一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头及使用方法

摘要

本发明涉及石油钻井用钻头技术领域，特别公开了一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头及使用方法，其技术方案是：包括钻头本体、长刀翼、短刀翼、齿柱和保径齿，钻头本体顶部开有带有螺纹的出液孔，钻头本体底部开有阶梯式圆槽，钻头本体上还设置有切削副齿组件、固定调节机构和连接件。其有益效果是：本发明通过在传统的多刀翼PDC钻头基础上增设切削副齿组件，提高钻头破岩效率的同时减少主齿复合片磨损，切削副齿组件中的复合片可转动，钻进过程中用复合片与地层之间形成切向力驱动复合片旋转，减少了切削副齿组件的复合片磨损，提高了切削副齿组件耐用性，且切削副齿组件可通过转动柱调节收入钻头中。

权利要求

1.一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，包括钻头本体（1）、长刀翼（2）、短刀翼（3）、齿柱（4）和保径齿（5），其特征在于：所述长刀翼（2）设置有三组，所述短刀翼（3）设置有两组，所述长刀翼（2）和短刀翼（3）在钻头本体（1）上沿顺时针方向按长刀翼（2）、短刀翼（3）、长刀翼（2）、长刀翼（2）、短刀翼（3）的顺序依次固定，所述齿柱（4）设置有多组，多组所述齿柱（4）在长刀翼（2）和短刀翼（3）上沿切削方向焊接固定，所述保径齿（5）设置有多组，多组所述保径齿（5）均固定连接在长刀翼（2）和短刀翼（3）侧壁上，所述钻头本体（1）顶部开有七组带有螺纹的出液孔，所述钻头本体（1）底部开有阶梯式圆槽（6），所述钻头本体（1）上还设置有切削副齿组件（7）、固定调节机构（8）和连接件（9）；

所述切削副齿组件（7）包括固定盘（10）和固定柱（11），所述固定柱（11）设置有八组，八组所述固定柱（11）均固定连接在固定盘（10）顶部，所述固定盘（10）底部中心开有螺纹槽；

所述切削副齿组件（7）还包括齿筒（12）和转动柱（13），所述长刀翼（2）与短刀翼（3）顶部均开有贯通钻头本体（1）的活动槽，所述长刀翼（2）顶部活动槽数量为两组，所述短刀翼（3）顶部活动槽数量为一组，八组所述固定柱（11）在固定盘（10）顶部位置分别与各组活动槽位置正对，所述齿筒（12）和转动柱（13）均设置有八组，八组所述转动柱（13）分别与八组齿筒（12）转动连接并且贯穿齿筒（12），八组所述齿筒（12）分别固定连接在八组固定柱（11）顶部的弧形凹槽内，八组所述固定柱（11）分别插入对应的活动槽中，所述转动柱（13）与齿柱（4）顺切削方向的一侧均固定连接有聚晶金刚石复合片（14）；

所述固定调节机构（8）包括密封盘（15）、密封圈（16）、垫圈（17）、导流管（18）和调节柱（19），所述密封圈（16）设置在阶梯式圆槽（6）梯台处，所述密封圈（16）位于固定盘（10）下方，所述密封盘（15）位于密封圈（16）下方，所述固定盘（10）以及密封盘（15）上与钻头本体（1）的出液孔位置对应处均开有开孔，所述密封盘（15）的开孔底部开有密封槽，所述导流管（18）与调节柱（19）顶部攻有外螺纹，所述导流管（18）和垫圈（17）均设置有七组，七组所述垫圈（17）分别与七组导流管（18）固定连接，七组所述导流管（18）分别穿过固定盘（10）和密封盘（15）上位置对应的各组开孔并且与相应的出液孔螺纹连接，所述垫圈（17）紧抵密封槽，所述密封盘（15）紧抵密封圈（16），所述调节柱（19）转动连接在密封盘（15）中心并且贯穿密封盘（15），所述调节柱（19）与固定盘（10）螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，其特征在于：所述连接件（9）包括连接筒（20）和锥管螺纹接头（21），所述锥管螺纹接头（21）固定连接在连接筒（20）底部，所述连接筒（20）固定连接在钻头本体（1）底部。

3.根据权利要求1所述的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，其特征在于：所述钻头本体（1）的出液孔顶端螺纹连接有喷嘴（22），所述喷嘴（22）为硬合金喷嘴。

4.根据权利要求1所述的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，其特征在于：所述固定柱（11）长度与活动槽深度相等，所述齿筒（12）与齿柱（4）位置交错。

