CN103541659A - 一种单牙轮复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单牙轮复合钻头，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，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述钻头体上还设有一个牙轮，所述牙轮设置有轴颈，所述钻头体上设置有轴承孔，所述牙轮通过轴颈与所述钻头体上的轴承孔形成转动连接。本发明是一种能形成交叉刮切破岩，在增加钻头破岩效率的同时，能延长钻头切削齿及轴承寿命，进而延长钻头使用寿命的复合钻头，特别适合于小井眼钻进。

Description

一种单牙轮复合钻头

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，具体的讲涉及一种复合钻头。

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。牙轮钻头和PDC钻头是钻井工程中常用的钻头。目前钻井工程中所使用的牙轮钻头主要是三牙轮钻头和单牙轮钻头。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压、刮切作用破碎岩石。无论是单牙轮钻头还是三牙轮钻头，均有一个影响其使用寿命的重要因素，那就是轴承寿命。现有牙轮钻头的轴承均为内置式轴承，轴承形式是牙轮内设置轴承孔，钻头本体上的牙掌上设置凸出的轴颈，牙轮套装在轴颈上形成轴承副。由于轴承为设置在牙轮内的内置轴承，因此现有牙轮钻头的轴承结构存在如下弊端：①牙轮内有轴承孔，牙轮为壳体结构套装在轴颈上，钻头工作时可能引起牙轮开裂或破碎，形成井下事故；②牙轮上设置有牙齿，特别是对镶齿牙轮钻头来讲，为保证牙轮壳体质量和固齿强度，牙轮壳体需满足一定的厚度，因此牙轮内的轴承尺寸不能做得过大，较小的轴承尺寸限制了轴承的强度和使用寿命；③足够大的轴承宽度是保障轴承强度和工作性能的必要条件，因此，需保证较大的牙轮高度（从牙轮底平面至牙轮尖部的距离），一般情况下，牙轮的高径比（牙轮布齿面高度与牙轮外径的比值）均大于0.6，较大的高径比虽有利于增加牙轮内轴承的宽度，但也限制了牙轮的结构和钻头的结构。由于轴承设置于牙轮内，较大的牙轮尺寸及较大的高径比，使现有钻头的牙轮占据了钻头上宝贵而有限的空间。现有牙轮钻头的轴承结构型式在某些条件下会明显影响钻头的轴承寿命以及钻头的安全性和可靠性。

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）按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。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钻头主要有四方面的缺点：第一，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。第二，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。第三，当钻头在较硬地层钻进时，PDC齿难于侵入（吃入）井底岩石表面，特别是当PDC齿发生一定程度磨损后，侵入难度更高，导致钻头在井底打滑，钻速极慢。第四，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。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种能形成交叉刮切破岩，在增加钻头破岩效率的同时，能延长钻头切削齿及轴承寿命，进而延长钻头使用寿命的单牙轮复合钻头，尤其适用于小井眼的钻进。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种单牙轮复合钻头，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述钻头体上还设有一个装有切削齿的牙轮，所述牙轮设置有轴颈，所述钻头体上设置有轴承孔，所述牙轮通过轴颈与所述钻头体上的轴承孔形成转动连接。

上述方案中，该复合钻头提出了一种新的结构形式：常规的牙轮钻头的牙轮和钻头体之间通过钻头体上设置轴颈，牙轮上设置轴孔形成转动配合。而本发明方案恰恰相反，牙轮上设置轴颈，牙轮与轴颈作为一体式结构，钻头体上设置轴承孔，牙轮与钻头体通过牙轮轴颈与钻头体上的轴承孔形成转动配合。该钻头具有常规的固定切削结构的同时还拥有牙轮切削结构,该结构形式下的固定切削结构上的切削齿以同心圆切削的方式作用于井底岩石，形成同心圆环形刮切轨迹；牙轮上的切削齿以挤压刮切的方式破碎井底岩石，牙轮上的切削齿在井底形成空间曲线刮切轨迹。两套刮切轨迹的复合，将在井底形成复杂的交叉网状刮切。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

