CN101886522A - 一种以切削方式破岩的轮式钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以切削方式破岩的轮式钻头，包括钻头本体(1)、转轮(2)，所述钻头本体(1)上具有轮掌(3)，所述转轮(2)安装在所述轮掌(3)的轴颈(6)上，与轮掌(3)形成转动连接，在所述转轮(2)上布置有外排切削齿圈(4)，所述转轮(2)的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°。本发明的切削齿以交替刮切的形式破岩，破岩效率高，磨损均匀，冷却效果好，齿的寿命长，轴承工作条件好，钻头使用寿命长。

Description

一种以切削方式破岩的轮式钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种以切削方式破岩的轮式钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头(包括三牙轮钻头和单牙轮钻头)和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。

三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用。岩石的抗压强度较抗剪强度和抗拉强度均要高得多，三牙轮钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低。特别是在深部地层钻进时，在高密度钻井液作用条件下井底的岩屑压持效应十分明显，牙齿难以压入地层并形成有效的破碎。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。由于三牙轮钻头是以冲击压碎的形式破岩，轴承受到的冲击大，载荷幅值高，加之轴承转速相对较快，因此三牙轮钻头的轴承寿命较短。现有牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5°，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比高，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离也很短，牙齿在井底岩石上冲压出一个个凹坑9，如图23所示，凹坑9沿圆周方向和半径方向的长度均很短。

单牙轮钻头轴承尺寸较大，牙轮转速低，寿命优于三牙轮钻头。但单牙轮钻头也有一个无法避免的弱点，那就是牙齿耐磨性严重不足，齿一旦磨钝，钻速就会急剧降低。

现今，无运动部件、耐磨且寿命长的PDC(聚晶金刚石复合片)钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即PDC齿，亦简称齿)直接固结在钻头本体上。在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有三方面的缺点：

第一，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象)的发生。

第二，钻头上个别齿的失效(齿的脱落、断裂或过度磨损等)会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。

第三，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。

发明内容

本发明的目的是提供一种以切削方式破岩的大偏移角轮式钻头，大偏移角使钻头切削齿以刮切方式交替破碎岩石，能够在增加钻头使用寿命的同时，提高破岩效率。

本发明的技术方案如下：

一种以切削方式破岩的轮式钻头，包括钻头本体、转轮，所述钻头本体上具有轮掌，所述转轮安装在所述轮掌的轴颈上，与轮掌形成转动连接，在所述转轮上布置有外排切削齿圈，所述转轮的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°。

上述结构中，所述转轮的偏移角

其中s为转轮的移轴距，c为转轮的基准距。如图3、图4、图5所示，AB为钻头中心轴线，CD为转轮中心轴线，经过转轮轴线CD并平行于钻头轴线AB的面为转轮极轴面A₁，A₂是经过钻头轴线AB且垂直于转轮极轴面A₁的平面，A₃是经过钻头轴线AB且平行于转轮极轴面A₁的平面。转轮上表征各切削齿位置坐标的点为各切削齿的定位点，圆柱形PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点，其它类型切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。转轮外排齿圈上各切削齿定位点所在的平面A₄为转轮基准平面，转轮基准平面A₄与转轮轴线CD的交点E为转轮基准点。过点E向钻头轴线AB作垂线，垂足为F。转轮基准距c即为转轮基准点E到平面A₂的距离；转轮移轴距s即为钻头轴线AB与转轮极轴面A₁之间的距离，并规定，沿钻头轴线从转轮向钻头体看，极轴面A₁在平面A₃左侧时为正移轴，反之，则为负移轴；转轮的偏移角α即为直线EF与平面A₃之间的夹角，即有偏移角

正移轴时偏移角α为正，负移轴时偏移角α为负；转轮的轴倾角β即为转轮轴线CD与垂直于钻头轴线AB的平面之间的夹角。

当钻头在钻压、扭矩的驱动下旋转钻进时，转轮在随钻头本体绕钻头轴线做旋转运动和沿轴线做轴向进给运动外，还会相对于钻头本体发生旋转运动，即会绕轮掌的轴颈做转动。如果转轮的偏移角等于零，转轮的轴线与钻头轴线相交，转轮会以纯滚动或接近于纯滚动的方式在井底岩石上滚动，其平均转速等于或近似等于由钻头转速和转轮滚动轨迹圆半径所确定的纯滚动速度。此时，转轮将以与井底岩石相作用的切削齿为瞬时转动中心发生相对转动，切削齿与岩石之间不存在相对滑移。如果转轮的偏移角不等于零，则转轮的轴线与钻头轴线不再相交，而是空间交错，转轮的纯滚动条件不再满足。此时，转轮仍会在岩石上滚动，但其滚动速度不再等于纯滚动速度，而是低于纯滚动速度。转轮上的切削齿在滚过岩石的过程中会与岩石发生相对滑移，从而形成切削齿对岩石的刮切或切削作用。

