CN104612589B - 一种基于非平面结合的pdc加强齿的单牙轮钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头，它包括钻头本体（1）和牙轮（2），牙轮（2）上分布有布齿带（5），布齿带（5）上设有齿孔，牙轮（2）布齿面包括主切削区（9）和辅助切削区（10），布齿带（5）上位于主切削区（9）内的齿孔内镶焊有非平面结合的PDC加强齿（3），布齿带（5）上位于辅助切削区（10）内的齿孔内镶有硬质合金锥球齿（4）。本发明的有益效果：采用硬质合金锥球齿与非平面结合的PDC加强齿相搭配的牙齿，通过合理布置牙齿在牙轮布齿带上的结构角度，使主切削区的牙齿耐磨性更强，使单牙轮钻头可应用于较硬及研磨性的地层，牙轮采用圈状交错布齿，可消除切削死点，提高钻头的破岩效率和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油、矿山、地质钻探及地热开采等领域的单牙轮钻头，特别是一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头。
背景技术
单牙轮钻头以较高的机械钻速获得钻井界的青睐，并成为小井眼、侧钻及深井钻井提速中的主选钻头。目前应用的单牙轮钻头主要由牙轮和钻头体等部分组成，牙轮上的切削齿一般采用硬质合金镶齿，呈纵排或螺旋形布置于牙轮上。单牙轮钻头主要依赖牙齿的刮挤、剪切加扭切方式破碎岩石，牙齿以变角度压入岩石；牙轮上不同位置的齿在井底形成网状的刮切运动轨迹，从而完成对井底岩石的全面覆盖。刮切的破岩方式要求单牙轮钻头的牙齿具有较强的耐磨性，但是牙轮上的牙齿一般为硬质合金镶齿，牙齿的耐磨能力不足，因此，牙齿的磨损寿命较短是制约单牙轮钻头使用寿命的主要因素。PDC钻头主要以刮挤、剪切方式破碎岩石，牙齿以定角度切入破碎岩石，PDC切削齿的主要组成部分是聚晶金刚石复合片，一般为圆柱形，PDC齿出色的耐磨性使切削齿刃口的钝化速度大大减缓。室内实验研究表明：普通的PDC齿直接应用于单牙轮钻头有缺陷，其原因是不能克服单牙轮钻头在变角度切削过程中产生的平行于滚压面的剪切力，这会导致普通PDC齿的复合片与硬质合金基体剥离。中国专利CN2011202987359，公开了一种聚晶金刚石复合片与硬质合金非平面结合的加强齿，其由聚晶金刚石复合片和硬质合金基体组成，该加强齿内部呈非平面啮合结构，聚晶金刚石复合片由上层的圆柱形区和下层呈V形的异形区组成，从而使切削齿具有高抗剪能力，极大地减小了使复合片剥离的剪切力。
但单牙轮钻头失效的主要形式仍是牙齿的先期过度磨损和切削“死点”。目前使用的硬质合金齿的单牙轮钻头，只能应用于较软地层，对于碳酸盐、石英含量高的硬及研磨性地层，其先期磨损相当严重，寿命极短。因此，研究抗磨性强、岩性适应性更广泛的单牙轮钻头，不仅是提高单牙轮钻头寿命和小井眼侧钻及深井提速的当务之急，而且也对今后相关学科研究有着重要的参考价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种提高耐磨性能、消除切削死点、延长使用寿命的基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头，它包括钻头本体和牙轮，牙轮布齿面为半径为R的球形面，牙轮轴线与钻头本体轴线间存在夹角β，牙轮上具有与钻头本体相配合的牙轮端面，牙轮中心到牙轮端面的距离为L，以牙轮布齿面上任意一点到牙轮端面的垂直距离为hm，所述的牙轮布齿面上纵向设置有至少五个布齿带，布齿带呈螺旋状或直条状，布齿带上设有齿孔，牙轮布齿面包括主切削区和辅助切削区，牙轮布齿面上L-Rsinβ≤hm≤L+Rsinβ的点形成区域为主切削区，牙轮布齿面上hm≥L+Rsinβ的点形成区域为辅助切削区，布齿带上位于主切削区内的齿孔内镶焊有非平面结合的PDC加强齿，布齿带上位于辅助切削区内的齿孔内镶有硬质合金锥球齿。
相邻布齿带上的齿孔沿牙轮轴线方向上呈相互交错布置。
所述的非平面结合的PDC加强齿的切削表面与布齿带纵向切面的夹角为5°～30°，非平面结合的PDC加强齿轴线与牙轮端面的夹角为0°～25°。
所述的硬质合金锥球齿的法线垂直于牙轮布齿面。
每个布齿带位于辅助切削区内的部分上至少设有一个齿孔。
本发明具有以下优点：本发明改变了单牙轮钻头牙齿材料和形状，采用硬质合金锥球齿与非平面结合的PDC加强齿相搭配的牙齿，钻头形成的井眼以主切削区的非平面结合的PDC加强齿通过滚压+刮挤+扭切方式破岩，辅助切削区的硬质合金锥球齿以旋切方式配以水力射流参与破碎井底边缘区域的岩石，通过合理布置非平面结合的PDC加强齿在牙轮布齿带上的结构角度，使得主切削区的牙齿耐磨性更强，有利于提高牙齿的使用寿命，而且使得单牙轮钻头可以应用于较硬的研磨性地层。牙轮表面的布齿规律采用圈状交错布齿，消除了切削死点，提高了钻头的破岩效率。
附图说明
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图1 为本发明的结构示意图
图2 为本发明的布齿面区域分布结构示意图
图3 为本发明的牙轮的结构示意图
图4 为本发明的牙轮布齿定位点结构示意图
