CN102364031B - 一种以旋切方式破岩的轮式钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以旋切方式破岩的轮式钻头（以下简称旋切钻头），包括钻头主体、牙轮、切削齿、储油囊、喷嘴。钻头主体包括牙轮轴颈、扶正块、高压泥浆通道和连接丝扣。牙轮与主体上的轴颈采用三牙轮钻头常用的轴承与密封结构。牙轮的大端到小端布置有多圈切削齿。主体上牙轮轴颈平面与钻头轴线夹角（以下简称轮体夹角）的范围为（包含及），轴颈偏移量的范围为（包含及），其中，为牙轮的序号（≥1），轮对应的轮体夹角为，轮对应的轴颈偏移量为，为钻头直径。本发明内排大齿圈切削井底中心，破岩效能高；每圈切削齿都能刮切井壁，保径和侧钻效果好；轴颈尺寸大，轮体速比小于1，轴承寿命长。

Description

一种以旋切方式破岩的轮式钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，具体的说涉及一种以旋切方式破岩的轮式钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。现代钻井工程中广泛使用的钻头主要有牙轮钻头（包括单牙轮钻头、三牙轮钻头）、PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金刚石复合片钻头）。当今，牙轮钻头和PDC钻头都已发展到相当高的水平，但仍存在一些不可克服的问题。一是怕划眼和扩眼，使密封轴承的牙轮钻头，特别是PDC钻头先期损坏；二是对井底中心岩石的运动小，功能不足，中心岩石不易破碎，影响钻头的机械钻速，牙轮钻头和PDC钻头中心布齿少、易磨损，也是钻头失效的主要原因。

三牙轮钻头钻进时破岩形式为冲击压碎破岩，通过牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破碎岩石，形成井径（见图11）。由于岩石的抗压强度远大于抗剪和抗拉强度，而三牙轮钻头利用牙齿对岩石的冲击作用来破岩，能量利用率不高。特别是在深井钻井等高钻压情况下，由于高密度的钻井液的作用，井底的岩屑压持效应明显，钻头牙齿难以吃入岩石并冲击破碎岩石，故破岩效率相对较低。

三牙轮钻头轴承寿命是制约钻头使用寿命的主要因素之一，轴承承受钻压引起的载荷，加上三牙轮钻头以冲击形式破岩，轴承受到的冲击载荷大，载荷幅值高，加之三牙轮钻头的增速效应：三牙轮钻头轮体速比（钻井时牙轮转速与钻头转速之比）大于1，即钻头钻进时牙轮转速大于钻头钻速，所以轴承转速相对较快，导致三牙轮钻头的轴承寿命较短。

双牙轮钻头的牙轮布置方式与三牙轮相同，各牙轮工作面（布牙齿的弧面）均是相对设置，即均是向内。除了造成以上的问题之外，从牙轮钻头破岩过程和运动轨迹分析，牙轮上的牙齿与井底井壁岩石接触时间较少，牙齿在井底滑移的距离也较小，中心破岩效率低，影响了机械钻速。

单牙轮钻头牙轮形状不同于双牙轮和三牙轮的锥球形（近似半球形），而是近球形，工作面布满整个球面（双、三牙轮的工作面是半圆弧面）。依靠牙齿对地层的冲击、滚压和刮切三种方式破碎岩石，尤其是刮切运动的方向在牙轮表面的各个部位都不同，即不同排数的牙齿在井底沿不同方向的轨迹，作较长距离的滑移来切削地层，并形成网状的井底轨迹（见图12）。单牙轮钻头的特点是牙轮转速低，轴承尺寸较大，使用寿命优于三牙轮钻头，但是单牙轮钻头有无法回避的缺点：单牙轮钻头的满眼结构决定其破岩过程中容易发生重复破碎，排屑困难。牙齿耐磨性严重不足，一旦发生牙齿磨钝或断齿，机械钻速急剧下降。

PDC钻头破岩形式为刮削岩石，在钻井、地质乃至建筑工程中运用越来越广泛，在钻井工程中使用的比例越来越大。在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，钻头钻进时各切削齿的运动轨迹为相对固定的同心圆环带（见图13）。由于其破岩机理和结构差异，PDC钻头适用于较高钻速和软至中硬地层。其不足主要有以下方面：

1. 井底条件要求高：如果井底有异物，会导致PDC钻头产生崩齿或热摩擦现象，温度升高烧黑胎体，甚至熔化钎焊层，产生掉齿现象，影响机械钻速，加速钻头失效。

2. PDC齿失效的严重后果：与牙轮钻头相比较，PDC钻头个别齿的失效（掉齿、崩齿等）会严重增加附近PDC齿的载荷，加快其磨损速度，加剧钻头失效。

3. 心部破岩效率不高：PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，外肩部切削岩石比例大，磨损速度快。心部PDC齿接触破岩效率低，磨损则较慢。

