CN103758458A - 一种混合式单牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式单牙轮钻头，属于钻探领域。所述钻头包括一个牙掌和一个牙轮，牙轮表面镶装有用以破碎岩石的牙齿，其特征在于：牙掌掌背延长线和轴颈斜面延长线的交点P在高度上低于牙轮牙齿齿顶；在牙掌底部加工布齿面，布齿面上安装切削元件。本发明的有益效果是牙轮上牙齿和牙掌上的切削元件共同破碎井底岩石，在一个钻头上实现了固定式钻头和牙轮钻头两种方式破岩；钻头结构简单可靠，可灵活设计牙掌上切削元件的数目和位置，以及切削元件的出露高度和牙轮上牙齿的出露高度差，以满足钻进不同地层的需要，最大程度的提高破岩效率和钻头寿命；同时，牙掌向井底延申，占据了没有被牙轮覆盖的井底区域，使钻头成为一个满眼钻头，有利于提高钻头的稳定性。

Description

一种混合式单牙轮钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气、矿山工程、水文和地质勘探钻探设备领域，具体地讲涉及一种混合式单牙轮钻头。

背景技术

钻井中常用的钻头有两类。一类是牙轮钻头，另一类是金刚石钻头。牙轮钻头中又有三牙轮钻头、两牙轮钻头、单牙轮钻头。金刚石钻头中有PDC钻头、孕镶钻头等。牙轮钻头通过牙齿对地层的冲击和刮削破碎岩石，适用于软硬交替地层，对地层适应较好，其缺点是牙齿易磨损和断裂，寿命较低。PDC钻头靠金刚石复合片对地层剪切破碎岩石，切削效率高，适宜破碎均质地层，有较高的机械钻速和寿命。由于牙轮钻头的的运动方式不同于PDC钻头，不能直接将PDC复合片安装在牙轮上作为切削齿使用。多年来，牙轮钻头的结构是主切削齿安装在牙轮上，位于牙轮小端的的切削齿破碎井底中心区域，位于牙轮大端切削齿切削井壁和井底外部区域。牙掌爪尖在井底之上，在爪尖处没有安装切削齿的空间，只能在牙掌上部安装部分保径齿，这种牙掌结构决定了牙掌只起支撑牙轮的作用，不能起到破岩作用。钻头设计和使用者都致力于将金刚石材料用于牙轮钻头上，以期待提高钻头的破岩效率和寿命。人们曾将牙轮上的硬质合金切削齿替换成金刚石加强的硬质合金齿，但这种齿也因质量原因和成本较高并没有在牙轮钻头上普遍采用。多年来牙轮钻头的结构形式没有太大的变化，限制了金刚石切削元件的牙轮钻头上的使用。

目前只有球形单牙轮钻头在油田使用。球形单牙轮钻头在井底依靠牙齿刮削破碎岩石，形成网状的切削轨迹，在软地层中有较高的机械钻速和寿命，但在硬地层和研磨性强地层中由于硬质合金牙齿先期磨损严重，钻头的平均机械钻速和寿命较低，影响了单牙轮钻头的扩大使用。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种新的牙掌形式，与单牙轮结构相结合，形成一种混合式单牙轮钻头。这种钻头既采用了PDC钻头的破岩方式，又采用了牙轮钻头的破岩方式，从而提高了钻头的破岩效率和使用寿命。

本发明的技术方案如下：

一种混合式单牙轮钻头，包括一个牙掌和一个牙轮，牙轮表面镶装有用以破碎岩石的牙齿。其特征在于：牙掌掌背延长线和轴颈斜面延长线的交点P在高度上低于所有牙轮牙齿齿顶，在牙掌底部加工一布齿面，布齿面面积S的范围为

