CN104763344A - 自平衡式双心扩眼钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种自平衡式双心扩眼钻头，包括上部的领眼钻头和下部的扩眼刀翼组。上部的领眼钻头设置有领眼第一刀翼、领眼第二刀翼、领眼第三刀翼和领眼第四刀翼，扩眼刀翼组设置有二至四个刀翼，各刀翼上布置有用于破碎岩石的切削齿；领眼第二刀翼与领眼第一刀翼呈180°夹角，领眼第三刀翼与领眼第一刀翼呈第一夹角β设置，领眼第四刀翼与领眼第三刀翼相对于领眼第一刀翼对称设置；扩眼刀翼组固定于钻头下部本体的一侧，与领眼钻头呈一定角度设置。该双心扩眼钻头的领眼钻头和扩眼刀翼组工作过程中所受到的力大小相等、方向相反，能够做到相互抵消，从而使钻头自动保持平衡、稳定的工作状态，保证了扩眼质量，提高了钻头寿命。

Description

自平衡式双心扩眼钻头
技术领域
本发明涉及一种石油、地质、煤炭钻探用的扩眼工具，尤其涉及一种自平衡式双心扩眼钻头。
背景技术
双心扩眼钻头是一种一体式的扩眼工具，能够在钻进的同时扩大井径，避免了普通扩眼作业先钻后扩导致的低效率与高费用。
如图1所示，双心扩眼钻头200包括领眼钻头210与扩眼刀翼组220，两部分的刀翼上分布有PDC(Polycrystalline Diamond Composite，聚晶金刚石复合片)切削齿，工作时两部分同心旋转，领眼钻头210负责破岩钻进地层230，扩眼刀翼组220负责将井径扩大。
如图2所示，阴影区域201为领眼钻头，阴影区域202为扩眼刀翼组，空白区域203为井眼空间；R1为已钻成的井眼半径，R2为领眼部分的半径，R3为扩眼后的井眼半径，即扩眼部分的半径；O1为已钻成的井眼轴心，O2为扩眼钻头的旋转轴心，即领眼钻头的轴心；α为扩眼刀翼组的覆盖角；δ为钻头旋转中心与已钻成井眼中心的偏心距。双心扩眼钻头能够通过已经钻成的井眼，并在旋转后将井眼扩大。
如图3、图4所示，双心扩眼钻头由于结构限制，扩眼刀翼组220不能围绕钻头体360°布置，旋转钻进时会受到很大的不平衡合力FX。现有的领眼钻头210采用了常规PDC钻头的设计方法，领眼钻头受力平衡。在领眼钻头受力平衡而扩眼刀翼组受力不平衡的情况下，会导致整个钻头工作状态不稳定，钻头易产生剧烈的涡动，严重影响了扩眼质量和钻头寿命。
由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种自平衡式双心扩眼钻头，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自平衡式双心扩眼钻头，能够解决现有双心扩眼钻头受力不平衡导致工作状态不稳定的问题，提高了扩眼质量和扩眼速度。
本发明的目的是这样实现的，一种自平衡式双心扩眼钻头，包括上部的领眼钻头和下部的扩眼刀翼组，所述领眼钻头包括有钻头本体，所述钻头本体顶部周向设置有领眼第一刀翼、领眼第二刀翼、领眼第三刀翼和领眼第四刀翼；所述领眼第一刀翼的上部顶端位于所述领眼钻头顶部中心，所述领眼第一刀翼朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀布置有一排切削齿；所述领眼第二刀翼与所述领眼第一刀翼之间相对于所述领眼钻头中心周向夹角为180°，所述领眼第二刀翼朝向转动方向一侧自刀翼顶端开始设置有数量为二至四个且呈一排的切削齿，所述领眼第二刀翼上的切削齿数量少于所述领眼第一刀翼上的切削齿数量；所述领眼第三刀翼与领眼第一刀翼相对于所述领眼钻头中心沿转动方向周向呈第一夹角β设置，所述领眼第四刀翼与领眼第三刀翼相对于所述领眼第一刀翼呈对称设置，所述领眼第三刀翼和领眼第四刀翼分别朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀设置有一排切削齿；所述扩眼刀翼组固定连接于所述领眼第一刀翼下方所述钻头本体的一侧，所述扩眼刀翼组覆盖角α的角平分线与所述领眼第二刀翼之间呈第二夹角γ。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一夹角β大于等于45°并小于等于90°，第二夹角γ大于40°并小于等于100°。
在本发明的一较佳实施方式中，所述扩眼刀翼组相对于所述领眼钻头中心周向均匀布置有二至四个扩眼刀翼；各所述扩眼刀翼朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀布置有切削齿。
在本发明的一较佳实施方式中，所述领眼第一刀翼、领眼第二刀翼、领眼第三刀翼、领眼第四刀翼和各扩眼刀翼的保径面上设置有金刚石保径块。
