验都能够反映出PDC钻头在这一运动状态下的地层吃入能力影响着钻头的破岩效率，特别是在深部难钻地层，这一影响更为严重。而本专利可实现井底网状交变轨迹切削运动，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，进而有效提高钻头的破岩效率。

2、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。常规固定齿PDC钻头在井底做圆轨迹切削运动时，其切削线速度方向、工作平面法线方向均固定不变（相对不变），也即切削齿的工作前角和刃倾角固定不变。一般情况下常规钻头的工作前角大小与切削结构前角相当（30°-10°），刃倾角则较小（一般在5°以内），在这种状态下的PDC钻头切削齿运动状态称为“负前角底刃切削”状态。当PDC钻头切削齿做交变轨迹切削运动时，切削齿的刃倾角的大小则在运动过程中始终变化（按正弦曲线规律变化）。当刃倾角大到一定程度时，切削齿与井底岩石的接触运动状态就变为“犁削”接触，这一切削状态的变化可有效提高钻头的攻击性，进而提高钻头的破岩效率。同时，刃倾角的变化是双向的，即改变常规切削齿的底刃切削为交变轨迹运动条件下切削齿的左右交替双刃切削，其效果是在增加切削齿耐磨寿命的同时，提高了切削齿的特殊自锐能力，进而提高钻头的工作性能。

3、钻头的交变轨迹切削运动具有强制性。无论是牙轮-PDC复合钻头还是轮式复合金刚石钻头，均是固定齿切削结构和轮体转动切削结构复合而成，轮体的转动是通过与地层岩石的反作用力作为旋转动力，即为被动旋转运动。影响轮体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，因此轮体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，这时轮体就会被“卡住”不动。在室内实验中经常能够观察到轮体无法旋转的情况。本发明所提出的结构方案中，PDC钻头的非圆曲线自转运动动力来源于工具内部，与地层岩石的互作用力对其运动规律影响效果不大，因此能够保证PDC钻头实现规则的“交变轨迹切削运动”，其工作可靠性显著提高。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明中实施例1的三维装配图。

