CN103556952A - 一种旋转齿钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转齿钻头，包括接头、基体、刀翼和切削齿，切削齿设于刀翼的刀面上，以钻头使用时的前进方向为前方，刀翼由前部刀面最靠近基体前端端面中心位置开始到后部刀面依次设有内锥部、鼻部和外锥部；每个刀翼的刀面上至少设有一个旋转齿，旋转齿为能够绕自身中轴线旋转的切削齿，旋转齿通过旋转装置安装于刀翼上的旋转齿孔内。本发明通过在每个刀翼的刀面上至少设置一个旋转齿，使钻头在切削地层时，旋转齿的切削端面的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了其切削端面的利用率，从而大幅提高了钻头的使用寿命，显著提高了单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头进钻速度，缩短了钻井周期，节约了钻井成本。

Description

一种旋转齿钻头

技术领域

本发明涉及一种石油天然气钻井用钻头，尤其涉及一种具有能够在钻进过程中自动绕其中轴线旋转的旋转齿的旋转齿钻头。

背景技术

近年来，各个油田对石油天然气的开发周期和安全性的要求越来越高，与之相配套的各种工具在性能及其使用寿命上有了很大的提高，在钻井过程中对钻头的机械钻速和进尺的要求也越来越高。比如，PDC钻头（聚晶金刚石复合片钻头的简称）具有特有的对地层切削原理，能大幅提高钻头的机械钻速，成为钻井提速的首选钻头。

近年来，随着材料及制造工艺的改进，PDC钻头对地层的适应性越来越广。传统PDC钻头的切削齿固定钎焊在钻头刀翼上，随着钻头工作时间的上升，切削齿磨损会逐渐加大，钻进机械钻速也随之降低，直至机械钻速过慢而起钻。由于切削齿固定钎焊在钻头刀翼上，在使用正常情况下，直至达到钻头使用寿命时，切削齿的利用率也仅仅为其出刃部分（即露出刀翼本体部分）。其安装埋入刀翼本体部分的切削齿（一般占整个切削齿的50%左右）由于没有参与切削地层，直到钻头使用寿命完也基本保持完好，从而导致钻头的使用寿命较短，单只钻头的进尺能力不足，钻头钻进速度会逐渐降低，延长了钻井周期，提高了钻井成本。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能显著提高切削齿利用率的旋转齿钻头。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述旋转齿钻头包括接头、基体、刀翼和切削齿，所述切削齿设于所述刀翼的刀面上，以所述钻头使用时的前进方向为前方，所述刀翼由前部刀面最靠近所述基体前端端面中心位置开始到后部刀面依次设有内锥部、鼻部和外锥部；每个所述刀翼的刀面上至少设有一个旋转齿，所述旋转齿为能够绕自身中轴线旋转的切削齿，所述旋转齿通过旋转装置安装于所述刀翼上的旋转齿孔内。

上述旋转齿由于采用旋转安装结构，所以在钻头钻进过程中，旋转齿在地层反作用力及旋转装置的作用下能够绕自身中轴线自动旋转，其切削端的整个圆周均能参与地层切削，从而长时间保持对地层的持续的高切削性能。

为了增大利用旋转齿的持续切削性能的概率，所述旋转齿设于所述刀翼的鼻部或/和外锥部上。刀翼的内锥部上的切削齿由于位于内凹处，所以利用率不高，可不用安装旋转齿。

具体地，所述旋转齿为PDC复合齿、热稳定聚晶齿、立方氮化硼齿或硬质合金齿。

优选地，所述旋转齿孔的长度大于所述旋转齿的长度，所述旋转齿孔的外侧边缘设有安装于所述刀翼上的挡板，所述挡板用于挡住所述旋转齿的外侧端部不脱离所述旋转齿孔，所述旋转齿的外侧端部与所述挡板之间留有空隙。这种结构便于加工和安装旋转齿，同时也能确保旋转齿不脱离旋转齿孔。

根据实际应用需求，所述挡板为炭化钨挡板或合金钢挡板，所述挡板直接焊接在所述刀翼上或通过螺钉安装于所述刀翼上；所述旋转齿孔的孔壁为炭化钨、合金钢或含有金刚石的复合体。

具体而言，所述旋转齿的形状为标准圆柱形、底部内凹圆柱形、底部外凸圆柱形、标准锥面形、底部内凹锥面形或底部外凸锥面形；当所述旋转齿的形状为底部内凹圆柱形或底部内凹锥面形时，所述旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凸起的转轴，当所述旋转齿的形状为底部外凸圆柱形或底部外凸锥面形时，所述旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凹槽。