（1）本发明的切削结构由固定切削结构和非固定的牙轮切削结构组合而成，固定切削齿的同心圆刮切与牙轮的空间曲线刮切在井底形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹相复合，有利于切削齿吃入地层岩石，交叉刮切更易于岩石的破碎，因此本发明能明显提高钻头的破岩效率，在较硬地层或不均质地层钻进时更能体现优越性。

（2）本发明的牙轮切削结构上的切削齿为非固定切削齿，牙轮切削齿在井底的刮切痕迹为空间曲线，在牙轮切削齿与固定切削齿重叠交叉破碎的区域，即使有少量固定切削齿失效，在牙轮切削齿的作用下，该区域仍能被破碎，钻头仍能继续钻进。即本发明复合切削结构的交叉刮切能减少或避免固定切削齿钻头因少数切削齿失效带来的钻头早期失效，能延长钻头使用寿命。

（3）本发明牙轮与钻头体之间通过牙轮底平面伸出的轴颈与钻头体上的轴承孔形成轴承副，牙轮与轴颈为一体式结构，牙轮不再是内空的壳体结构。因此，牙轮的强度将大大增强，能有效避免牙轮壳体的开裂或破损等失效现象；同时，牙轮切削齿的固齿强度也会因镶固深度的增加而增强；此外，易于实现较大的轴承宽度，有利于减少牙轮脱落掉入井底的可能性。

（4）本发明的牙轮与钻头体连接的轴承结构形式能充分利用和发挥钻头上的空间，在获得较大轴承尺寸的同时，所占据的钻头空间相对较小，且因为只有一个牙轮，所以更易于在小尺寸（小直径）钻头上实现，也即更适用于小井眼钻进。

（5）本发明将轴承从牙轮内解放出来，牙轮尺寸不再受其内的轴承尺寸及强度要求的限制，因此牙轮结构设计的变化空间很大。可将牙轮的高径比取得很小，在较大的牙轮直径前提下可取较小的牙轮高度，即将有限的牙轮空间充分用于布齿和破岩，且能保证牙轮强度的同时，为其他结构让出更多的空间。

作为选择，所述牙轮的高径比N的范围为0＜N≤0.4。

牙轮的高径比是指牙轮的布齿面底部至牙轮顶部的距离h（不包含轴颈的长度，如图4、图11）与牙轮直径D之间的比值，即N=h/D。

作为进一步选择，所述牙轮的高径比N的范围为0.1≤N≤0.3。

（6）本发明的轴颈从牙轮底平面伸出，与其配合的轴承孔设置在钻头体上，轴承尺寸不受牙轮尺寸的限制，可根据需要设计较大的轴承尺寸以保证足够的轴承强度。钻头体内设置轴承孔，在不影响固定切削结构布齿的同时，充分利用了钻头体的内部空间，且能充分利用厚实的钻头体为轴承孔提供足够的强度。因此本发明的轴承强度和寿命将远远高于现有牙轮钻头。

作为选择，所述牙轮及轴颈内设置有流道及喷嘴孔，牙轮及轴颈内的流道及喷嘴孔与钻头体内的内流道相连通。

牙轮上的切削齿与井底岩石互作用时，牙轮与井底岩石之间的间隙较小，水力不足，岩屑常滞留于牙轮与井底之间不能及时带走，不利切削齿及井底的清洗，切削齿也不能充分冷却。牙轮及轴颈内设置有流道及喷嘴孔，牙轮及轴颈内的流道及喷嘴孔与钻头体内的内流道相连通，这能为牙轮切削结构提供水力，有利于牙轮与井底之间岩屑的及时带走及切削齿和井底的清洗，有利于切削齿的充分冷却。喷嘴孔上可根据需要安装喷嘴。

作为选择，所述固定切削结构的固定刀翼的数量≥2。

作为选择，所述钻头的固定切削轮廓面为球冠面或近似球冠面。

当钻头的固定切削轮廓面为球冠面或近似球冠面时，钻头钻出的井底也为球冠面或近似球冠面，球冠面易于使钻头切削工作面与井底较好吻合，钻头钻进时的稳定性、钻进的导向性及可控性均较好。