图2为本发明中实施例1的结构组成图。

图3为本发明中实施例1与钻柱系统的连接结构示意图。

图4为图1的A-A向剖视图。

图5为本发明中实施例1的偏心轴的结构图。

图6为本发明中实施例1的外壳体的结构图，该图所示部分被剖开以便展示其内部结构。

图7为本发明中实施例1的偏心轮的结构图，该图所示部分被剖开以便展示其内部结构。

图8为本发明中实施例1的下接头的结构图。

图9为本本发明中实施例1的PDC钻头的结构图。

图10为本发明中实施例2的三维装配图。

图11为本发明中实施例3的外壳体的内圆柱面上针齿座分布结构示意图。

图12为本发明中实施例4的结构组成图。

图13为本发明中实施例5的装配图。

图14为本发明中实施例6的装配图。

图15为本发明中实施例6的装配图中的I号局部视图。

图16为本发明中实施例6的装配图中的II号局部视图。

图17为本发明中实施例1的机构运动简图。

图18为本发明中实施例1的一种切削齿井底轨迹线。

图19为本发明中实施例1的第二种切削齿井底轨迹线。

图20为本发明中实施例1的第三种切削齿井底轨迹线。

图21为本发明中实施例1的第四种切削齿井底轨迹线。

图22是本发明中实施例7的结构示意图；

图23是本发明中实施例7中外壳体的结构图，该图所示部分被剖开以便展示其内部结构。

图中标记：1-偏心轴；2-外壳体；3-PDC钻头；4-摆线轴；5-针齿组；6-下接头；7-偏心轴承；8-井下动力钻具输出端；9-钻柱系统末端；10-向心推力轴承组；11-连接螺纹；12-偏心轴段；13-定位轴肩；15-径向轴承；16-密封圈；17-浮式密封结构；17a-浮动环； 17b-密封压盖；17c-紧固螺栓；17d-密封圈；17e-弹簧垫圈；21-保径楞；22-外壳体的上连接螺纹；23-外壳体的下连接螺纹；24-针齿座；25-外壳体的卸扣面；31-PDC钻头的连接螺纹；32-PDC钻头上的刀翼结构；33-刀翼结构上的PDC齿；41-摆线齿；42-偏心轮连接螺纹；43-外摆廓形线；1a-定位轴肩的外圆柱面；1b-定位轴肩的下端面；1c-偏心轴段的外圆柱面；1d-偏心轴的下端面、4a-摆线轴的上端面；4b-摆线轴的内圆柱面；4c-摆线轴的内端面；51-针齿销；52-针齿套；61-下接头的连接螺纹；62 -下接头的卸扣面；6a-上端面；6b-下端面；211-被动耐磨齿；212-主动保径齿。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

如图1至9所示，本发明的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，它由偏心轴1、外壳体2、PDC钻头3、摆线轴4、针齿组5、下接头6组成，针齿组5由若干的针齿销51和针齿套52组成。其中：

如图5所示，偏心轴1的一端设置有连接螺纹11，中部设置有定位轴肩13，偏心轴段12的几何中心与偏心轴本体的几何中心之间的中心距为e。

如图6所示，外壳体2的上下两端部分别设置有连接螺纹22和23。外圆柱面上设置有保径楞21，该保径楞21可以为直条状结构，也可以为螺旋状结构，其数量为两个或两个以上。在外壳体2的上端部设置有轴向卸扣面25，该卸扣面为成对且对称布置。在外壳体2的内圆柱面上设置有至少2组轴向高度不同的针齿座24，该针齿座与针齿销5相配合，每组针齿座的轴向高度相同，在周向上均匀排布。

如图7所示，摆线轴4的下端部设置有连接螺纹42，其外圆柱面上设置有摆线齿41，其齿数由本发明输出的传动比和针齿销5的数量确定，其内部为阶梯孔道结构。

如图8所示，下接头6的一端设置有连接螺纹61，外圆柱面上设置有卸扣面62，该卸扣面为成对且对称布置，内部为直孔或阶梯孔道结构。

如图9所示，PDC钻头3与常规PDC钻头基本相同，其一端有连接螺纹31，另一端的切削结构上设置有若干刀翼32，在刀翼32上固定有若干PDC齿33。

本实施例中所涉及的各零部件的装配关系为：偏心轴1上的连接螺纹14与石油钻井中钻柱系统的下部动力钻具（如螺杆钻具、涡轮钻具等）的输出端8相连接。偏心轴段12插入到摆线轴的内孔道中并形成转动副，定位轴肩13的外圆柱面与外壳体2的内圆柱面形成转动副，并形成定位关系。外壳体2上连接螺纹22与钻柱系统末端9连接固定，下连接螺纹23与下接头6的连接螺纹61相连接固定。针齿销51与针齿套52以及针齿销51与针齿座24两两配合形成针轮结构，摆线轴4上的摆线齿41与上述针轮结构相配合，并形成啮合关系。其中，针齿组5的轴向定位是通过定位轴肩13的下端面1b和下接头6的上端面6a实现的。PDC钻头3通过其上的连接螺纹31与摆线轴4下部的连接螺纹42相连接固定。

在本实施例中如使该PDC钻头工具能够正常工作（持续钻进破岩），需满足三个条件，一是能够持续传递钻压给PDC钻头、二是持续传递扭矩给PDC钻头，三是能够建立钻井液循环通路。本实施例中的钻压传递方式是来自钻柱系统钻压经连接螺纹14传递给偏心轴1，经偏心轴的1b面传递给摆线轴4的4a面，再经连接螺纹42及其端面传递给PDC钻头3；或经偏心轴的1d面传递给摆线轴4的4c面，再经连接螺纹42及其端面传递给PDC钻头3，进而实现本实施例的钻压传递。本实施例中的扭矩传递由两种传递方式共同作用产生，其一是由钻柱系统的旋转扭矩直接通过连接螺纹22传递给外壳体2，再通过其上的针齿组5与摆线齿41的齿轮副传递给摆线轴4，进而通过连接螺纹42传递给PDC钻头3；其二是井下动力钻具（如螺杆钻具、涡轮钻具等）输出的扭矩经连接螺纹14传递给偏心轴1，再经1c面与4b面所形成的转动副和针齿组5与摆线齿41的齿轮副共同作用下传递给摆线轴4，进而通过连接螺纹42传递给PDC钻头3。本实施例中的钻井液循环是由钻柱系统内钻井液流体通过偏心轴1的内孔道、摆线轴4的内孔道，再经PDC钻头的内流道及喷嘴进入井下环空，进而建立钻井液循环系统。