在本发明的一较佳实施方式中，所述领眼第一刀翼、领眼第三刀翼和领眼第四刀翼上分别设置有第二排切削齿。
在本发明的一较佳实施方式中，所述领眼第三刀翼和领眼第二刀翼之间设置有第一保径刀翼，所述领眼第四刀翼和领眼第二刀翼之间设置有第二保径刀翼；所述第一保径刀翼与第二保径刀翼数量相同并关于所述领眼第二刀翼对称设置。
在本发明的一较佳实施方式中，所述第一保径刀翼和第二保径刀翼的保径面上分别设置有金刚石保径块。
由上所述，本发明的自平衡式双心扩眼钻头，改进了领眼钻头的结构设计与布齿方法，优化了各部分的刀翼结构及各刀翼之间的位置关系；通过减少领眼钻头上第二刀翼上的切削齿，将大部分切削齿布置于领眼钻头的一侧，在领眼钻头上人为制造不平衡力，并通过改变第一夹角β的大小调节此不平衡力的大小，使之与扩眼刀翼组所受的不平衡力大小相同；同时领眼钻头和扩眼刀翼组以一定的配合角度安装，使两部分所受到的力大小相等或者相近、方向相反，进而使得整个自平衡式双心扩眼钻头工作状态稳定，实现自主平衡，保证了扩眼质量，同时大幅度提高了自平衡式双心扩眼钻头的使用寿命。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1：为双心扩眼钻头工作过程主视图。
图2：为双心扩眼钻头工作过程俯视图。
图3：为现有的双心扩眼钻头的结构示意图。
图4：为现有的双心扩眼钻头的受力示意图。
图5：为本发明的自平衡式双心扩眼钻头的结构俯视图。
图6：为本发明的自平衡式双心扩眼钻头的领眼钻头结构示意图。
图7：为本发明的自平衡式双心扩眼钻头的扩眼刀翼组结构示意图。
图8：为本发明的自平衡式双心扩眼钻头的受力示意图。
图9：为本发明的自平衡式双心扩眼钻头的金刚石保径块的示意图。
图10：为本发明的自平衡式双心扩眼钻头加强结构的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图5、图6所示，本发明的自平衡式双心扩眼钻头100，包括上部的领眼钻头1和下部的扩眼刀翼组2，领眼钻头1包括有钻头本体11，钻头本体11顶部周向设置有领眼第一刀翼12、领眼第二刀翼13、领眼第三刀翼14和领眼第四刀翼15；领眼第一刀翼12的上部顶端位于领眼钻头1顶部中心，领眼第一刀翼12朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀布置有一排切削齿3(现有技术，一般采用PDC切削齿)；领眼第二刀翼13与领眼第一刀翼12之间相对于领眼钻头1中心周向夹角为180°，领眼第二刀翼13朝向转动方向一侧自刀翼顶端开始设置有数量为二至四个且呈一排的切削齿3，领眼第二刀翼13上的切削齿数量少于领眼第一刀翼12上的切削齿数量；领眼第三刀翼14与领眼第一刀翼12相对于领眼钻头1中心沿转动方向周向呈第一夹角β设置，在本实施方式中，第一夹角β大于等于45°并小于等于90°；领眼第四刀翼15与领眼第三刀翼14相对于领眼第一刀翼12呈对称设置，领眼第三刀翼14和领眼第四刀翼15分别朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀设置有一排切削齿3。在本实施方式中，领眼第二刀翼13长度小于领眼第一刀翼12长度；领眼第四刀翼15长度小于领眼第三刀翼14长度。上述结构的领眼钻头1钻削时，领眼第二刀翼13与领眼第一刀翼12所受切削力方向相反，由于领眼第二刀翼13上的切削齿数量少于领眼第一刀翼12上的切削齿数量，领眼第二刀翼13所受切削力小于领眼第一刀翼12所受切削力，领眼钻头1受到不平衡力，如图5、图6中所示，领眼钻头1受到的不平衡力是第一合力F1。
如图5、图7所示，扩眼刀翼组2固定连接于领眼第一刀翼12下方钻头本体11的一侧，扩眼刀翼组2覆盖角α的角平分线与领眼第二刀翼13之间呈第二夹角γ，在本实施方式中，第二夹角γ大于40°并小于等于100°。扩眼刀翼组2相对于领眼钻头1中心周向均匀布置有二至四个扩眼刀翼21；各扩眼刀翼21朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀布置有切削齿3。如图5、图7所示，上述结构的扩眼刀翼组2在钻削过程中，受到的不平衡力是第二合力F2。如图5、图8所示，通过合理设置第一夹角β和第二夹角γ数值，使得扩眼刀翼组2所受第二合力F2与领眼钻头1所受第一合力F1方向相反，大小相等或者相近，从而使整个自平衡式双心扩眼钻头100处于一个稳定的工作状态，可以大幅度提高自平衡式双心扩眼钻头使用寿命，保证扩眼质量。