其中D为钻头直径；布齿面上镶装或焊接切削元件，与牙轮上的牙齿共同破碎井底岩石。

本发明的特点包括：

（1）布齿面的形状为回转锥面或曲面，回转轴为钻头旋转中心。

（2）钻头运动时，牙轮小端部位的牙齿切削井底外部区域和井壁，起保径作用；牙轮大端部位的牙齿切削井底中心区域。

（3）布齿面切削元件包络面轮廓母线与牙轮齿顶包络面轮廓母线相对于钻头轴线对称或牙轮齿顶包络面轮廓母线比布齿面切削元件包络面轮廓母线低1～10mm。

作为优选，切削元件可以为PDC齿、金刚石复合齿、孕镶金刚石齿。

本发明的有益效果：牙掌布齿面上安装切削元件形成固定切削结构，如同PDC钻头样破碎岩石，可以辅助牙轮上牙齿破碎岩石。在一个钻头上实现了PDC钻头和牙轮钻头两种方式破岩。这样既结合了两种钻头的的优点又迩补了缺点。钻头结构简单可靠，可灵活设计牙掌上切削元件的数目和位置，以及切削元件的出露高度和牙轮上牙齿的出露高度差，以满足钻进不同地层的需要，最大程度的提高破岩效率和牙齿寿命；同时，牙掌向井底延申，布齿面占据了没有被牙轮覆盖的井底区域，使钻头成为一个满眼钻头，有利于提高钻头的稳定性。

附图说明

图1为本发明的混合式单牙轮钻头结构示意图；

图2为图1所示结构沿钻头轴线俯视（逆钻头钻进方向）时的视图；

图3为牙掌布齿面的示意图；

图4为牙掌掌背延长线和轴颈斜面延长线的交点P的示意图；

图5为牙齿齿顶包络面轮廓母线与布齿面切削元件包络面轮廓母线对称时的示意图；

图6为牙齿齿顶包络面轮廓母线比布齿面切削元件包络面轮廓母线低H时的示意图；

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。

实施例1：

如图1、2所示，本单牙轮钻头主要由牙掌1和牙轮2组成，牙掌上有钻头柄3，轴颈等4。牙轮2装配在轴颈4上，并能灵活转动。牙轮上镶装有能破碎岩石的牙齿5；牙掌掌背和轴颈斜面的交点P在高度上低于牙轮牙齿齿顶，在牙掌底部加工一布齿面6，在布齿面上焊接切削元件7。

布齿面6的形状为回转锥面，回转轴为钻头旋转中心8。

钻头运动时，牙轮小端部位的牙齿切削井底外部区域和井壁，起保径作用；牙轮大端部位的牙齿切削井底中心区域。

钻头安装完成后，牙轮上牙齿齿顶包络面轮廓母线9与布齿面切削元件包络面轮廓母线10相对于钻头轴线8对称，如附图5所示

作为优选，切削元件7可以为PDC齿、金刚石复合齿、孕镶金刚石齿。

实施例2：

钻头安装完成后，如果将牙齿5齿顶包络面轮廓母线9绕钻头旋转中心8旋转180°后，母线9表示为线段11。线段11与布齿面切削元件7包络面轮廓母线10相比较，在高度上，线段11比布齿面切削元件7包络面轮廓母线10低H，H取值范围为1～10mm，如附图6所示。钻头在破岩时，由牙轮上的牙齿5在井底压出一系列破碎坑，再由PDC齿7切削破碎坑周围高出的岩脊，这样可提高钻头的破岩效率。

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 (8)

1.一种单牙轮钻头，包括一个牙掌（1）和一个牙轮（2），牙轮（2）表面镶装有用以破碎岩石的牙齿（5），其特征在于：所述牙掌（1）掌背延长线和轴颈斜面延长线的交点P在高度上低于所述牙齿（5）齿顶；牙掌（1）底部加工布齿面（6），所述布齿面（6）的面积S的范围为

其中D为所述单牙轮钻头的直径；布齿面（6）上安装切削元件（7），与牙齿（5）共同破碎井底岩石。

2.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：所述布齿面（6）的形状为回转锥面或回转曲面，回转轴为所述单牙轮钻头旋转中心（8）。

3.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：钻头运动时，所述牙轮（2）小端部位的牙齿切削井底外部区域和井壁，大端部位的牙齿切削井底中心区域。

4.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：所述切削元件（7）包络面轮廓母线（10）与牙齿（5）齿顶包络面轮廓母线（9）相对于钻头旋转中心（8）对称。

5.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：所述牙齿（5）齿顶包络面轮廓母线（9）绕旋转中心（8）旋转180°后，与切削元件（7）包络面轮廓母线（10）相比较，所述牙齿（5）齿顶包络面轮廓母线（9）在高度上比所述切削元件（7）包络面轮廓母线（10）低H，H取值范围为1<H<10mm。

6.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：所述切削元件（7）为PDC复合片。

7.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：所述切削元件（7）为金刚石复合齿。

8.如权利要求1所述的单牙轮钻头，其特征在于：所述切削元件（7）为孕镶金刚石齿。

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