下面就本实施例所具有的“交变切削轨迹”特性做进一步分析。

如图17为本实施例的机构运动简图，设偏心轴1与摆线轴4间的传动比为i’，偏心轴段的偏心距为e。分别取本实施例的几何结构参数：摆线轴1齿数为7，针齿组5齿数为8，偏心距e为6时，假设井下动力钻具转速为140转/分，钻柱系统转速为0转/分时，PDC钻头3上的单颗齿33可实现如图18所示的运动轨迹；假设井下动力钻具转速为120转/分，钻柱系统转速为40转/分时（传动比i=3），PDC钻头3上的单颗齿33可实现如图19所示的运动轨迹；假设井下动力钻具转速为120转/分，钻柱系统转速为60转/分时（传动比i=2），PDC钻头3上的单颗齿33可实现如图20所示的运动轨迹；假设改变本实施例中几何参数偏心距e为12，运动学参数井下动力钻具转速为120转/分，钻柱系统转速为60转/分时（传动比i=2），PDC钻头3上的单颗齿33可实现如图21所示的运动轨迹。从上述本实施例的运动学轨迹分析可知，通过合理的匹配本实施例的几何学参数（摆线轴齿数、针齿齿数、偏心距等）和运动学参数（如偏心轴转速、外壳体转速等）可以使PDC钻头切削齿获得较为规则的井底交变切削运动轨迹，正是该特性可使PDC钻头获得如本发明专利中“发明内容”所提及的有益效果。因此，本发明所实现的交变切削轨迹运动可显著提高PDC钻头地层吃入能力，提高破岩效率，也有利于减缓切削齿的磨损速度，特别是深部难钻地层高硬度、高研磨性地层具有明显的技术优势。其中i为井下动力钻具和钻柱系统的传动比，i‘为偏心轴4与摆线轮41之间的传动比。

实施例2：

如图10所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：在所述保径楞21上固定有被动耐磨齿211或主动切削齿212，或同时固定有被动耐摩齿211和主动切削齿212。

常规PDC钻头在理想钻井条件下（这里“理想钻井条件”是指PDC钻头在钻进破岩过程中，钻头回转中心与井眼轨迹中心重合或近似重合的工作状态下）切削齿在一个回转周期内的切削量和切削载荷变化不大，因此其力学稳定性较好（在理想钻井条件下，多数PDC钻头的横向不平衡力与轴向力的比值可以控制在5%的水平以内）。

而在本实施例中，PDC钻头做交变轨迹切削运动，其上的切削齿在一个回转周期内的切削量和切削载荷是始终变化的，因此给PDC钻头整体的力学稳定性造成了较大影响，因此加强本实施例中的保径结构的耐磨性能和保径能力显得尤为重要。在这种情况下通过本实施例所提出的方案可有效降低因切削齿做交变轨迹切削运动而对PDC钻头整体的钻进效果造成的负面影响。一方面被动耐摩齿可有效降低因钻头横向不平衡过高对钻头保径结构造成的过度磨损，并起到保护钻头本体结构的作用。同时具有较高耐磨性能的钻头保径结构可为PDC钻头提供较好的扶正稳定能力，有利于提高钻头钻进性能。另一方面，主本实施例中的PDC钻头几何外径要比所钻井眼尺寸小，在钻头做交变轨迹切削运动条件下，单靠钻头体上的保径齿或规径齿往往难以满足钻井过程中对规整井壁的要求。因此，在本实施例中外壳体的保径楞上引入主动切削齿，可有效提高本实施例的保径能力，进而提高钻井质量和钻头钻进能力。