当偏移角不为零时，转轮上的切削齿在井底岩石上的相对滑移(刮切)包含两个部分：第一，径向滑移。转轮上的切削齿从开始切削岩石(切入)到脱离切削岩石(切出)的过程中，岩石上的切入点与切出点的径向(钻头径向)位置不同，表明切削齿在与岩石接触的过程中发生了径向滑移，切入点与切出点之间的径向距离，代表了切削齿的径向滑移量。偏移角越大，切削齿切入、切出点之间的径向距离越大，径向滑移量也就越大。第二，周向滑移。当钻头转速确定时，轮体速比决定了切削齿的切削工作时间(即从切入岩石到切出岩石的一次切削过程所经历的时间)。由于偏移角不为零时的轮体速比低于纯滚动条件下的轮体速比，转轮的转速变慢，所以切削齿的切削工作时间变长，因而使切削齿产生沿周向(钻头圆周方向)的滑移量。轮体速比越小，切削齿的切削工作时间越长，周向滑移量也就越大。切削齿在井底岩石上的总的滑移速度是径向滑移速度与周向滑移速度的矢量合成。根据钻头体与转轮的运动特征，切削齿在井底岩石上的滑移(刮切)轨迹是沿着钻头旋转方向的从外到内(偏移角为正时)或从内到外(偏移角为负时)的类似螺旋线形状。

转轮的移轴距s增大或基准距c减小，均导致转轮偏移角α增大，故都会增大切削齿在井底的径向滑移和周向滑移，即增大切削齿在井底的总的滑移量。

上述转轮的偏移角

使20°≤|α|≤90°从而更好地实现切削齿以刮切的方式破岩。具体的讲，当钻头外径一定，转轮直径保持不变时，增大转轮的移轴距s，转轮的基准距c就会相应地减小。

本发明的思路是：通过增大转轮的移轴距s、减小转轮的基准距c的方式增大转轮偏移角α，并使其在20°≤|α|≤90°范围内，达到增大转轮上的切削齿在井底的径向滑移量，并同时降低轮体速比，增大切削齿在井底的刮切时间和周向滑移量，从而增加切削齿在井底岩石上总的滑移量(刮切量)。这样，当钻头在井底工作时，转轮上的切削齿以缓慢的速度切入岩石，并在钻头体的带动下相对井底岩石刮切一段较长距离后再缓慢切出，从而实现转轮上的切削齿以缓慢交替的形式在井底轮流刮切或切削破岩的目的。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)本发明转轮偏移角α较大，钻头旋转钻进时，轮体速比较小，切削齿在井底滑移量大，可实现切削齿的刮切破岩工作方式，有利于提高破岩效率。

(2)以切削方式破岩的轮式钻头的切削齿交替工作，减少或避免了固定切削齿钻头因少数切削齿失效带来的钻头早期失效，延长了钻头使用寿命。

(3)以切削方式破岩的轮式钻头的切削齿交替工作，磨损均匀，各切削齿的工作能力可得到充分利用。

(4)以切削方式破岩的轮式钻头的切削齿交替工作，冷却效果好，不易发生热磨损。

(5)以切削方式破岩的轮式钻头可以利用PDC复合片等金刚石复合元件作为切削齿，齿的工作寿命和切削效率均优于单牙轮钻头。

(6)以切削方式破岩的轮式钻头钻进时所需的钻压小，轴承所受载荷小，且载荷波动幅度低；钻头的轮体速比低，故轴承相对转动缓慢、发热少。所以，以切削方式破岩的轮式钻头的轴承工作寿命长于同等条件的三牙轮钻头。

在所述转轮上设置有内侧切削齿圈。内侧切削齿圈是指布置于转轮上，较外排切削齿圈更靠里的切削齿圈，其数量可为1到多个。

所述外排切削齿圈以及内侧切削齿圈中的切削齿为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

所述钻头本体上具有1-6组由所述转轮及轮掌所构成的切削单元。

所述切削单元为2组，其中至少一组所述切削单元中的转轮上设置有所述内侧切削齿圈。

所述切削单元为3组，其中至少一组所述切削单元中的转轮上设置有所述内侧切削齿圈。

所述转轮的偏移角α的范围是30°≤|α|＜90°。

所述转轮的偏移角α的范围是40°≤|α|≤85°。

所述外排切削齿圈以及内侧切削齿圈中的切削齿为聚晶金刚石复合片。

所述转轮的偏移角α为60°。

有益效果：本发明的切削齿以交替刮切的形式破岩，破岩效率高，磨损均匀，冷却效果好，齿的寿命长，轴承工作条件好，钻头使用寿命长。

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为本发明的结构示意图，其切削单元为2组，其中一组切削单元的转轮上设置有内侧切削齿圈。图中：1、钻头本体，2、转轮，3、轮掌，4、外排切削齿圈，5、内侧切削齿圈，7、喷嘴；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明的转轮几何位置参数移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β的示意图；