5.根据权利要求1所述的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，其特征在于：所述密封圈（16）为橡胶材质，所述垫圈（17）为不锈钢材质，所述密封盘（15）到阶梯式圆槽（6）与固定盘（10）厚度之差为齿筒（12）半径的1/2，所述固定盘（10）和密封盘（15）分别与阶梯型圆槽上下两部分槽型契合，所述调节柱（19）底部开有六边形开槽，所述导流管（18）底部为六角帽形。

6.根据权利要求2所述的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，其特征在于：所述连接筒（20）、锥管螺纹接头（21）、固定盘（10）与钻头本体（1）轴线重合，所述连接筒（20）半径小于钻头本体（1）半径。

7.如权利要求1‑6中任一项所述具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，将钻头本体（1）倒立，手持固定盘（10），先将各组固定柱（11）与各组活动槽位置对准，再将各组固定柱（11）插入对应的活动槽；

S2，将密封圈（16）放置在阶梯式圆槽（6）的梯台上，将密封盘（15）放入阶梯式圆槽（6），此时调节柱（19）将密封盘（15）顶起，调节柱（19）正对固定盘（10）的螺纹槽，用T形六角扳手转动调节柱（19），使调节柱（19）与固定盘（10）螺纹连接，固定盘（10）与密封盘（15）紧贴，密封盘（15）与密封圈贴合，拨动密封盘（15），使密封盘（15）与固定盘（10）的开孔正对，将各组导流管（18）分别插入各组开孔，用T形六角套筒扳手转动各组导流管（18），使导流管（18）旋入对应出液孔，垫圈（17）与密封槽紧抵，密封盘（15）与密封圈（16）紧抵；

S3，将连接筒（20）与钻头本体（1）焊接固定，在出液孔端部旋入喷嘴（22）；

S4，根据使用需求，将T形六角扳手穿过锥管螺纹接头（21）和连接筒（20）对调节柱（19）进行转动，使齿筒（12）伸出或收入活动槽，再用锥管螺纹接头（21）将钻头安装在钻杆上，可进行钻井作业。

说明书

一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头及使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油钻井用钻头技术领域，特别涉及一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头及使用方法。

背景技术

[0002] 在石油钻井中，多刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，也称多刀翼PDC钻头，是用薄圆片状聚晶金刚石做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上的多个刀翼而形成的，因为其具有
优异的抗研磨和抗冲击能力，在地质钻探、石油钻井领域被广泛应用。其中，五刀翼PDC钻头
是PDC钻头的常用的一种，主要用于对坚硬地层的钻进。

[0003] 现有的五刀翼PDC钻头大多由五组刀翼、刚齿柱和复合片组成，结构简单，在坚硬岩石层钻进时复合片磨损较快，并且破岩效率较低，这就造成钻井过程中经常需要更换钻
头，一方面造成时间的浪费，二方面增加了钻头的使用成本，增加了钻井的成本。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头及使用方法，以解决上述背景技术中提出的钻头磨损较快且破岩效率低的问题。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，包括钻头本体、长刀翼、短刀翼、齿柱和保径齿，所述长刀翼设置有三组，所述短刀
翼设置有两组，所述长刀翼和短刀翼在钻头本体上沿顺时针方向按长刀翼、短刀翼、长刀
翼、长刀翼、短刀翼的顺序依次固定，所述齿柱设置有多组，多组所述齿柱在长刀翼和短刀
翼上沿切削方向焊接固定，所述保径齿设置有多组，多组所述保径齿均固定连接在长刀翼
和短刀翼侧壁上，所述钻头本体顶部开有七组带有螺纹的出液孔，所述钻头本体底部开有
阶梯式圆槽，所述钻头本体上还设置有切削副齿组件、固定调节机构和连接件；

[0006] 所述切削副齿组件包括固定盘和固定柱，所述固定柱设置有八组，八组所述固定柱均固定连接在固定盘顶部，所述固定盘底部中心开有螺纹槽。

[0007] 优选的，所述切削副齿组件还包括齿筒和转动柱，所述长刀翼与短刀翼顶部均开有贯通钻头本体的活动槽，所述长刀翼顶部活动槽数量为两组，所述短刀翼顶部活动槽数
量为一组，八组所述固定柱在固定盘顶部位置分别与各组活动槽位置正对，所述齿筒和转
动柱均设置有八组，八组所述转动柱分别与八组齿筒转动连接并且贯穿齿筒，八组所述齿
筒分别固定连接在八组固定柱顶部的弧形凹槽内，八组所述固定柱分别插入对应的活动槽
中，所述转动柱与齿柱顺切削方向的一侧均固定连接有聚晶金刚石复合片。