作为优选，设以所述基体前端端面中心点为圆心、以所述旋转齿中心点到所述圆心的距离为半径的圆为圆G，对应的所述旋转齿的中轴线与所述圆G位于所述旋转齿中心点的外切线之间的夹角为H，所述H在所述圆G所在平面内；当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐靠近所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G内且5°≤H≤33°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差1°、2°、3°或5°；或者，当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐靠近所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G内且12°≤H≤26°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差0.5°、0.75°、1°或1.5°；当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐远离所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G外且5°≤H≤33°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差1°、2°、3°或5°；或者，当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐远离所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G外且12°≤H≤26°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差0.5°、0.75°、1°或1.5°。上述结构中，根据旋转齿的不同排列方式，每个旋转齿采用不同安装角度，能够尽可能弥补不同排列方式而导致不同的切削效率的不足，从而实现旋转齿对整个钻头的高效、持久切削性能的最优化支持。

根据实际应用需求，所述旋转装置为滚珠轴承、滚柱轴承、滚针轴承、滑动轴承或/和条形滑动幅，所述旋转装置设于所述旋转齿孔内并位于所述旋转齿与所述旋转齿孔壁之间。这些旋转装置均为常规的旋转装置，根据应用需要还可以有更多变化，只要满足使旋转齿在钻进过程中能够自由旋转即可；或者，也可以根据其自动旋转所需的力度来选择不同的单一旋转装置或多种旋转装置组合。

具体地，所述刀翼为钢体刀翼、胎体刀翼或其它合成金属刀翼。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在每个刀翼的刀面上至少设置一个旋转齿，使钻头在切削地层时，旋转齿的切削端面的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了其切削端面的利用率，从而大幅提高了钻头的使用寿命，显著提高了单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头进钻速度，缩短了钻井周期，节约了钻井成本。本发明所述钻头的旋转齿结构适用于一切带切削齿的钻头如石油天然气钻井、地质勘探或矿山钻探用钻头。

附图说明

图1是本发明所述旋转齿钻头的俯视结构示意图；

图2是本发明所述旋转齿钻头在主视角度的轴向剖视图，图中只取了整个剖视图的一半，另一半为对称结构；

图3是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之一；

图4是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之二；

图5是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之三；

图6是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之四；

图7是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之五；

图8是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之六；

图9是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之七；

图10是本发明所述旋转齿与刀翼之间的结构示意图之八；

图11是本发明所述挡板的安装结构示意图之一；

图12是本发明所述挡板的安装结构示意图之二；

图13是本发明所述旋转齿钻头的旋转齿排列方式之一的俯视结构示意图；

图14是本发明所述旋转齿钻头的旋转齿排列方式之二的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1和图2所示，本发明所述旋转齿钻头包括接头1、基体3、刀翼5和切削齿6，接头1与基体3一体成型，基体3上设有卸扣槽2，切削齿6设于刀翼5的刀面上并分布于布齿线7上，以所述钻头使用时的前进方向为前方（即图2中的上方），前端延伸至靠近基体1的前端端面中心点的刀翼5上的切削齿6为主切削齿61，前端距离基体1的前端端面中心点较远的刀翼5上的切削齿6为后排切削齿62，相邻的刀翼5之间的基体3上设有水眼8，刀翼5的后部为保径4，刀翼5由前部刀面最靠近基体3的前端端面中心位置开始到后部刀面依次设有内锥部C、鼻部D和外锥部E，上述结构都是钻头的常规结构；本发明的改进在于：结合图1-图10和图13、图14，每个刀翼5的刀面上的鼻部D或/和外锥部E上至少设有一个旋转齿9，旋转齿9为能够绕自身中轴线旋转的切削齿6，旋转齿9通过旋转装置安装于刀翼5上的旋转齿孔（因该孔内安装有旋转齿9，所以未在图中示出该孔）内，也就是说，旋转齿9也是切削齿6中的一种，与常规的切削齿6不同之处在于：常规的切削齿6固定安装于刀翼5上，旋转齿9旋转安装于刀翼5上。

如图1-图12所示，旋转齿9与刀翼5之间的安装结构中，旋转齿孔的长度大于旋转齿9的长度，旋转齿孔的外侧边缘设有安装于刀翼5上的挡板15，挡板15用于挡住旋转齿9的外侧端部不脱离旋转齿孔，旋转齿9的外侧端部与挡板15之间留有空隙，以便于旋转齿9自由旋转。如图3-图7所示，旋转齿9的外侧端面设有切削地层的切削层14（比如金刚石层），这个结构与传统的切削齿6的结构一致。

