CN105113995A - 一种强化心部破岩能力的复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化心部破岩能力的复合钻头,包括钻头体,在钻头体头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼和三个短刀翼,每个长刀翼从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区,每个短刀翼仅设置有内锥区;所有长刀翼及短刀翼上均安装有固定切削齿;在三个短刀翼径向外侧分别对应设置有一个牙轮,在每个长刀翼后方与相邻牙轮之间的空位对应设置有一组喷嘴;牙轮套接在牙爪上,牙爪与钻头体固定连接为一体,牙轮外表面均布有牙轮切削齿。本发明的装置,提高钻头总进尺和纯钻时间,特别适合在诸如含石英砂岩的研磨性地层钻进作业。
Description
技术领域
本发明属于机械设备技术领域,涉及一种强化心部破岩能力的复合钻头。
背景技术
目前,在石油、天然气和其他探矿钻井作业中,主要运用牙轮钻头与PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。当钻遇研磨性地层时(如含石英砂岩地层),牙轮钻头外排齿、轮背和爪尖部位磨损很快,容易导致轴承失效和井身缩径;PDC钻头难以吃入地层,或吃入地层后极易磨损,从而导致钻头进尺低和钻头肩部、保径区域失效。
现有的一种牙轮和PDC复合钻头(公开号CN104024557A),与常规PDC钻头相比,其减少刀翼数量便于安装牙轮切削结构,牙轮及其切削齿仅覆盖在PDC钻头上固定切削齿最易发生磨损的肩部和保径区域,只依靠牙轮无法对井底岩石形成全面破碎,尤其是在钻头心部(内锥区域),其切削能力十分薄弱,在研磨性地层钻进中,容易发生心部剧烈磨损导致钻头失效。
因此,急需研制一种新的钻头,克服上述的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化心部破岩能力的复合钻头,解决了现有技术中存在的钻头心部(内锥区域)切削能力薄弱,在研磨性地层钻进中,容易发生心部剧烈磨损,导致钻头失效的问题。
本发明所采用的技术方案是,
第一种,一种强化心部破岩能力的复合钻头,包括钻头体,在钻头体头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼和三个短刀翼,每个长刀翼从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区,每个短刀翼仅设置有内锥区;所有长刀翼及短刀翼上均安装有固定切削齿;
在三个短刀翼径向外侧分别对应设置有一个牙轮,在每个长刀翼后方与相邻牙轮之间的空位对应设置有一组喷嘴;牙轮套接在牙爪上,牙爪与钻头体固定连接为一体,牙轮外表面均布有牙轮切削齿。
第二种,一种强化心部破岩能力的复合钻头,在钻头体头部设置有四个长刀翼和两个短刀翼,两个短刀翼和四个长刀翼一起沿圆周均匀设置,两个短刀翼沿直径对称设置;在两个短刀翼两边分别对称设置两个长刀翼,在两个短刀翼径向外侧分别设置有一个牙轮,牙轮安装在牙爪上,牙爪固定安装在钻头体上,在每个长刀翼后方位置均设置有一个喷嘴。
本发明的强化心部破岩能力的复合钻头,其特征还在于:
牙轮的外表面为球形或多锥面形。
牙轮的轴承中心线与所对应短刀翼主切削面的周向夹角范围为-45°~+45°。
短刀翼和长刀翼的内锥区均布置硬质合金齿,其形状为锥形齿或球形齿。
本发明的有益效果是,针对现有复合钻头心部破岩能力薄弱而创新的一种心部强化结构,能有效解决复合钻头内锥区域刀翼数量少、固定切削齿覆盖间隙大、破岩能力不足的问题,提高钻头总进尺和纯钻时间,特别适合在诸如含石英砂岩的研磨性地层钻进作业,具体包括:
1)具有金刚石钻头切削破岩以及牙轮钻头地层适应性强的优点,通过牙轮切削齿冲击预破碎,辅助刀翼上的固定切削齿有效吃入岩石。2)通过长刀翼和短刀翼相结合的方式,提高钻头内锥区域布齿密度,强化复合钻头心部破岩能力和抗磨损能力,显著提高钻头破岩效率。
附图说明
图1为本发明装置实施例1的结构示意图;
图2为本发明装置实施例1的工具面俯视图;
图3为本发明装置实施例1的布齿示意图;
图4为本发明装置实施例2的结构示意图;
图5为本发明装置实施例2的工具面俯视图;
图6为本发明装置硬质合金齿12的分布示意图。
图中,1.钻头体,2.长刀翼,3.固定切削齿,4.牙轮,5.牙轮切削齿,6.短刀翼,7.喷嘴,8.牙爪,9.钢球,10.包络线一,11.包络线二,12.硬质合金齿。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
参照图1、图2、图3,本发明复合钻头的第一种结构是,包括钻头体1,在钻头体1头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼2和三个短刀翼6,每个长刀翼2从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区,每个短刀翼6仅设置有内锥区;所有长刀翼2及短刀翼6上均安装有固定切削齿3,固定切削齿3选用聚晶金刚石复合片;