[0008] 优选的，所述固定调节机构包括密封盘、密封圈、垫圈、导流管和调节柱，所述密封圈设置在阶梯式圆槽梯台处，所述密封圈位于固定盘下方，所述密封盘位于密封圈下方，所
述固定盘以及密封盘上与钻头本体的出液孔位置对应处均开有开孔，所述密封盘的开孔底
部开有密封槽，所述导流管与调节柱顶部攻有外螺纹，所述导流管和垫圈均设置有七组，七
组所述垫圈分别与七组导流管固定连接，七组所述导流管分别穿过固定盘和密封盘上位置
对应的各组开孔并且与相应的出液孔螺纹连接，所述垫圈紧抵密封槽，所述密封盘紧抵密
封圈，所述调节柱转动连接在密封盘中心并且贯穿密封盘，所述调节柱与固定盘螺纹连接。

[0009] 优选的，所述连接件包括连接筒和锥管螺纹接头，所述锥管螺纹接头固定连接在连接筒底部，所述连接筒固定连接在钻头本体底部。

[0010] 优选的，所述钻头本体的出液孔顶端螺纹连接有喷嘴，所述喷嘴为硬合金喷嘴。

[0011] 优选的，所述固定柱长度与活动槽深度相等，所述齿筒与齿柱位置交错。

[0012] 优选的，所述密封圈为橡胶材质，所述垫圈为不锈钢材质，所述密封盘到阶梯式圆槽槽面距离与固定盘厚度之差为齿筒半径的1/2，所述固定盘和密封盘分别与阶梯型圆槽
上下两部分槽型契合，所述调节柱底部开有六边形开槽，所述导流管底部为六角帽形。

[0013] 优选的，所述连接筒、锥管螺纹接头、固定盘与钻头本体轴线重合，所述连接筒半径小于钻头本体半径。

[0014] 本发明提到的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头的使用方法，具体包括以下步骤：

[0015] S1，将钻头本体倒立，手持固定盘，先将各组固定柱与各组活动槽位置对准，再将各组固定柱插入对应的活动槽;

[0016] S2，将密封圈放置在阶梯式圆槽的梯台上，将密封盘放入阶梯式圆槽，此时调节柱将密封盘顶起，调节柱正对固定盘的螺纹槽，用T形六角扳手转动调节柱，使调节柱与固定
盘螺纹连接，固定盘与密封盘紧贴，密封盘与密封圈贴合，拨动密封盘，使密封盘与固定盘
的开孔正对，将各组导流管分别插入各组开孔，用T形六角套筒扳手转动各组导流管，使导
流管旋入对应出液孔，垫圈与密封槽紧抵，密封盘与密封圈紧抵;

[0017] S3，将连接筒与钻头本体焊接固定，在出液孔端部旋入喷嘴;

[0018] S4，根据使用需求，将T形六角扳手穿过锥管螺纹接头和连接筒对调节柱进行转动，使齿筒伸出或收入活动槽，再用锥管螺纹接头将钻头安装在钻杆上，可进行钻井作业。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在传统五刀翼PDC钻头的基础上增设切削副齿组件，进一步提高钻头破岩效率，提升钻进速度，同时减少主齿复合片磨损，提
高钻头使用寿命，切削副齿组件的复合片可转动，钻进过程中用复合片与地层之间形成切
向力驱动复合片旋转，减少切削副齿组件的复合片磨损，提高切削副齿组件的耐用性，切削
副齿组件可通过转动柱调节收入钻头中，在对非坚硬地层钻井时可收入切削副齿组件，减
小旋转阻力，提高钻进速度，使用灵活，钻头整体为组装式，便于生产。