作为进一步选择，所述钻头的固定切削轮廓工作面为半球面或近似半球面。

作为进一步选择，所述牙轮的切削轮廓面位于钻头顶面并被周围的固定切削结构的切削轮廓面包围。

半球面能使钻头切削工作面与井底达到最大程度的吻合，井眼直径一定时，半球面的钻头切削轮廓与井底的接触吻合面积较大，钻头钻进时的稳定性、钻进的导向性及可控性将更好。

作为选择，所述钻头的固定切削齿的径向覆盖区域至少达到钻头径向区域的50%。

钻头的固定切削齿的径向覆盖区域至少达到钻头径向区域的50%，钻头切削结构以固定切削结构为主，牙轮切削结构为辅，其能充分发挥固定切削结构上固定切削齿的刮切作用，辅以牙轮切削齿的空间曲线刮切，达到交叉刮切的效果，促进钻头破岩效率的提高。以固定切削结构为主能充分发挥固定切削结构破岩效率高的优势。

如图1所示，将牙轮轴线、钻头轴线向垂直于这两条线的公垂线的平面投影，牙轮轴线的投影线为AB，钻头轴线的投影线为CD，AB与CD的交点为O。牙轮轴线与钻头轴线的夹角α是指，射线OA（从O指向牙轮尖）与射线OC（从O指向钻头冠部）之间的夹角。当牙轮轴线与钻头轴线平行或重合时，夹角α为0°。

牙轮轴偏移量S是指：当牙轮轴线与钻头轴线不平行且不重合时，牙轮轴线与经过钻头轴线且平行于牙轮轴线的平面之间的距离，如图5所示，并规定：从牙轮切削轮廓面向钻头体看时，牙轮轴线相对钻头轴线往右偏移为正偏移，反之则为负偏移；当牙轮轴线与钻头轴线平行时，牙轮轴偏移量S为两轴线之间的距离；当牙轮轴线与钻头轴线重合或相交时，偏移量S为零。

作为选择，牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围是0°＜α≤90°，牙轮轴偏移量S的范围为-D₀/4＜S＜D₀/4，D₀为钻头直径。

当钻头牙轮轴线与钻头轴线的夹角α＞90°时，牙轮上的切削齿与井底接触的区域在牙轮径向上的长度将小于牙轮半径，或牙轮上的切削齿不能与井底接触，这将影响牙轮上切削齿的正常工作与破岩。

当牙轮轴有偏移时，牙轮上将会有部分切削齿不会与井底岩石接触破岩（偏移较大时），或，有部分切削齿与岩石的接触深部（齿入岩石的深度）将小于其他切削齿与岩石的接触深度（偏移较小时）。钻头旋转钻进时，牙轮绕钻头轴线旋转的同时，也在绕其自身的轴线作自转，牙轮上的切削齿为非固定切削齿，牙轮切削齿在井底的刮切痕迹为较复杂的空间曲线。当牙轮轴有偏移时，牙轮上的部分切削齿与井底接触破岩，在牙轮自转的作用下，牙轮切削齿将以交替的方式轮流进入井底破岩。牙轮切削齿轮流交替工作，变切削齿的持续（切削）破岩为断续破岩，有利于减缓牙轮切削齿的磨损、切削齿的冷却，有利于井底岩屑的带离及切削齿的清洗。因此，牙轮轴偏移能延长钻头的使用寿命。

作为进一步选择，所述牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围是15°≤α≤75°，牙轮轴偏移量S的范围为-D₀/8<S<D₀/8。