图4为本发明的一组切削单元的转轮沿转轮极轴面的剖视图。图中：6、轴颈；

图5为本发明沿钻头轴线俯视时转轮在钻头上的相对几何位置及参数s、c、α的示意图；

图6为本发明切削单元为2组，在每组切削单元中的转轮上均设置有内侧切削齿圈的结构示意图；

图7为图6的俯视图；

图8为本发明切削单元为3组的结构示意图；

图9为图8的俯视图；

图10为本发明的转轮的偏移角α接近90°时的结构示意图；

图11为图10的俯视图；

图12为本发明切削单元为1组的结构示意图；

图13为本发明的转轮的偏移角α＝20°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图。图中：8、切削齿刮痕；

图14为本发明的转轮的偏移角α＝30°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图15为本发明的转轮的偏移角α＝40°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图16为本发明的转轮的偏移角α＝50°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图17为本发明的转轮的偏移角α＝60°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图18为本发明的转轮的偏移角α＝70°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图19为本发明的转轮的偏移角α＝80°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图20为本发明的转轮的偏移角α＝85°或接近90°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图21为本发明的转轮的偏移角α＝-60°时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图22为本发明的转轮上同时设置有外排切削齿圈和内侧切削齿圈时，钻头切削齿在井底刮切出的刮痕示意图；

图23为普通三牙轮钻头在井底岩石上造出的齿坑示意图；图中：9、齿坑。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12所示：一种以切削方式破岩的轮式钻头，包括钻头本体1、转轮2，所述钻头本体1上具有轮掌3，所述转轮2安装在所述轮掌3的轴颈6上，与轮掌3形成转动连接，在所述转轮2上布置有外排切削齿圈4，所述转轮2的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°。

实施例1：

当转轮2的偏移角α＝±20°时，以外径D＝8.5英寸(215.9mm)的钻头为例。取转轮2外排切削齿圈4的半径r为65mm，转轮2的轴倾角β＝0°，由于

s＝c·tan|α|        (1)

${\left(\frac{D}{2}\right)}^2={(r+s)}^2+c^2---\left(2\right)$

由式(1)和(2)可得，基准距c＝62.75mm，转轮2的移轴距s＝22.84mm。

在上述参数下，转轮2外排切削齿圈4上的切削齿从切入到切出井底岩石的过程中，其径向滑移量为41.17mm。经理论计算和已做的实际实验都可得出此时的轮体速比在0.96以下，钻头旋转钻进时转轮2自转缓慢，即可实现转轮2上的切削齿以缓慢的速度压入岩石，并在钻头体的带动下相对井底岩石刮切一段较长距离后再缓慢切出。如图13所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝20°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量(刮切量)较长，明显体现了切削齿轮换交替并以刮切的形式破岩的特点。

在上述D和r取值不变，且保证α≥20°时，若增大轴倾角β，此时基准距c减小，移轴距s增大。这样虽会减小切削齿在井底的径向滑移量，但同时会明显减小轮体速比，增大切削齿的周向滑移量，切削齿的周向滑移增大量比其径向滑移减小量要大。即，其它参数不变时，轴倾角β的增大将会使切削齿在井底的滑移量(刮切量)进一步加长。因此，上述计算过程中取β＝0°是上述参数下实现切削齿在井底的滑移量最小的情形。

以下实施计算过程中，均取β＝0°。

实施例2：

当转轮2的偏移角α＝±30°时，仍以外径D＝215.9mm的钻头为例。取转轮外排切削齿圈4的半径r为65mm。

仍由式(1)和(2)可得，基准距c＝51.62mm，转轮2的移轴距s＝29.81mm。

在上述参数下，切削齿径向滑移量为48.34mm。经理论计算和已做的实际实验都可得出此时的轮体速比在0.79以下，即可实现转轮2上的切削齿以缓慢交替的运动形式在井底轮流刮切或切削破岩。如图14所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝30°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±20°时要长多，体现了切削齿以刮切的形式破岩的特点。