发明内容

鉴于PDC钻头的缺陷，本发明针对牙轮钻头进行改进，提出一种以旋切方式破岩的轮式钻头，解决现有双、三牙轮钻头能量利用率低、破岩效率低、轴承寿命短、钻进效率低，以及单牙轮满眼结构造成的排屑困难、牙齿耐磨性差等问题。

本发明的钻头以旋切方式冲击、压碎、切削岩石，实现破岩，同时改进钻头轴承结构，确保提高破岩效率的同时增加钻头使用寿命。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种以旋切方式破岩的轮式钻头，包括钻头主体（1）、牙轮（2）、牙轮工作面上的切削齿（3），牙轮（2）与钻头主体（1）上牙轮轴颈构成转动连接，其特征在于：主体（1）上牙轮轴颈平面与钻头轴线的轮体夹角                                                的范围为，轴颈偏移量为，其中为钻头直径。

轮体夹角和轴颈偏移值如图2所示，牙轮工作面朝向井壁与井底。

本发明所述旋切式钻头将牙轮朝向井壁或井底，破岩过程中，牙轮内排齿（即大圈齿）可切削井底中心，提高中心破岩效率；牙轮上的每圈齿都可以以旋切方式冲击压碎切削井底和井壁岩石，这是本发明的核心。

根据上述发明，已于2010年9月试制出了旋切式模拟钻头，并在台架上进行了试验。旋切式模拟钻头钻出的井底轮廓（见图10）与三牙轮钻头和PDC钻头钻出的井底轮廓完全不同。三牙轮钻头和PDC钻头的破碎带都是同心圆（见图11和图13），而本发明的旋切钻头的破碎带是成菊状的螺旋线。螺旋线在井壁处密集并消失，充分证明了牙轮上各排齿都能切削井底和井壁，形成井径。内排齿破碎带螺旋线长，外排齿破碎带螺旋线短，可使内外排齿的工作负载比较均匀。

螺旋线的破碎带，说明旋切式钻头破岩机理，每排齿既有冲击压碎作用，又能切削岩石。同时提高中心破岩效率，从而提高钻头机械钻速。

由于旋切式钻头破岩方式特点，所以能适应各种钻井需要，在侧钻和水平井钻井中比现有牙轮钻头和金刚石钻头更为优越。

根据以上分析，轴颈偏移值增大，会增大切削齿在井底的径向滑移和轴向滑移，即增大切削齿在井底的总的滑移量。轮体夹角取值范围为：，轴颈偏移值取值范围为：，能更好地实现切削齿以旋切方式破岩。优化和，可达到增大牙轮切削齿在井底和井壁滑移量，降低轮体速比的目的。比如轮体夹角设置为。

旋切钻头牙轮组合方式包含（但不限于）以下类型：

1、双牙轮：两牙轮工作面朝外，角度范围和偏移值均在、范围内，偏移方向中心对称。两牙轮的内排齿（即大圈齿）设置成不同时都切心（切心：牙齿切削到井眼中心，即牙轮的最外圈切削齿运行轨迹达到钻头轴线位置，或者说最外圈切削齿纵向位置通过或超过钻头轴线），可以设置为一个切心一个不切心（调整大圈齿距牙轮边缘的距离），也可设置为两个牙轮都无限接近切心，依靠钻头的冲击力和岩体内部应力破碎岩体中心（未直接切屑的井眼中心面积已无限接近于零）。

2、三牙轮：三牙轮工作面朝外，角度范围和偏移值均在、范围内，偏移方向中心对称。三牙轮的内排齿（即大圈齿）均设为不切心。可用于扩孔。

3、单牙轮，牙轮工作面朝外，角度范围和偏移值在、范围内，单牙轮的内排齿（即大圈齿）设为切心。

本发明所述的切削齿（3）为勺形齿、楔形齿、锥球齿、球形齿、锥台齿、圆柱截头齿或棱锥齿；所述的切削齿（3）材质包括硬质合金、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、天然金刚石、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬质合金、金刚石和立方氮化硼。所述钻头主体（1）为钢件、钢材组焊件或钢体与金属粉末的烧结体。所述的牙轮（2）结构有铣齿牙轮、镶齿牙轮或钢体与金属粉末的烧结牙轮。