具体而言，旋转齿9的形状及其与刀翼5之间的安装结构有很多变化，下面举出几种优选示例：

如图3所示，旋转齿9的形状为底部内凹圆柱形，旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凸起的转轴10，旋转齿9的底部的内凹槽套在转轴10上，旋转齿9的底部与旋转齿孔的底部之间、旋转齿9的底部的凹槽壁与转轴10之间均设有滚珠轴承11，挡板15通过螺钉16安装于刀翼5上。这种结构中，挡板15的结构如图12所示，其自身设有安装孔18，需通过螺钉16安装。

如图4所示，旋转齿9的形状为底部内凹圆柱形，旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凸起的转轴10，旋转齿9的底部的内凹槽套在转轴10上，旋转齿9的底部与旋转齿孔的底部之间设有滚珠轴承11，旋转齿9的底部的凹槽壁与转轴10之间设有滑动轴承13，挡板15通过其自身的安装轴17安装于刀翼5上并钎焊固定。这种结构中，挡板15的结构如图12所示，其自身设有安装轴17。

如图5所示，旋转齿9的形状为标准圆柱形，旋转齿9的底部与旋转齿孔的底部之间设有滚珠轴承11，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间设有滚柱轴承12，挡板15通过螺钉16安装于刀翼5上。这种结构中，如图8所示，首、尾滚柱轴承12与旋转齿9的中心轴线形成的夹角A的范围是110°～180°，也就是说，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间的一半以内的空隙设有滚柱轴承12；或者，如图9所示，相邻的滚柱轴承12之间还设置了条形滑动幅19，首、尾滚柱轴承12或条形滑动幅19与旋转齿9的中心轴线形成的夹角A的范围是110°～180°，也就是说，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间的一半以内的空隙设有滚柱轴承12和条形滑动幅19。

如图6所示，旋转齿9的形状为底部外凸圆柱形，旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凹槽（图中未标记），旋转齿9的底部的外凸柱置于该凹槽内，旋转齿9的底部与旋转齿孔的底部之间设有滚珠轴承11，、旋转齿9的底部的外凸柱与旋转齿孔的底部凹槽之间留有空隙，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间设有滚柱轴承12，挡板15通过螺钉16安装于刀翼5上。这种结构中，如图8所示，首、尾滚柱轴承12与旋转齿9的中心轴线形成的夹角A的范围是110°～180°，也就是说，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间的一半以内的空隙设有滚柱轴承12；或者，如图9所示，相邻的滚柱轴承12之间还设置了条形滑动幅19，首、尾滚柱轴承12或条形滑动幅19与旋转齿9的中心轴线形成的夹角A的范围是110°～180°，也就是说，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间的一半以内的空隙设有滚柱轴承12和条形滑动幅19。

如图7所示，旋转齿9的形状为标准锥面形，旋转齿9的底部与旋转齿孔的底部之间设有滚珠轴承11，旋转齿9的圆周表面与旋转齿孔的圆周壁之间设有滚柱轴承12，挡板15通过螺钉16安装于刀翼5上。这种结构中，如图10所示，相邻的滚柱轴承12之间还设置了条形滑动幅19。

此外，旋转齿9的形状还可以为底部内凹锥面形或底部外凸锥面形，也可以为其它形状，只要满足旋转齿9能够自由旋转的条件即可；旋转装置也可以为滚针轴承或其它部件，只要满足旋转齿9能够自由旋转的条件即可。

根据旋转齿9的不同排列方式，每个旋转齿9采用不同安装角度，能够尽可能弥补不同排列方式而导致不同的切削效率的不足，从而实现旋转齿对整个钻头的高效、持久切削性能的最优化支持，具体情形如下：

如图1、图2、图13和图14所示，设以基体3前端端面的中心点为圆心、以旋转齿9的中心点到该圆心的距离为半径的圆为圆G（是一个虚拟圆，图中未示出，但结合附图能够理解），对应的旋转齿9的中轴线与圆G位于旋转齿9的中心点的外切线之间的夹角为H（是一个虚拟夹角，图中未示出，但结合附图能够理解），H在圆G所在平面内。

下面结合附图分述旋转齿9的两种不同排列方式的不同结构：

结合图2和图13所示，当相邻的刀翼5上的对应旋转齿9的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向（图13中的逆时针方向）上逐渐靠近基体3前端端面的中心点”时，即不同的刀翼5上对应的旋转齿90、旋转齿91、旋转齿92、旋转齿93和旋转齿94（为了体现不同刀翼5上的旋转齿9之间的排列顺序，这里用不同编号指代不同的旋转齿9）按图13的方式排列时，则旋转齿9的切削端位于圆G内且5°≤H≤33°，相邻的两个刀翼5上相对应的旋转齿的H相差1°、2°、3°或5°；或者，旋转齿9的切削端位于圆G内且12°≤H≤26°，相邻的两个刀翼5上相对应的旋转齿的H相差0.5°、0.75°、1°或1.5°。