在本实施例中，所谓“主动切削齿”定义为切削齿在保径块上的固定方式为“切削齿工作面的法向线与切削齿所在位置点的稳定器径向线所夹角度较大”，一般情况下该角度不小于60°，该种情况下切削齿能以负前角吃入并刮切井壁，达到主动保径的效果；所谓“被动耐磨齿”定义为切削齿在扶正块上的固定方式为“切削齿工作面的法向线与切削齿所在位置点的稳定器径向线所夹角度较小”，该角度一般小于10°，该种情况下切削齿仅能以摩擦挤压方式保径，称之为被动保径。

实施例3：

如图11所示，本实施例与实施例2基本相同，其区别在于：在外壳体2内圆柱面上轴向垂直排布着三列或三列以上的针齿座24。

在本实施例中，由于PDC钻头直接与摆线轴相连接，所承受的载荷包括轴向压力、扭矩以及弯矩等，特别是在硬地层或不均质地层钻进条件下，PDC钻头的瞬时冲击载荷非常高。因此在本实施例中摆线轴与针齿组间啮合力的径向载荷波动较大，轴向载荷的分布不均匀性也很大，为提高针齿在啮合传动中的稳定性和可靠性，特设置三列或三列以上的针齿座，并用以支撑针齿销及针齿套。

实施例4：

如图12所示，本实施例与实施例3基本相同，其区别在于：在所述PDC钻头3和下接头6之间安装有偏心轴承7。偏心轴承7可以为滚针偏心轴承、滑动轴承，也可以为圆柱滚子轴承或双列圆锥滚子轴承，或调心滚子轴承。

由于本实施例中，PDC钻头3在变轨迹偏心旋转运动状态下为悬臂式结构，其结构刚度和力学稳定性均较常规PDC钻头的工作状态低。在本实施例中引入偏心轴承7，可以使“偏心轮-PDC钻头”机构变为双支撑结构，进而提高本实施例的结构刚度和力学稳定性，达到较好的实用效果。

实施例5：

如图13所示，本实施例与实施例4基本相同，其区别在于：在所述偏心轴2的偏心轴段12与摆线轴4内表面4b之间安装有推力轴承组10；在所述偏心轴1的轴肩13与外壳体2内表面之间安装有径向轴承15。特别地，推力轴承组10是由轴承内圈、轴承外圈及滚动体所组成的不少于2两TC型向心推力轴承的组合；径向轴承15为滚针轴承或滑动轴承或滚滑复合轴承。

在本实施例中，由于PDC钻头的变轨迹偏心旋转使偏心轴和摆线轴承受了较大的径向不对称力，同时PDC钻头的钻压需由偏心轴传递给摆线轴进而传递给PDC钻头。因此在偏心轴与外壳体之间，偏心轴与摆线轴之间会产生较大的接触摩擦力，为减缓这种接触摩擦力对本实施例所述机械结构摩擦磨损的影响，特引入本实施例所述的推力轴承组10和径向轴承15以提高本实施例的工作稳定性和延长使用寿命。

实施例6：

如图14、图15和图16所示，本实施例与实施例5基本相同，其区别在于：在所述偏心轴1的偏心轴段12下端面1d与摆线轴4的端面4c之间设置有密封圈16；在下接头6与PDC钻头3之间设置有浮式密封结构17。

在本实施例中，分别设置有推力轴承组10、径向轴承15以及摆线针齿轮啮合机构，这些机构或构件在工作过中对工作环境要求较高。一方面应具有理想的润滑条件，另一方面应尽量避免外部钻井液中的硬质颗粒进入到运动副表面引起磨粒磨损，因此为提高本实施例的实用性和可靠性，设置密封机构十分必要。