钻头上的固定切削结构在钻头外部区域（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，外部区域的破岩任务量也最大。当牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围在45°≤α≤90°时，牙轮切削齿在钻头外部区域与固定切削齿重叠覆盖，能在钻头固定切削结构易于磨损的区域形成复合交叉刮切，有利于外部区域岩石的破碎，减缓该区域固定切削齿的磨损，因此能提高钻头的破岩效率和钻头使用寿命。牙轮轴的偏移能使牙轮切削齿轮流交替工作，但牙轮轴偏移量大到一定程度时，将影响轴承的尺寸，用于较小井眼的小尺寸钻头牙轮轴偏移量不宜过大。

作为选择，所述钻头的切削轮廓面和牙轮的切削轮廓面均为球冠面或近似球冠面，且二球冠面的球心重合或接近重合。

牙轮上牙齿材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片/齿、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。

固定切削结构上的切削齿的材料包括聚晶金刚石复合片/齿、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块等等。

作为优选，钻头体上固定切削结构的固定切削齿和牙轮上的切削齿部分或全部为PDC齿。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。如本发明中，各选择可以和主方案及其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，在此不做穷举。

本发明的有益效果：能明显提高钻头的破岩效率的同时，能延长钻头切削齿的寿命及轴承的寿命，进而延长钻头使用寿命，具有极高的安全性和可靠性，且该钻头具有良好的稳定性、钻进的导向性及可控性，尤其适用于小井眼的钻探。

附图说明

图1为本发明复合钻头的结构示意图。

图2为图1所示结构沿钻头轴线俯视（逆钻头钻进方向看）时的视图，即俯视图。

图3为本发明沿过牙轮轴线且平行于钻头轴线的平面剖切时的剖视图。

图4为本发明的牙轮基本尺寸示意图，牙轮布齿面与轴颈之间有台阶过渡。

图5为牙轮轴偏移量S示意图。

图6为本发明复合钻头的结构示意图。

图7为图6所示结构沿钻头轴线俯视（逆钻头钻进方向看）时的视图，即俯视图。

图8为本发明复合钻头的结构示意图。

图9为本发明的牙轮上使用金刚石（PDC）切削齿时的钻头结构示意图。

图10为图9所示结构沿钻头轴线俯视（逆钻头钻进方向看）时的视图，即俯视图。

图11为本发明的牙轮的一种的示意图，牙轮布齿面与轴颈之间无台阶过渡。

图中标记：1-牙轮、11-牙轮切削齿、12-轴颈、2-钻头体、3-固定切削结构、31-固定切削齿、4-喷嘴、5-锁紧滚珠、6-密封圈。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1至11所示，基本例为：一种单牙轮复合钻头，包括钻头体2和固结在钻头体2上的固定切削结构3，固定切削结构3上设置有固定切削齿31，钻头体2上还设有一个牙轮1，牙轮1上设置有牙轮切削齿11，牙轮1上设置有轴颈12，钻头体2上设置有轴承孔，牙轮1通过轴颈12与钻头体2上的轴承孔形成转动连接。优选，如图3所示，牙轮1上设置有喷嘴孔及喷嘴4，牙轮1的轴颈12与轴承孔之间设有锁紧装置（如图3中的锁紧滚珠5），牙轮1、牙轮轴颈12与钻头体1、轴承孔之间设有密封6。优选，固定切削结构3的固定刀翼的数量≥2。

其中，牙轮1上牙轮切削齿11材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片/齿、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。

固定切削结构上的固定切削齿31的材料包括聚晶金刚石复合片/齿、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块等等。

作为基本例的选择一：如图4、11所示，牙轮1的高径比N的范围为0＜N≤0.4。更进一步地，牙轮1的高径比N的范围为0.1＜N≤0.3。牙轮1的布齿面与轴颈12之间有台阶过渡，如图4，台阶可以作为牙轮1的轴向止推面；牙轮1的布齿面与轴颈12之间无台阶过渡，如图11，轴颈的端部平面可作为牙轮1的轴向止推面。