进一步，如图9所示，为了避免领眼钻头1钻削过程中磨损造成缩径，领眼第一刀翼12、领眼第二刀翼13、领眼第三刀翼14、领眼第四刀翼15和各扩眼刀翼21的保径面上设置有金刚石保径块4(现有技术)，金刚石保径块4几何排布方式根据实际情况选择。
在本实施方式中，地层硬度较高或钻头半径较大时，为了强化自平衡式双心扩眼钻头100的结构，如图10所示，领眼第一刀翼12、领眼第三刀翼14和领眼第四刀翼15上分别设置有第二排切削齿3，第二排的每个切削齿3对应于第一排每两个切削齿之间的位置设置，能够有效增加钻头的切削能力。
如图9、图10所示，本发明的自平衡式双心扩眼钻头100还可以通过在领眼钻头1上设置保径刀翼来防止钻头缩径、抵抗磨损，在本实施方式中，领眼第三刀翼14和领眼第二刀翼13之间设置有第一保径刀翼16，领眼第四刀翼15和领眼第二刀翼13之间设置有第二保径刀翼17；第一保径刀翼16与第二保径刀翼17关于领眼第二刀翼13对称设置。为了提高抗磨损性能，第一保径刀翼16和第二保径刀翼17的保径面上分别设置有金刚石保径块4。
进一步，夹角β、夹角γ需要根据实际工况确定具体数值，当井眼半径R1、扩眼半径R3、偏心距δ任一参数发生改变时，以上夹角需要进行匹配调整。在本实施方式中，领眼钻头1切削半径R2为62mm，扩眼刀翼组2切削半径R3为85mm，偏心距δ为12mm，覆盖角α为44°，第一夹角β为72°，第二夹角γ为75°。该钻头能够通过直径148mm以上的已钻成井眼，将井径扩大为170mm。
由上所述，本发明的自平衡式双心扩眼钻头，改进了领眼钻头的结构设计与布齿方法，优化了各部分的刀翼结构及各刀翼之间的位置关系；通过减少领眼钻头上第二刀翼上的切削齿，将大部分切削齿布置于领眼钻头的一侧，在领眼钻头上人为制造不平衡力，并通过改变第一夹角β的大小调节此不平衡力的大小，使之与扩眼刀翼组所受的不平衡力大小相同；同时领眼钻头和扩眼刀翼组以一定的配合角度安装，使两部分所受到的力大小相等或者相近、方向相反，进而使得整个自平衡式双心扩眼钻头工作状态稳定，实现自主平衡，保证了扩眼质量，同时大幅度提高了自平衡式双心扩眼钻头的使用寿命。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种自平衡式双心扩眼钻头，包括上部的领眼钻头和下部的扩眼刀翼组，其特征在于：所述领眼钻头包括有钻头本体，所述钻头本体顶部周向设置有领眼第一刀翼、领眼第二刀翼、领眼第三刀翼和领眼第四刀翼；所述领眼第一刀翼的上部顶端位于所述领眼钻头顶部中心，所述领眼第一刀翼朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀布置有一排切削齿；所述领眼第二刀翼与所述领眼第一刀翼之间相对于所述领眼钻头中心周向夹角为180°，所述领眼第二刀翼朝向转动方向一侧自刀翼顶端开始设置有数量为二至四个且呈一排的切削齿，所述领眼第二刀翼上的切削齿数量少于所述领眼第一刀翼上的切削齿数量；所述领眼第三刀翼与领眼第一刀翼相对于所述领眼钻头中心沿转动方向周向呈第一夹角β设置，所述领眼第四刀翼与领眼第三刀翼相对于所述领眼第一刀翼呈对称设置，所述领眼第三刀翼和领眼第四刀翼分别朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀设置有一排切削齿；所述扩眼刀翼组固定连接于所述领眼第一刀翼下方所述钻头本体的一侧，所述扩眼刀翼组覆盖角α的角平分线与所述领眼第二刀翼之间呈第二夹角γ。
2.如权利要求1所述的自平衡式双心扩眼钻头，其特征在于：所述第一夹角β大于等于45°并小于等于90°，第二夹角γ大于40°并小于等于100°。
3.如权利要求2所述的自平衡式双心扩眼钻头，其特征在于：所述扩眼刀翼组相对于所述领眼钻头中心周向均匀布置有二至四个扩眼刀翼；各所述扩眼刀翼朝向转动方向一侧从刀翼顶端至刀翼末端均匀布置有切削齿。
4.如权利要求3所述的自平衡式双心扩眼钻头，其特征在于：所述领眼第一刀翼、领眼第二刀翼、领眼第三刀翼、领眼第四刀翼和各扩眼刀翼的保径面上设置有金刚石保径块。
5.如权利要求2所述的自平衡式双心扩眼钻头，其特征在于：所述领眼第一刀翼、领眼第三刀翼和领眼第四刀翼上分别设置有第二排切削齿。
6.如权利要求2所述的自平衡式双心扩眼钻头，其特征在于：所述领眼第三刀翼和领眼第二刀翼之间设置有第一保径刀翼，所述领眼第四刀翼和领眼第二刀翼之间设置有第二保径刀翼；所述第一保径刀翼与第二保径刀翼数量相同并关于所述领眼第二刀翼对称设置。
7.如权利要求6所述的自平衡式双心扩眼钻头，其特征在于：所述第一保径刀翼和第二保径刀翼的保径面上分别设置有金刚石保径块。
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