在本实施例中，浮式密封结构17由浮动环17a，密封压盖17b，紧固螺栓17c，密封圈17d和17e弹簧垫圈等组成。在浮动环17a的轴向和径向平面上设置有密封圈以实现PDC钻头与下接头之间的密封，同时浮动环可随着PDC钻头在下接头与密封压盖之间的空腔内变轨迹偏心旋转，即可实现“浮式密封”。

实施例7：

如图22和23所示，该实施例与上述实施例相同，其不同之处在于：将外壳体内壁上布置的针轮机构，替换为本实施例的若干轮齿20，该轮齿20设于外壳体内壁上可与摆线轴4外壁上的摆线齿41相啮合，用于传递动力扭矩。当然根据该实例可知，针轮结构还可以采用其它类似功能的齿圈结构、行星轮机构等，可用于匹配和传递动力即可。

通过上述实施例可知，本发明的具有交变切削轨迹的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，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,有利于减缓切削齿的磨损速度；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。具体为：第一、交变轨迹切削运动可有效提高钻头的破岩钻进效率。常规固定切削齿PDC钻头在井底的运动轨迹均为圆形，每颗齿都沿着各自固定的旋转轨迹做刮切运动，无论是现场钻头钻进和失效形式，还是室内可钻性实验都能够反映出PDC钻头在这一运动状态下的地层吃入能力影响着钻头的破岩效率，特别是在深部难钻地层，这一影响更为严重。而本专利可实现井底网状交变轨迹切削运动，有利于切削齿对岩石的有效吃入，有利于岩石的破碎，进而有效提高钻头的破岩效率。第二、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。常规固定齿PDC钻头在井底做圆轨迹切削运动时，其切削线速度方向、工作平面法线方向均固定不变（相对不变），也即切削齿的工作前角和刃倾角固定不变。一般情况下常规钻头的工作前角大小与切削结构前角相当（30°-10°），刃倾角则较小（一般在5°以内），在这种状态下的PDC钻头切削齿运动状态称为“负前角底刃切削”状态。当PDC钻头切削齿做交变轨迹切削运动时，切削齿的刃倾角的大小则在运动过程中始终变化（按正弦曲线规律变化）。当刃倾角大到一定程度时，切削齿与井底岩石的接触运动状态就变为“犁削”接触，这一切削状态的变化可有效提高钻头的攻击性，进而提高钻头的破岩效率。同时，刃倾角的变化是双向的，即改变常规切削齿的底刃切削为交变轨迹运动条件下切削齿的左右交替双刃切削，其效果是在增加切削齿耐磨寿命的同时，提高了切削齿的特殊自锐能力，进而提高钻头的工作性能。第三、钻头的交变轨迹切削运动具有强制性。无论是牙轮-PDC复合钻头还是轮式复合金刚石钻头，均是固定齿切削结构和轮体转动切削结构复合而成，轮体的转动是通过与地层岩石的反作用力作为旋转动力，即为被动旋转运动。影响轮体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，因此轮体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，这时轮体就会被“卡住”不动。在室内实验中经常能够观察到轮体无法旋转的情况。本发明所提出的结构方案中，PDC钻头的非圆曲线自转运动动力来源于工具内部，与地层岩石的互作用力对其运动规律影响效果不大，因此能够保证PDC钻头实现规则的“交变轨迹切削运动”，其工作可靠性显著提高。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (12)

1.一种具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：它包括偏心轴（1）、外壳体（2）、PDC钻头（3）和摆线轴（4），所述PDC钻头（3）固定连接于摆线轴（4）上，所述摆线轴（4）匹配于外壳体（2）内可相对变轨迹偏心旋转，所述偏心轴（1）上设置的偏心轴段（12）匹配于摆线轴（4）的内腔中形成转动副，所述偏心轴（1）的内流道、摆线轴（4）的内流道与PDC钻头（3）的内流道连通。

