CN105257218A - 一种自动推进钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动推进钻头，包括钻头体、固定刀翼、喷嘴、排屑槽、切削齿等；其特征在于：钻头至少一个固定刀翼上设置有推进齿，推进齿与切削齿相互独立，且推进齿的出露高度大于切削齿出露高度。采用该技术能够解决钻头在水平段钻压难以施加和稳定性差的问题，在不需要施加过多钻压的情况下，推进齿嵌入地层形成预破碎，并依靠扭矩推动钻头自动钻进，提高钻头的机械钻速和稳定性，有益于提升钻头的综合性能。

Description

一种自动推进钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体是涉及一种钻头。

背景技术

固定刀翼钻头是指将切削齿焊接或镶嵌于钻头本体而形成的切削型钻头，由于在软到中硬地层中钻速快、寿命长、可靠性高，综合经济效益显著，因而在世界石油、天然气、地热开发等领域的钻井工程中得到越来越广泛的应用。

钻头在水平井中容易出现托压现象，托压由于井眼轨迹以及各种阻力的原因使得钻具加压后，压力很难传递到钻头，一旦钻压不能有效的施加在钻头上，钻头就不能吃入地层，获得有效进尺；同时托压容易导致井底岩屑、沉砂过多形成砂床，正常钻进是无法清理干净，造成滑动钻井严重托压，稳定性差，容易造成井下事故。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。

将所有主切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。在井底覆盖图中，可以做一条与所有齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头冠部轮廓线。

出露高度是指切削齿刃的最高点到刀翼本体上的距离。

法向角是指切削齿的方向基准线与钻头中心线的夹角。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术的不足之处，提出一种自动推进钻头，能够解决钻头在水平段钻压难以施加和稳定性差的问题，推进齿嵌入地层形成预破碎，并依靠扭矩推动钻头自动钻进，提高钻头的机械钻速和稳定性，有益于提升钻头的综合性能。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种自动推进钻头，包括钻头体(1)、固定刀翼(2)、喷嘴(3)、排屑槽(4)、切削齿(5)等等，其特征在于：钻头至少一个固定刀翼上设置推进齿(6)，推进齿与切削齿相互独立，且所述推进齿的出露高度大于切削齿出露高度，其出露高度差H1≥5mm。

上述方案中，固定刀翼上设置有推进齿，且推进齿的出露高度大于切削齿的出露高度，这样的结构使推进齿率先接触井底，并嵌入地层，划出沟槽对岩石进行预破碎，切削齿更加容易吃入地层，提高钻头的破岩效率；特别是在塑性地层中，推进齿嵌入地层，并依靠扭矩推动钻头自动钻进。

作为优选，钻头心部为凸形，其钻头冠部轮廓线为抛物线、圆弧、样条曲线等等。

上述方案中，钻头冠部轮廓线有抛物线、圆弧、样条曲线等多种选择，有益于权衡切削效率与切削寿命的关系，从而满足不同的钻井需求。

作为优选，钻头刀翼形状为螺旋形。

上述方案中，钻头螺旋形的刀翼结构有益于推进齿的放置，且能增加钻头布齿空间，同时也增加整个钻头的稳定性，从而延长钻头使用寿命。

作为优选，推进齿的径向覆盖区域达到钻头径向布齿区域的30％以上，即L1/L2≥0.3。

上述方案中，推进齿在径向覆盖区域内布齿范围越大，越有利于增加钻头的稳定性，拓宽钻头多重切削的范围，提高钻头的机械钻速。

由钻头轴线和齿的方向基准线构成的平面为法向面，与法向面垂直，且通过齿方向基准线的平面为安装平面。齿的偏转角是指从安装平面向下看，齿顶线(平行于牙齿的齿顶宽度方向，通过齿顶最高点或最高区域的中心，且与牙齿轴线相垂直的直线段)与牙齿所在钻头轴线的夹角(如图4所示)，逆时针方向为正，反之为负。

作为优选，推进齿的偏转角a取值范围是30°≤|a|≤90°。

上述方案中，推进齿偏转角控制在一定范围内，有益于推进齿嵌入地层中，并与地层充分接触，通过扭矩来推动钻头自动向前钻进。

作为优选，所述切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

作为优选，所述推进齿为硬质合金齿、聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)在固定刀翼上设置有推进齿，其在高压强的作用下率先接触井底，有利于增加钻头的稳定性，推进齿嵌入地层，划出沟槽对岩石进行预破碎，切削齿更加容易吃入地层，拓宽钻头多重切削的范围，提高钻头的机械钻速，从而提高钻头的破岩效率；(2)钻头心部为凸形结构，有利于钻头像螺钉一样依靠扭矩自动推进；(3)采用螺旋刀翼，增加钻头稳定性的同时，能增加钻头布齿空间，从而延长钻头使用寿命；(4)推进齿在钻头布齿区域的范围越大，拓宽钻头多重切削的范围，提高钻头的机械钻速。

附图说明

图1为钻头示意图

图2为图1钻头的俯视图

图3为钻头所有齿的径向覆盖示意图

图4为齿的偏转角示意图

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-固定刀翼、3-喷嘴、4-排屑槽、5-切削齿、6-推进齿。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例

参考图1至图4所示，一种自动推进钻头，包括钻头体(1)、固定刀翼(2)、喷嘴(3)、排屑槽(4)、切削齿(5)等等，其特征在于：钻头至少一个固定刀翼上设置推进齿(6)，推进齿与切削齿相互独立，且所述推进齿的出露高度大于切削齿出露高度，其出露高度差H1≥5mm。

作为选择，钻头心部为凸形，其钻头冠部轮廓线为抛物线、圆弧、样条曲线等等。

作为选择，钻头刀翼形状为螺旋形，如图1、2、4所示。

作为选择，推进齿的径向覆盖区域达到钻头径向布齿区域的30％以上，即L1/L2≥0.3，如图3所示。

作为选择，推进齿的偏转角a取值范围是30°≤|a|≤90°，如图4所示。

作为选择，所述切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

作为选择，所述推进齿为硬质合金齿、聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

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 (7)

1.一种自动推进钻头，包括钻头体、固定刀翼、喷嘴、排屑槽、切削齿等等，其特征在于：钻头至少一个固定刀翼上设置推进齿，推进齿与切削齿相互独立，且所述推进齿的出露高度大于切削齿出露高度，其出露高度差H1≥5mm。

2.根据权利要求1所述一种自动推进钻头，其特征在于：钻头心部为凸形，其钻头冠部轮廓线为抛物线、圆弧、样条曲线等等。

3.根据权利要求1、2所述一种自动推进钻头，其特征在于：钻头刀翼形状为螺旋形。

4.根据权利要求1、2、3所述一种自动推进钻头，其特征在于：推进齿径向覆盖区域达到钻头径向布齿区域的30％以上，即L1/L2≥0.3。

5.根据权利要求1、2、3、4所述一种自动推进钻头，其特征在于：推进齿的偏转角a取值范围是,30°≤|a|≤90°。

6.根据权利要求1、2、3、4、5所述一种自动推进钻头，其特征在于：所述切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

7.根据权利要求1、2、3、4、5所述一种自动推进钻头，其特征在于：所述推进齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。