CN102061887A - 硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头 - Google Patents

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本发明涉及的是硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头，这种硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头具有超顶、复锥和移轴结构，具备两个或三个牙轮，钻头的同一齿排交互布置硬质合金齿和聚晶金刚石复合片，硬质合金齿高于聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片后倾角在10～40°范围，侧倾角在10～30°范围，工作面的法线方向和复合滑动方向保持一致，侧倾方向指向临近齿槽。本发明整合牙轮钻头和PDC钻头优点，将冲击破碎方式和旋转剪切破碎方式有机结合，发挥硬质合金齿和聚晶金刚石复合片的优势，提高其破岩效率和钻头使用寿命。

Description

硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头
一、技术领域：
本发明涉及的是在石油天然气工程领域中钻井使用的钻头，具体涉及的是硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头。
二、背景技术：
随着油气勘探的不断深入，勘探难度日益增加，勘探开发中的“低、深、难”的矛盾日益突出，钻头等破岩工具使用寿命短、效果差，频繁更换钻头造成钻井时效低，发展高效节能钻头非常重要。目前油田钻井常用的钻头有牙轮钻头和PDC钻头。镶齿牙轮钻头通过硬质合金齿单双齿交错运行，对地层产生冲击压碎作用，通过超顶、辅锥和移轴，引起牙齿滑动，产生剪切作用，硬质合金齿具有较好的韧性，能够承受较大钻压和冲击载荷，但剪切效率低，易磨损。PDC钻头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，聚晶金刚石复合片具有较高硬度和耐磨性，剪切破碎效率高，机械寿命长，但不能承受冲击载荷和较大钻压。如何整合牙轮钻头和PDC钻头优点，将冲击破碎方式和旋转剪切破碎方式结合起来，将硬质合金齿和聚晶金刚石复合片的优势结合起来，对提高破岩效率和钻头寿命有重大推动作用。
三、发明内容：
本发明的目的是提供硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头，它用于解决现有镶齿牙轮钻头破岩效率低，寿命短，PDC钻头在深井钻进中切削齿易压碎、崩碎或崩断等损坏，不能将二者的优势有机结合起来的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头具有超顶、复锥和移轴结构，具备两个或三个牙轮，钻头的同一齿排交互布置硬质合金齿和聚晶金刚石复合片，硬质合金齿高于聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片后倾角在10～40°范围，侧倾角在10～30°范围，工作面的法线方向和复合滑动方向保持一致，侧倾方向指向临近齿槽。
上述方案中硬质合金齿和聚晶金刚石复合片出露高度要和地层性质相匹配，硬质合金齿出露高度高于聚晶金刚石复合片，在中硬地层高度级差为2.5～4mm，在硬地层高度级差为1～2.5mm。
有益效果：
本发明整合牙轮钻头和PDC钻头优点，将冲击破碎方式和旋转剪切破碎方式有机结合，发挥硬质合金齿和聚晶金刚石复合片的优势，提高其破岩效率和钻头使用寿命。
四、附图说明：
图1为本发明硬质合金球形齿和人造聚晶金刚石复合片布置示意图；
图2某一齿圈硬质合金球形齿和人造聚晶金刚石复合片组合示意图；
图3为本发明的超顶和复锥结构引发滑动示意图；
图4为本发明的移轴结构引发牙轮滑动示意图。
1.牙轮2.齿槽3.硬质合金齿4.聚晶金刚石复合片
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
结合图1、图2所示，这种硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头具有超顶、复锥和移轴结构，它具备两个或三个牙轮1，钻头的同一齿排交互布置硬质合金齿3和聚晶金刚石复合片4，聚晶金刚石复合片4焊接于牙轮1上，硬质合金齿3高于聚晶金刚石复合片4，在中硬地层高度级差为2.5～4mm，即在中硬地层中硬质合金齿4高于聚晶金刚石复合片4的高度为2.5～4mm，当在硬地层时二者高度级差为1～2.5mm，聚晶金刚石复合片4后倾角在10～40°范围，侧倾角在10～30°范围，工作面的法线方向和复合滑动方向保持一致，侧倾方向指向临近齿槽2。本实施方式中硬质合金齿为硬质合金球形齿。
本发明是这样形成的：首先设计具有超顶、复锥和移轴结构的牙轮钻头整体装配图，考虑固定在牙轮上的牙齿绕钻头轴线的公转和绕牙轮轴线的自转，分析牙轮上各点运动形式，获得不同齿排的滑动方向及纯滚动点。如图3所示的超顶和复锥结构引发滑动示意图，首先得到M纯滚动点，M-M’向牙轮尖方向向后滑动，M-M’向牙轮底方向向前滑动。参见图4所示的移轴结构引发牙轮滑动示意图，将超顶、复锥和移轴引发的滑动速度进行矢量叠加，再获得牙轮上各点的速度分布矢量图。然后根据地层性质选择楔形齿、圆锥形齿、球形齿、抛物线形体齿、勺形齿等不同齿形的硬质合金齿，在同一齿排交互布置硬质合金齿和聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合片工作面的法线方向和复合滑动速度矢量方向保持一致，侧倾方向指向临近齿槽，后倾角在10～40°范围，侧倾角在10～30°范围，以提高聚晶金刚石复合片的切削效率和排屑效率，本发明硬质合金球形齿和人造聚晶金刚石复合片布置示意图，见图1。最后根据地层性质匹配硬质合金齿和聚晶金刚石复合片出露高度，保证硬质合金齿首先接触地层，卸载冲击载荷和部分应力，避免聚晶金刚石复合片折断，同时对地层形成冲击压碎，使岩石内部形成损伤和裂纹，再通过聚晶金刚石复合片吃入，滑动剪切破碎岩石，本发明某一齿圈硬质合金球形齿和人造聚晶金刚石复合片组合示意图，见图2。
通过上述方案，充分整合了牙轮钻头和PDC钻头优点，将冲击破碎方式和旋转剪切破碎方式结合起来，将硬质合金齿和聚晶金刚石复合片的优势结合起来，能很大程度提高破岩效率和钻头寿命。

Claims (2)

1.一种硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头，其特征在于：这种硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头具有超顶、复锥和移轴结构，具备两个或三个牙轮(1)，钻头的同一齿排交互布置硬质合金齿(3)和聚晶金刚石复合片(4)，硬质合金齿(3)高于聚晶金刚石复合片(4)，聚晶金刚石复合片(4)后倾角在10～40°范围，侧倾角在10～30°范围，工作面的法线方向和复合滑动方向保持一致，侧倾方向指向临近齿槽(2)。
2.根据权利要求1所述的硬质合金齿和聚晶金刚石复合片混合布齿钻头，其特征在于：所述的硬质合金齿出露高度高于聚晶金刚石复合片，在中硬地层高度级差为2.5～4mm，在硬地层高度级差为1～2.5mm。
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