附图说明

[0020] 图1为本发明的拆解结构示意图；

[0021] 图2为本发明的剖视结构示意图；

[0022] 图3为本发明的俯视结构示意图；

[0023] 图4为本发明的仰视结构示意图；

[0024] 图5为切削副齿组件收起后的状态示意图；

[0025] 图6为切削副齿组件伸出状态的结构示意图；

[0026] 图7为实施例1中的固定柱和齿筒的连接放大示意图；

[0027] 图8为实施例3中的固定柱和齿筒的连接放大示意图；

[0028] 图中：1钻头本体、2长刀翼、3短刀翼、4齿柱、5保径齿、6阶梯式圆槽、7切削副齿组件、8固定调节机构、9连接件、10固定盘、11固定柱、12齿筒、13转动柱、14聚晶金刚石复合
片、15密封盘、16密封圈、17垫圈、18导流管、19调节柱、20连接筒、21锥管螺纹接头、22喷嘴。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0030] 实施例1，参照图1‑7，本发明提供了一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，在使用的过程中可以有效的提高在坚硬岩层中的破岩效率，减少主齿复合片的磨损，包括
钻头本体1、长刀翼2、短刀翼3、齿柱4、保径齿5、切削副齿组件7、固定调节机构8和连接件9；

[0031] 长刀翼2设置有三组，短刀翼3设置有两组，长刀翼2和短刀翼3在钻头本体1上沿顺时针方向按长刀翼2、短刀翼3、长刀翼2、长刀翼2、短刀翼3的顺序依次固定，齿柱4设置有多
组，多组齿柱4在长刀翼2和短刀翼3上沿切削方向焊接固定，保径齿5设置有多组，多组保径
齿5均固定连接在长刀翼2和短刀翼3侧壁上，钻头本体1顶部开有七组带有螺纹的出液孔，
钻头本体1底部开有阶梯式圆槽6；

[0032] 进一步的，切削副齿组件7还包括齿筒12和转动柱13，长刀翼2与短刀翼3顶部均开有贯通钻头本体1的活动槽，长刀翼2顶部活动槽数量为两组，短刀翼3顶部活动槽数量为一
组，八组固定柱11在固定盘10顶部位置分别与各组活动槽位置正对，齿筒12和转动柱13均
设置有八组，八组转动柱13分别与八组齿筒12转动连接并且贯穿齿筒12，八组齿筒12分别
固定连接在八组固定柱11顶部，固定柱11顶部为弧形凹槽内，将齿筒12和转动柱13包裹在
弧形凹槽内部，八组固定柱11分别插入对应的活动槽中，转动柱13与齿柱4顺切削方向的一
侧均固定连接有聚晶金刚石复合片14，固定柱11长度与阶梯式圆槽6的深度相等，齿筒12与
齿柱4位置交错，提高钻头破岩效率，使钻头破岩更全面；

[0033] 进一步的，固定调节机构8包括密封盘15、密封圈16、垫圈17、导流管18和调节柱19，密封圈16设置在阶梯式圆槽6梯台处，密封圈16位于固定盘10下方，密封盘15位于密封
圈16下方，固定盘10以及密封盘15上与钻头本体1的出液孔位置对应处均开有开孔，密封盘
15的开孔底部开有密封槽，导流管18与调节柱19顶部攻有外螺纹，导流管18和垫圈17均设
置有七组，七组垫圈17分别与七组导流管18固定连接，七组导流管18分别穿过固定盘10和
密封盘15上位置对应的各组开孔并且与相应的出液孔螺纹连接，垫圈17紧抵密封槽，密封
盘15紧抵密封圈16，调节柱19转动连接在密封盘15中心并且贯穿密封盘15，调节柱19与固
定盘10螺纹连接，密封圈16为橡胶材质，垫圈17为不锈钢材质，密封盘15到阶梯式圆槽6与
固定盘10厚度之差为齿筒12半径的1/2，固定盘10和密封盘15分别与阶梯型圆槽上下两部
分槽型契合，调节柱19底部开有六边形开槽，导流管18底部为六角帽形，更具体地，导流管
18和密封盘15将钻井液与切削副齿组件7所在腔室隔离，防止钻头钻进过程中产生的细碎
砂石随钻井液进入钻头内切削副齿组件7所在处堆积，影响切削副齿组件7的调节精度，开
有六边形开槽的调节柱19可用T形六角扳手转动，六角帽形底部的导流管18可用T形六角套
筒扳手转动，调节柱19正向或反向转动至最大程度时，齿筒12顶部与齿柱4齐平或完全收入
活动槽内；

[0034] 进一步的，连接件9包括连接筒20和锥管螺纹接头21，锥管螺纹接头21固定连接在连接筒20底部，连接筒20固定连接在钻头本体1底部，连接筒20、锥管螺纹接头21、固定盘10
与钻头本体1轴线重合，连接筒20半径小于钻头本体1半径；