作为基本例的选择二：如图3所示，牙轮及轴颈内设置有流道及喷嘴孔，牙轮及轴颈内的流道及喷嘴孔与钻头体内的内流道相连通，喷嘴孔上可根据需要安装喷嘴4。

作为基本例的选择三：牙轮1的切削轮廓面背向钻头轴线朝向钻头外侧，如图1-3、5-10所示。

作为基本例的选择四：钻头的切削轮廓面为球冠面或近似球冠面。更进一步地，钻头的切削轮廓面为半球面或近似半球面，如图1-3、5-10所示。

作为基本例的选择五：所述钻头的固定切削齿的径向覆盖区域至少达到钻头径向区域的50%。

作为基本例的选择六：如图1、6、8、9所示，牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围是0°＜α≤90°，牙轮轴偏移量S的范围为-D₀/4＜S＜D₀/4，D₀为钻头直径。更进一步地，牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围是15°≤α≤75°，牙轮轴偏移量S的范围为-D₀/8＜S＜D₀/8。

优选，牙轮1上牙轮切削齿11为金刚石类切削齿，特别是选为极适合以刮切方式破岩的PDC齿（如图9、10）。钻头旋转工作时，牙轮1绕钻头轴线旋转的同时，还会绕自身的轴线转动，牙轮1上的牙轮切削齿11的运动是上述两种运动的复合，牙轮切削齿11在井底形成空间曲线刮切轨迹。牙轮上的切削齿11在与岩石接触互作用时，其相对于岩石的刮切速度的方向在不断变化，当牙轮轴有明显偏移时，牙轮1上的部分切削齿与井底接触破岩，有部分切削齿不与井底岩石接触，牙轮1在牙轮自转的作用下，牙轮切削齿11将以交替的方式轮流进入井底破岩，牙轮1上的牙轮切削齿11与岩石刮切互作用过程中，其相对岩石的刮切速度方向的变化将不大，这有利于金刚石类切削齿，特别是PDC齿的刮切破岩。另外，牙轮切削齿11轮流交替工作，变切削齿的持续（切削）破岩为断续破岩，有利于减缓牙轮切削齿11的磨损、切削齿的冷却，有利于井底岩屑的带离及切削齿的清洗。

作为基本例的选择七：如图6、1、8、9所示，夹角α逐渐减小，如图7、2、10所示，牙轮的切削轮廓面逐渐向钻头顶面靠拢，直至如图9、10所示，牙轮的切削轮廓面位于钻头顶面并被周围的固定切削结构的切削轮廓面包围。

作为基本例的选择八：如图1、3、6、8、9，钻头的切削轮廓面和牙轮的切削轮廓面均为球冠面或近似球冠面，且二球冠面的球心重合或接近重合。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。比如本方案中，各选择例，与其他基本例和选择例进行任意组合均可，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单牙轮复合钻头，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，其特征在于：所述钻头体上还设有一个装有切削齿的牙轮，所述牙轮设置有轴颈，所述钻头体上设置有轴承孔，所述牙轮通过轴颈与所述钻头体上的轴承孔形成转动连接。

2.如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮的高径比N的范围为0＜N≤0.4。

3.如权利要求2所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮的高径比N的范围为0.1≤N≤0.3。

4. 如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮及轴颈内设置有流道及喷嘴孔，牙轮及轴颈内的流道及喷嘴孔与钻头体内的内流道相连通。

5.如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述钻头的固定切削轮廓面为球冠面或近似球冠面。

6.如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述钻头的固定切削齿的径向覆盖区域至少达到钻头径向区域的50%。

7.如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮的切削轮廓面位于钻头顶面并被周围的固定切削结构的切削轮廓面包围。

8.如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围是0°＜α≤90°，牙轮轴偏移量S的范围为-D₀/4＜S＜D₀/4，D₀为钻头直径。

9.如权利要求8所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮轴线与钻头轴线的夹角α的取值范围是15°≤α≤75°，牙轮轴偏移量S的范围为-D₀/8＜S＜D₀/8。

10. 如权利要求1所述的单牙轮复合钻头，其特征在于：所述钻头的切削轮廓面和牙轮的切削轮廓面均为球冠面或近似球冠面，且二球冠面的球心重合或接近重合。

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