2.如权利要求1所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述外壳体（2）的内壁上均布有若干针齿组（5）形成针轮结构，所述摆线轴（4）的外壁上设有若干摆线齿（41），所述摆线齿（41）与针轮结构相啮合构成啮合传动关系；或者所述外壳体（2）的内壁上均布有若干轮齿（20），所述摆线轴（4）的外壁上设有若干摆线齿（41），所述摆线齿（41）与轮齿（20）相啮合构成啮合传动关系。

3.如权利要求2所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述针轮结构包括设于外壳体（2）内壁上的若干轴向高度不同的针齿座（24），所述针齿座（24）上配合有针齿组（5），使每组针齿座（24）的轴向高度相同，其中所述针齿组（5）包括配合于针齿座（24）上的针齿销（51），所述针齿销（51）上套设有针齿套（52）。

4.如权利要求3所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述啮合传动关系中，所述偏心轴（1）与摆线轴（4）形成的传动比≥7:1，且所述偏心轴（1）上偏心轴段（12）的偏心距e≤6mm。

5.如权利要求2或3或4所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述偏心轴（1）螺纹连接于井下动力钻具输出端（8）上，所述外壳体（2）螺纹连接于钻柱系统末端（9）上。

6.如权利要求5所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述啮合传动关系中，所述偏心轴（1）与摆线轴（4）形成的传动比为7，且所述偏心轴（1）上偏心轴段（12）的偏心距e为6mm。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述外壳体（2）上连接的下接头（6）将摆线轴（4）限制于外壳体（2）内，所述下接头（6）内设有偏心轴承（7），所述PDC钻头（3）穿过下接头（6）内的偏心轴承（7）并螺纹连接于摆线轴（4）的下端。

8.如权利要求7所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述PDC钻头（3）与下接头（6）之间设有浮式密封结构（17），所述浮式密封结构（17）包括浮动环（17a）、密封压盖（17b）和密封圈（17d），其中在浮动环（17a）的轴向平面和径向平面上设置有密封圈（17d），使PDC钻头（3）与下接头（6）之间形成密封，所述密封压盖（17b）连接于下接头（6）上，所述浮动环（17a）位于密封压盖（17b）与下接头（6）之间，且可随PDC钻头（3）在下接头（6）与密封压盖（17b）之间的空腔内变轨迹偏心旋转。

9.如权利要求1或2或3或4或6所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述PDC钻头（3）与下接头（6）之间设有浮式密封结构（17），所述浮式密封结构（17）包括浮动环（17a）、密封压盖（17b）和密封圈（17d），其中在浮动环（17a）的轴向平面和径向平面上设置有密封圈（17d），使PDC钻头（3）与下接头（6）之间形成密封，所述密封压盖（17b）连接于下接头（6）上，所述浮动环（17a）位于密封压盖（17b）与下接头（6）之间，且可随PDC钻头（3）在下接头（6）与密封压盖（17b）之间的空腔内变轨迹偏心旋转。

10.如权利要求1或2或3或4或6或8所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述偏心轴（1）上设有偏心轴段（12）和定位轴肩（13），其中偏心轴段（12）与摆线轴（4）的内腔之间设有向心推力轴承组（10），所述偏心轴的下端面与摆线轴（4）之间设置有密封圈（16）进行密封，所述定位轴肩（13）与外壳体（2）之间设有径向轴承（15）。

11.如权利要求10所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述外壳体（2）的外壁上均布有若干保径楞（21），所述保径楞（21）上设有若干被动耐磨齿（211）和/或主动保径齿（212）；所述PDC钻头（3）上设有若干的刀翼结构，所述刀翼结构上布置有若干PDC齿。

12.如权利要求1或2或3或4或6或8所述的具有交变切削轨迹的PDC钻头工具，其特征在于：所述外壳体（2）的外壁上均布有若干保径楞（21），所述保径楞（21）上设有若干被动耐磨齿（211）和/或主动保径齿（212）；所述PDC钻头（3）上设有若干的刀翼结构，所述刀翼结构上布置有若干PDC齿。