本发明与现有技术相比的性能特点是：

（1）旋切方式破岩：本发明的旋切钻头钻进过程中，主体（1）上的牙轮轴颈指向井壁或井底，与旋切钻头轴线交一夹角又偏移钻头轴线（即，）时，旋切钻头牙轮（2）以旋切方式冲击、压碎、切削岩石，实现破岩钻进。钻进过程旋切钻头切削齿（3）不仅随着牙轮滚动，形成对地层的压碎，同时通过其在井底的滑移过程切削地层，破岩效率高。根据不同的钻井需求，改变轮体夹角、轴颈偏移值以及牙轮（2）尺寸和形状，可以使牙轮（2）上的各排切削齿（3）都切削到对应的井眼中心、井眼边缘及井壁，还能钻出要求的井底形状。

（2）中心破岩性能高：钻进过程中，旋切钻头对应的井眼中心位置由大圈齿完成，由于旋切钻头切削齿圈中大齿圈直径最大，齿数多（可比三牙轮钻头中央布齿多6倍以上），相对切削速度高，可以从根本上解决现在三牙轮钻头和PDC钻头心部破岩效率低的问题。

（3）机械钻速提高：旋切钻头的结构（关键参数包含轮体夹角和轴颈偏移值）决定了其破岩形式为冲击、击碎、切削作用，同时对应的井眼中心破岩效率和进取性高，避免了满眼问题和重复破碎现象，利于排屑，提高钻头机械钻速。

（4）更好的动力学性能：与牙轮钻头冲击形式破岩相比，旋切钻头的破岩形式为冲击、击碎、切削作用，连续的切削作用使钻头受到的冲击载荷小，载荷幅值降低。同时旋切钻头轮体速比（牙轮转速与钻头转速之比）小于1，即钻头钻进时牙轮转速小于钻头钻速，所以轴承转速相对较慢，旋切钻头振动冲击减小。与普通PDC 钻头相比，旋切钻头扭转振荡减小，低转速下的粘滑和高转速下的井眼螺旋现象减少。在本发明进行的台架实验结果，也证明了与同尺寸、同工况条件下的牙轮钻头、PDC钻头相比，旋切钻头具备上述特点。更好的动力学性能使旋切钻头具有更大的适用范围和更好的控制能力。

（5）轮体速比小于1、轴承寿命条件改善、旋切钻头寿命提高：旋切钻头的轮体速比小于1，而且牙轮的轴颈尺寸能比同规格的三牙轮钻头设计得更大，在轴颈的强度和钻头使用寿命方面比牙轮钻头有明显优势。本发明的旋切钻头在破岩过程中，井底和井壁对钻头产生的合力推动牙轮紧贴轴颈平面，这有利于改善轴承密封性能，提高轴承使用寿命，基于轴承寿命对于钻头的重要意义，从而实现旋切钻头寿命的提高。

（6）保径作用：旋切钻头所有切削齿圈都能切削井底和井壁，形成井径。如果最先切削井壁的那圈齿磨损变短，第二圈齿就会接替第一圈齿的工作，实现保径，不致钻孔越来越小。如果第二圈齿也磨损失效，第三圈齿仍可实现保径，以此类推。由于本发明的旋切钻头具有所有齿圈都能切削旋切钻头对应井径的特点，使其具有三牙轮钻头所不及的保径和侧钻能力，保径效果好。

（7）由于设置有偏移值，钻井不会出现满眼现象，解决了排屑问题和重复切屑问题。

（8）牙齿可采用复合齿：以旋切方式破岩的轮式钻头可以利用硬质合金切削齿、热稳定聚晶金刚石复合齿（PDC）、孕镶金刚石切削齿等作为切削齿，齿的工作寿命和切削效率均优于单牙轮钻头。

本发明的有益效果：本发明的切削齿以旋切方式破岩，中心破岩效率高，保径效果好，磨损均匀，轴承工作条件改善，机械钻速高，钻头使用寿命长。

附图说明

图1为本发明采用双牙轮的结构示意图，包括钻头主体（1）、牙轮（2）、切削齿（3）、储油囊（4）、喷嘴（5）。钻头主体（1）包括牙轮轴颈、扶正块、高压泥浆通道和连接丝扣。本发明的牙轮（2）与主体（1）上的轴颈采用三牙轮钻头常用的轴承与密封结构。牙轮（2）的大端到小端布置多圈切削齿。