[0035] 进一步的，钻头本体1的出液孔顶端螺纹连接有喷嘴22，喷嘴22为硬合金喷嘴。

[0036] 本发明提到的一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头的使用方法，具体包括以下步骤：

[0037] S1，将钻头本体1倒立，手持固定盘10，将齿筒12和转动柱13安装在固定柱11的顶部的弧形凹槽内部，再将各组固定柱11与各组活动槽位置对准，再将各组固定柱11插入对
应的活动槽;

[0038] S2，将密封圈16放置在阶梯式圆槽6的梯台上，将密封盘15放入阶梯式圆槽6，此时调节柱19将密封盘15顶起，调节柱19正对固定盘10的螺纹槽，用T形六角扳手转动调节柱
19，使调节柱19与固定盘10螺纹连接，固定盘10与密封盘15紧贴，密封盘15与密封圈贴合，
拨动密封盘15，使密封盘15与固定盘10的开孔正对，将各组导流管18分别插入各组开孔，用
T形六角套筒扳手转动各组导流管18，使导流管18旋入对应出液孔，垫圈17与密封槽紧抵，
密封盘15与密封圈16紧抵;

[0039] S3，将连接筒20与钻头本体1焊接固定，在出液孔端部旋入喷嘴22;

[0040] S4，根据使用需求，将T形六角扳手穿过锥管螺纹接头21和连接筒20对调节柱19进行转动，使齿筒12伸出或收入活动槽，再用锥管螺纹接头21将钻头安装在钻杆上，可进行钻
井作业。

[0041] 实施例2，本发明提供了一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，包括钻头本体1、长刀翼2、短刀翼3、齿柱4、保径齿5、切削副齿组件7、固定调节机构8和连接件9；长刀翼
2设置有三组，短刀翼3设置有两组，长刀翼2和短刀翼3在钻头本体1上沿顺时针方向按长刀
翼2、短刀翼3、长刀翼2、长刀翼2、短刀翼3的顺序依次固定，齿柱4设置有多组，多组齿柱4在
长刀翼2和短刀翼3上沿切削方向焊接固定，保径齿5设置有多组，多组保径齿5均固定连接
在长刀翼2和短刀翼3侧壁上，钻头本体1顶部开有七组带有螺纹的出液孔，钻头本体1底部
开有阶梯式圆槽6；

[0042] 与实施例1不同之处是：切削副齿组件7还包括齿筒12，长刀翼2与短刀翼3顶部均开有贯通钻头本体1的活动槽，长刀翼2顶部活动槽数量为两组，短刀翼3顶部活动槽数量为
一组，八组固定柱11在固定盘10顶部位置分别与各组活动槽位置正对，齿筒12均设置有八
组，固定柱11顶部为圆柱形槽，圆柱形槽上端留有一部分缺口，将齿筒12包裹在圆柱形槽内
部，齿筒12的上部露出一部分，八组固定柱11分别插入对应的活动槽中，齿筒12与齿柱4顺
切削方向的一侧均固定连接有聚晶金刚石复合片14，固定柱11长度与阶梯式圆槽6的深度
相等，齿筒12与齿柱4位置交错，提高钻头破岩效率，使钻头破岩更全面。

[0043] 实施例3，本发明提供了一种具有可伸缩的切削副齿组件的PDC钻头，包括钻头本体1、长刀翼2、短刀翼3、齿柱4、保径齿5、切削副齿组件7、固定调节机构8和连接件9；长刀翼
2设置有三组，短刀翼3设置有两组，长刀翼2和短刀翼3在钻头本体1上沿顺时针方向按长刀
翼2、短刀翼3、长刀翼2、长刀翼2、短刀翼3的顺序依次固定，齿柱4设置有多组，多组齿柱4在
长刀翼2和短刀翼3上沿切削方向焊接固定，保径齿5设置有多组，多组保径齿5均固定连接
在长刀翼2和短刀翼3侧壁上，钻头本体1顶部开有七组带有螺纹的出液孔，钻头本体1底部
开有阶梯式圆槽6；

[0044] 与实施例1不同之处是：

[0045] 切削副齿组件7还包括齿筒12和转动柱13，齿筒12和转动柱13均设置有八组，八组转动柱13分别与八组齿筒12转动连接并且贯穿齿筒12，且所述转动柱13的外端通过连接杆
连接到固定柱11，主要起连接转动柱13的作用，齿筒12可以绕转动柱13旋转，固定柱11顶部
也设置有弧形槽，便于齿筒12旋转。

[0046] 以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术
方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。