结合图2和图14所示，当相邻的刀翼5上的对应旋转齿9的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向（图14中的逆时针方向）上逐渐远离基体3前端端面的中心点”时，即不同的刀翼5上对应的旋转齿95、旋转齿96、旋转齿97、旋转齿98和旋转齿99（为了体现不同刀翼5上的旋转齿9之间的排列顺序，这里用不同编号指代不同的旋转齿9）按图14的方式排列时，则旋转齿9的切削端位于圆G外且5°≤H≤33°，相邻的两个刀翼5上相对应的旋转齿9的H相差1°、2°、3°或5°；或者，旋转齿9的切削端位于圆G外且12°≤H≤26°，相邻的两个刀翼5上相对应的旋转齿9的H相差0.5°、0.75°、1°或1.5°。

结合图13和图14，当相邻的刀翼5上的对应旋转齿9的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向（图13和图14中的逆时针方向）上与基体3前端端面的中心点距离相同”时，则旋转齿9的切削端位于圆G上且H等于或基本等于0°，这种结构未在图中示出，但容易理解。

根据实际应用需求，旋转齿9为PDC复合齿、热稳定聚晶齿、立方氮化硼齿或硬质合金齿；挡板15为炭化钨挡板或合金钢挡板，旋转齿孔的孔壁为炭化钨、合金钢或含有金刚石的复合体；刀翼5为钢体刀翼、胎体刀翼或其它合成金属刀翼。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种旋转齿钻头，包括接头、基体、刀翼和切削齿，所述切削齿设于所述刀翼的刀面上，以所述钻头使用时的前进方向为前方，所述刀翼由前部刀面最靠近所述基体前端端面中心位置开始到后部刀面依次设有内锥部、鼻部和外锥部，其特征在于：每个所述刀翼的刀面上至少设有一个旋转齿，所述旋转齿为能够绕自身中轴线旋转的切削齿，所述旋转齿通过旋转装置安装于所述刀翼上的旋转齿孔内。

2.根据权利要求1所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述旋转齿设于所述刀翼的鼻部或/和外锥部上。

3.根据权利要求1所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述旋转齿为PDC复合齿、热稳定聚晶齿、立方氮化硼齿或硬质合金齿。

4.根据权利要求1、2或3所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述旋转齿孔的长度大于所述旋转齿的长度，所述旋转齿孔的外侧边缘设有安装于所述刀翼上的挡板，所述挡板用于挡住所述旋转齿的外侧端部不脱离所述旋转齿孔，所述旋转齿的外侧端部与所述挡板之间留有空隙。

5.根据权利要求4所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述挡板为炭化钨挡板或合金钢挡板，所述挡板直接焊接在所述刀翼上或通过螺钉安装于所述刀翼上。

6.根据权利要求1、2或3所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述旋转齿孔的孔壁为炭化钨、合金钢或含有金刚石的复合体。

7.根据权利要求1、2或3所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述旋转齿的形状为标准圆柱形、底部内凹圆柱形、底部外凸圆柱形、标准锥面形、底部内凹锥面形或底部外凸锥面形；当所述旋转齿的形状为底部内凹圆柱形或底部内凹锥面形时，所述旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凸起的转轴，当所述旋转齿的形状为底部外凸圆柱形或底部外凸锥面形时，所述旋转齿孔的底部内壁上设有对应的凹槽。

8.根据权利要求1、2或3所述的旋转齿钻头，其特征在于：设以所述基体前端端面中心点为圆心、以所述旋转齿中心点到所述圆心的距离为半径的圆为圆G，对应的所述旋转齿的中轴线与所述圆G位于所述旋转齿中心点的外切线之间的夹角为H，所述H在所述圆G所在平面内；当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐靠近所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G内且5°≤H≤33°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差1°、2°、3°或5°；或者，当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐靠近所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G内且12°≤H≤26°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差0.5°、0.75°、1°或1.5°；当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐远离所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G外且5°≤H≤33°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差1°、2°、3°或5°；或者，当相邻的所述刀翼上的对应旋转齿的排列方式为“在所述钻头使用时的旋转方向上逐渐远离所述基体前端端面中心点”时，则所述旋转齿的切削端位于所述圆G外且12°≤H≤26°，相邻的两个所述刀翼上相对应的旋转齿的H相差0.5°、0.75°、1°或1.5°。

9.根据权利要求1、2或3所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述旋转装置为滚珠轴承、滚柱轴承、滚针轴承、滑动轴承或/和条形滑动幅，所述旋转装置设于所述旋转齿孔内并位于所述旋转齿与所述旋转齿孔壁之间。

10.根据权利要求1、2或3所述的旋转齿钻头，其特征在于：所述刀翼为钢体刀翼、胎体刀翼或其它合成金属刀翼。

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