在三个短刀翼6径向外侧分别对应设置有一个牙轮4,在每个长刀翼2后方与相邻牙轮4之间的空位对应设置有一组喷嘴7(一组为两个,三组总共六个);牙轮4内孔通过轴承套接在牙爪8上并采用钢球9锁紧,牙爪8与钻头体1固定连接为一体,牙轮4的外表面为球形,牙轮4外表面均布有牙轮切削齿5,牙轮切削齿5为硬质合金锥形齿;
参照图3,牙轮切削齿5与长刀翼2上的鼻部区和肩部区的固定切削齿3位置对应,且牙轮切削齿5在运动方向位于所对应的固定切削齿3前方,牙轮切削齿5的齿顶形成的包络线一10在所对应固定切削齿3齿顶(加强布齿区域)形成的包络线二11之外,包络线一10与包络线二11的法向距离为h,h取值范围为0.5毫米~0.8毫米,保证牙轮切削齿5的冲击预破碎作用。
在长刀翼2和短刀翼6的内锥区为加强布齿区域,即加强布齿密度,以便提高整个复合钻头的刚度。
实施例2
参照图4、图5,本发明复合钻头的第二种结构是,在钻头体1头部设置有四个长刀翼2和两个短刀翼6,两个短刀翼6和四个长刀翼2一起沿圆周均匀设置,两个短刀翼6沿直径对称设置,在两个短刀翼6两边分别对称设置两个长刀翼2,在两个短刀翼6径向外侧分别设置有一个牙轮4,牙轮4安装在牙爪8上,牙爪8固定安装在钻头体1上,在每个长刀翼2后方位置均设置有一个喷嘴7(总共四个)。
参照图6,本发明复合钻头的第三种结构是,基于上述实施例1和2的结构,短刀翼6和长刀翼2的内锥区均布置硬质合金齿12,其形状为锥形齿或球形齿,用于提高钻头心部抗磨性能。
牙轮4的外形还可以选用多锥面形,牙轮4上固定安装的牙轮切削齿5的形状可以选用锥形齿、楔形齿、勺形齿或球形齿。牙轮4的轴承中心线与所对应短刀翼6主切削面的周向夹角范围为:-45°~+45°。
本发明在钻头心部进行多刀翼设计,通过牙轮切削齿冲击预破碎,帮助刀翼上的固定切削齿有效吃入岩石;通过长刀翼和短刀翼相结合的方式,提高钻头内锥区域布齿密度,以实现增加心部布齿密度的目的。这种结构在保证钻头稳定钻进的同时,能够提高心部破岩效率,增强其抗磨损能力,从而提高钻头破岩效率,从而提高钻头寿命。
Claims (7)
1.一种强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:包括钻头体(1),在钻头体(1)头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼(2)和三个短刀翼(6),每个长刀翼(2)从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区,每个短刀翼(6)仅设置有内锥区;所有长刀翼(2)及短刀翼(6)上均安装有固定切削齿(3);
在三个短刀翼(6)径向外侧分别对应设置有一个牙轮(4),在每个长刀翼(2)后方与相邻牙轮(4)之间的空位对应设置有一组喷嘴(7);牙轮(4)套接在牙爪(8)上,牙爪(8)与钻头体(1)固定连接为一体,牙轮(4)外表面均布有牙轮切削齿(5)。
2.根据权利要求1所述的强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:所述的牙轮切削齿(5)与长刀翼(2)上的鼻部区和肩部区的固定切削齿(3)位置对应,且牙轮切削齿(5)在运动方向位于所对应的固定切削齿(3)前方,牙轮切削齿(5)的齿顶形成的包络线一(10)在所对应固定切削齿(3)齿顶形成的包络线二(11)之外,包络线一(10)与包络线二(11)的法向距离范围为0.5毫米~0.8毫米。
3.根据权利要求1或2所述的强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:所述的牙轮切削齿(5)的形状选用锥形齿、楔形齿、勺形齿或球形齿。
4.一种强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:在钻头体(1)头部设置有四个长刀翼(2)和两个短刀翼(6),两个短刀翼(6)和四个长刀翼(2)一起沿圆周均匀设置,两个短刀翼(6)沿直径对称设置;在两个短刀翼(6)两边分别对称设置两个长刀翼(2),在两个短刀翼(6)径向外侧分别设置有一个牙轮(4),牙轮(4)安装在牙爪(8)上,牙爪(8)固定安装在钻头体(1)上,在每个长刀翼(2)后方位置均设置有一个喷嘴(7)。
5.根据权利要求1或4所述的强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:所述的牙轮(4)的外表面为球形或多锥面形。
6.根据权利要求1或4所述的强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:所述的牙轮(4)的轴承中心线与所对应短刀翼(6)主切削面的周向夹角范围为-45°~+45°。
7.根据权利要求1或4所述的强化心部破岩能力的复合钻头,其特征在于:所述的短刀翼(6)和长刀翼(2)的内锥区均布置硬质合金齿(12),其形状为锥形齿或球形齿。
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