图5 为本发明的非平面结合的PDC加强齿的前倾角结构示意图
图6 为本发明的非平面结合的PDC加强齿的侧转角结构示意图
图中，1-钻头本体，2-牙轮，3-非平面结合的PDC加强齿，4-硬质合金锥球齿，5-布齿带，6-牙轮轴线，7-钻头本体轴线，8-牙轮端面，9-主切削区，10-辅助切削区，11-切削表面，12-非平面结合的PDC加强齿轴线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1所示，一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头，它包括钻头本体1和牙轮2，牙轮2布齿面为半径为R的球形面，牙轮轴线6与钻头本体轴线7间存在夹角β，本实施例中夹角β为50°，牙轮2上具有与钻头本体1相配合的牙轮端面8，牙轮2中心到牙轮端面8的距离为L，本实施例中L为27.5mm，以牙轮2布齿面上任意一点到牙轮端面8的垂直距离为hm，牙轮2布齿面上纵向设置有至少五个布齿带5，布齿带5呈螺旋状或直条状，本实施例中牙轮2布齿面上纵向设置有七个布齿带5，如图1、图3所示，布齿带5上设有齿孔，牙轮2布齿面包括主切削区9和辅助切削区10，如图2所示，牙轮2布齿面上L-Rsinβ≤hm≤L+Rsinβ的点形成区域为主切削区9，牙轮2布齿面上hm≥L+Rsinβ的点形成区域为辅助切削区10，布齿带5上位于主切削区9内的齿孔内镶焊有非平面结合的PDC加强齿3，本实施例中，每个布齿带5上布置有3颗非平面结合的PDC加强齿3，布齿带5上位于辅助切削区10内的齿孔内镶有硬质合金锥球齿4，本实施例中硬质合金锥球齿4直径为12mm，齿高14mm，牙齿出露高度8mm。非平面结合的PDC加强齿3可采用中国专利CN2011202987359公开的聚晶金刚石复合片与硬质合金非平面结合的加强齿，本实施例中非平面结合的PDC加强齿3直径为14mm，齿高15.5mm，牙齿出露高度9mm。
如图1、图3、图4所示，相邻布齿带5上的齿孔沿牙轮轴线6方向上呈相互交错布置。
所述的非平面结合的PDC加强齿3的切削表面11与布齿带5纵向切面的夹角为5°～30°，此夹角即为非平面结合的PDC加强齿3的前倾角，如图5所示，本实施例中所述的非平面结合的PDC加强齿3的切削表面11与布齿带5纵向切面的夹角为25°；非平面结合的PDC加强齿轴线12与牙轮端面8的夹角为0°～25°，此夹角即为非平面结合的PDC加强齿3的侧转角，如图6所示，本实施例中所述的非平面结合的PDC加强齿轴线12与牙轮端面8的夹角为5°。
所述的硬质合金锥球齿4的法线垂直于牙轮2布齿面。
每个布齿带5位于辅助切削区10内的部分上至少设有一个齿孔，如图1、图3所示，本实施例中每个布齿带5位于辅助切削区10内的部分上设有一个齿孔。
工作时，钻头形成的井眼以主切削区9的非平面结合的PDC加强齿3通过滚压+刮挤+扭切方式破岩，硬质合金锥球齿4以旋切方式配以水力射流参与破碎井底边缘区域的岩石。非平面结合的PDC加强齿3以及其在牙轮2布齿带5上的结构角度，有利于牙齿吃入岩石，并使得主切削区9的牙齿耐磨性更强；相邻布齿带5上的齿沿牙轮轴线6方向上采用圈状交错布齿规律分布，保证井底覆盖率，消除了切削死点；从而显著提高了单牙轮钻头的破岩效率及其寿命，而且使得单牙轮钻头可以应用于较硬的研磨性地层。
Claims (3)
1. 一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头，它包括钻头本体（1）和牙轮（2），牙轮（2）布齿面为半径为R的球形面，牙轮轴线（6）与钻头本体轴线（7）间存在夹角β，牙轮（2）上具有与钻头本体（1）相配合的牙轮端面（8），牙轮（2）中心到牙轮端面（8）的距离为L，以牙轮（2）布齿面上任意一点到牙轮端面（8）的垂直距离为hm，其特征在于：所述的牙轮（2）布齿面上纵向设置有至少五个布齿带（5），布齿带（5）呈螺旋状或直条状，布齿带（5）上设有齿孔，相邻布齿带（5）上的齿孔沿牙轮轴线（6）方向上呈相互交错布置，牙轮（2）布齿面包括主切削区（9）和辅助切削区（10），牙轮（2）布齿面上L-Rsinβ≤hm≤L+Rsinβ的点形成区域为主切削区（9），牙轮（2）布齿面上hm≥L+Rsinβ的点形成区域为辅助切削区（10），布齿带（5）上位于主切削区（9）内的齿孔内镶焊有非平面结合的PDC加强齿（3），所述的非平面结合的PDC加强齿（3）的切削表面（11）与布齿带（5）纵向切面的夹角为5°～30°，非平面结合的PDC加强齿轴线（12）与牙轮端面（8）的夹角为0°～25°，布齿带（5）上位于辅助切削区（10）内的齿孔内镶有硬质合金锥球齿（4）。
2.根据权利要求1所述的一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头，其特征在于：所述的硬质合金锥球齿（4）的法线垂直于牙轮（2）布齿面。
3.根据权利要求1所述的一种基于非平面结合的PDC加强齿的单牙轮钻头，其特征在于：每个布齿带（5）位于辅助切削区（10）内的部分上至少设有一个齿孔。
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