实施例3：

当转轮2的偏移角α＝±40°时，D、r取值同上，代入式(1)和(2)可得，c＝41.37mm，s＝34.71mm。

在上述参数下，切削齿径向滑移量为53.95mm，轮体速比在0.64以下。如图15所示，为偏移角α＝40°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量比α＝±30°时要长。

实施例4：

当转轮2的偏移角α＝±50°时，D、r取值同上，可得，c＝31.97mm，s＝38.11mm。

此时，切削齿径向滑移量为58.21mm，轮体速比在0.49以下。如图16所示，为偏移角α＝50°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量比α＝±40°时进一步加长。

实施例5：

当转轮2的偏移角α＝±60°时，D、r取值同上，可得，c＝23.32mm，s＝40.40mm。

此时，切削齿径向滑移量为61.30mm，轮体速比在0.36以下。如图17和图21所示，分别为偏移角α＝60°和α＝-60°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±50°时要长。

实施例6：

当转轮2的偏移角α＝±70°时，D、r取值同上，可得，c＝15.24mm，s＝41.87mm。

此时，切削齿径向滑移量为63.39mm，轮体速比在0.23以下。如图18所示，为偏移角α＝70°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±60°时要长。

实施例7：

当转轮2的偏移角α＝±80°时，D、r取值同上，可得，c＝7.53mm，s＝42.69mm。

此时，切削齿径向滑移量为64.60mm，轮体速比在0.12左右。如图19所示，为本发明的转轮2的偏移角α＝80°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。从图中可看出，切削齿在井底的滑移量(刮切量)比α＝±70°时要长。

实施例8：

当转轮2的偏移角|α|接近或等于90°时，如图7所示，此时转轮2的基准距c非常小，而转轮2的移轴距s较基准距c要大得多。因此，轮体速比将会更加小，钻头钻进时转轮自转速度将更加缓慢。切削齿在井底的滑移量(刮切量)会更长，切削齿以刮切的形式破岩的特征将更明显。如图20所示，为当转轮2的偏移角α接近或等于90°时，切削齿在井底刮切出的刮痕8的示意图。

综合对比分析上述各实施例，可知，转轮2的偏移角α增大时，轮体速比减小，切削齿在井底的滑移量(刮切量)将曾大。转轮2的偏移角α越大，切削齿在井底的刮切效果越明显。转轮2的偏移角α的范围在20°≤|α|≤90°时，均能实现钻头钻进时切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩。

在所述转轮2上设置有内侧切削齿圈5。

所述外排切削齿圈4以及内侧切削齿圈5中的切削齿为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

所述钻头本体1上具有1-6组由所述转轮2及轮掌3所构成的切削单元。

所述切削单元为2组，其中至少一组所述切削单元中的转轮2上设置有所述内侧切削齿圈5。

所述切削单元为3组，其中至少一组所述切削单元中的转轮2上设置有所述内侧切削齿圈5。

所述转轮的偏移角α的范围是30°≤|α|＜90°。

所述转轮的偏移角α的范围是40°≤|α|≤85°。

所述外排切削齿圈4以及内侧切削齿圈5中的切削齿为聚晶金刚石复合片。

所述转轮的偏移角α为60°。

Claims (10)

1.一种以切削方式破岩的轮式钻头，包括钻头本体(1)、转轮(2)，所述钻头本体(1)上具有轮掌(3)，所述转轮(2)安装在所述轮掌(3)的轴颈(6)上，与轮掌(3)形成转动连接，在所述转轮(2)上布置有外排切削齿圈(4)，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°。

2.根据权利要求1所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：在所述转轮(2)上设置有内侧切削齿圈(5)。

3.根据权利要求1或2所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述外排切削齿圈(4)以及内侧切削齿圈(5)中的切削齿为聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

4.根据权利要求1所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述钻头本体(1)上具有1-6组由所述转轮(2)及轮掌(3)所构成的切削单元。

5.根据权利要求4所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述切削单元为2组，在至少1组所述切削单元中的转轮(2)上设置有所述内侧切削齿圈(5)。

6.根据权利要求4所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述切削单元为3组，在至少1组所述切削单元中的转轮(2)上设置有所述内侧切削齿圈(5)。

7.根据权利要求1所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α的范围是30°≤|α|＜90°。

8.根据权利要求7所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α的范围是40°≤|α|≤85°。

9.根据权利要求3所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述外排切削齿圈(4)以及内侧切削齿圈(5)中的切削齿为聚晶金刚石复合片。

10.根据权利要求8所述的一种以切削方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述转轮(2)的偏移角α为60°。

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