图2为本发明的切削原理及主要设计参数：轮体夹角、轴颈偏移值、钻头直径的关系示意图；

图3为本发明牙轮数目为2，轮体夹角，轴颈偏移值，且一个牙轮切心部，一个牙轮不切心部时的冠顶结构示意图；

图4为本发明牙轮数目为2，轮体夹角，轴颈偏移值，且两个牙轮都切心部时的牙轮齿圈投影示意图；

图5为本发明牙轮数目为2，轮体夹角，轴颈偏移值，且两个牙轮都切心部时的牙轮齿圈投影示意图；

图6为本发明牙轮数目为1，轮体夹角，轴颈偏移值，且牙轮切心部时的牙轮齿圈投影示意图；

图7为本发明牙轮数目为2，轮体夹角，轴颈偏移值，且一个切心部，一个不切心部的牙轮齿圈投影示意图；

图8为本发明牙轮数目为2，轮体夹角，轴颈偏移值，且两个牙轮都不切心部的牙轮齿圈投影示意图；

图9为本发明牙轮数目为3，轮体夹角，轴颈偏移值，且三个牙轮都不切心部时的牙轮齿圈投影示意图；

图10为本发明牙轮数目为2，钻头直径，轮体夹角，轴颈偏移值的试验钻头进行模拟试验及钻出的井底轮廓；

图11为三牙轮钻头直径钻出的井底轮廓；

图12为单牙轮钻头直径钻出的井底轮廓；

图13为PDC钻头直径钻出的井底轮廓；

下面结合附图进一步详细阐述本发明具体实施方式。

具体实施方式

如图1～图10所示：以旋切方式破岩的轮式钻头，包括钻头主体（1）、牙轮（2）、切削齿（3），还可附加储油囊（4）、喷嘴（5）。钻头主体（1）包括牙轮轴颈，还可以有扶正块、高压泥浆通道和连接丝扣。牙轮（2）与主体（1）上牙轮轴颈构成转动连接，与主体（1）上的轴颈采用三牙轮钻头常用的轴承与密封结构。牙轮（2）的大端到小端布置多圈切削齿。主体（1）上牙轮轴颈平面与钻头轴线夹角（以下简称轮体夹角）的范围为（包含及），轴颈偏移量的范围为（包含及），其中，轮对应的轮体夹角为，轮对应的轴颈偏移量为，为钻头直径。

实施例1：

当本发明的旋切钻头的，，直径，钻速为时，实验用材料分别选用洪雅石：，青砂石：，实验过程收集岩屑，分析破岩难易程度及振动情况，检查切削齿磨痕及方向，计算牙轮和钻头的轮体速比。

实施例结果和理论计算同时表明：实施例1对应参数条件下，轮体速比小于1，本实施例中小于0.55；岩性越硬，牙轮转速越高，轮体速比越高。

实施例2：

当牙轮2的，，直径，钻速为，实验用材料分别为洪雅石：，青砂石：，实验过程收集岩屑，分析破岩难易程度及振动情况，检查切削齿磨痕及方向，计算牙轮和钻头的轮体速比。

实施例结果和理论计算同时表明：对应时，岩性越硬，牙轮转速降低，轮体速比小于实施例1对应的值。

综合对比分析上述实施结果可得：优化轮体夹角和轴颈偏移值，可达到增大牙轮切削齿在井底和井壁滑移量、降低轮体速比的目的，提高旋切钻头的破岩效率和机械钻速。

实施例3：牙轮为一个

牙轮工作面朝向井壁与井底之间，主体（1）上牙轮轴颈平面与钻头轴线夹角的范围为，轴颈偏移量为，牙轮大圈齿切心。

Claims (5)

1.一种以旋切方式破岩的轮式钻头，包括钻头主体(1)、牙轮(2)、牙轮工作面上的切削齿(3)，牙轮为以钻头主体中心对称的两个，其特征在于：钻头主体(1)上牙轮轴颈平面与钻头轴线的轮体夹角β的范围为15°≤β≤85°，轴颈偏移量为 ，且s≠0，其中D为钻头直径；轮体夹角β_i＝β_i+1，轴颈偏移量s_i＝s_i+1，其中，i为牙轮的序号(i≥1)，轮i对应的轮体夹角为β_i，轮i对应的轴颈偏移量为s_i，牙轮(2)工作面朝向井壁与井底；至少有一个牙轮的切削齿运行轨迹越过钻头轴线位置。

2.根据权利要求1所述的一种以旋切方式破岩的轮式钻头，其特征在于：轴颈偏移量 。

3.根据权利要求1所述的一种以旋切方式破岩的轮式钻头，其特征在于：两个牙轮的切削齿运行轨迹越过钻头轴线位置。

4.根据权利要求1所述的一种以旋切方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述的轮体夹角β是30°。

5.根据权利要求1所述的一种以旋切方式破岩的轮式钻头，其特征在于：所述旋切钻头的轮体速比即牙轮转速与钻头转速之比小于1。