CN106368615B - 一种具有转向轮盘的复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。本发明解决轮盘切削齿的寿命太短的问题的同时，能提高钻头的破岩效率。

Description

一种具有转向轮盘的复合钻头

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、水文等钻探设备技术领域，尤其涉及一种复合钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。盘式钻头（也称盘形钻头、碟形钻头或碟式钻头）是一种全新齿形结构的钻头，其齿面制成与牙轮（或称轮盘）母线垂直或成一定螺旋角的圆环形连续或断续齿圈。盘式钻头的破岩机理不同于常规的牙轮钻头，当齿圈沿岩石滚碾时，利用大的接触应力迫使岩石破碎，形成环形的岩石破碎带。由于齿圈成圆环形，便于牙轮（或称轮盘）在岩石上的连续滚动，因此，与三牙轮钻头相比盘式钻头的工作载荷较平稳，轴承所受的载荷波动幅度也要小得多。不同规格类型的盘式钻头的台架试验和工业试验结果都表明，与常规的三牙轮钻头相比，盘式钻头在硬、极硬、研磨性地层和深井、小井眼的钻进更为有效。上世纪中期，在前苏联、美国 、法国 、英国等国家都有盘式钻头的研究和试验，当时的台架实验和现场实验的结果都显示出良好的前景，但今天却难以见到盘式钻头在钻井中的使用。盘式钻头切削齿（齿盘）的疲劳破坏、齿圈塑变和磨料磨损是其主要失效形式。钻头在井底工作时的工况非常复杂，钻头工作时发生振动（包括轴向振动和横向振动）是不可避免的，钻头的横向振动是造成轮盘疲劳破坏、齿圈塑变和磨损的主要因素之一。因为钻头发生横向振动时，轮盘将会沿着垂直（或接近垂直）于轮盘圆周方向相对岩石滑移刮切，即轮盘横向刮切岩石。轮盘横向刮切岩石将直接造成轮盘齿圈的折损和塑变，并加剧轮盘齿圈的磨损。盘式钻头没有真正在现场推广应用的主要原因就是切削齿的寿命太短，难以满足钻井的要求。

钻头体上同时具有固定切削结构和非固定切削结构（如牙轮结构）的复合钻头是近年来逐渐兴起并推广应用的新型破岩工具。复合钻头利用不同切削结构的联合作用来破岩，在一些难钻地层能起到明显的钻进提速作用。由于盘式钻头的上述缺点，限制了其与其他结构复合带来的优势的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有转向轮盘的复合钻头，以提高钻头的破岩效率和使用寿命。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。

钻头上的切削结构根据切削结构是否能相对钻头体运动而分为固定切削结构和非固定切削结构。如PDC钻头上的切削齿固接在钻头体上，切削齿与钻头体相对固定，PDC钻头属固定切削结构钻头。牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削结构钻头。

本专利的复合钻头破岩钻进工作时，钻头体旋转带动本专利的轮盘绕钻头的轴线转动，轮盘与井底岩石接触，在岩石反力作用下轮盘将绕自身的轴线转动，在上述两种运动的复合作用下，轮盘将在井底岩石上作滚动。本专利钻头体上的转向轮盘的转向座相对钻头体能自由旋转，安装在转向座上的轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移。转向轮盘接触岩石与岩石互作用破岩时，无论转向轮盘的轮盘与岩石接触时的开始状态如何，当轮盘受到岩石的作用力时，由于转向轮盘的转向座能相对钻头体转动，无论钻头如何运动（旋转、振动等），轮盘在外力的作用下，受垂直于转向座轴线的平面的力（分力）的作用，转向轮盘将会被推动绕转向座的轴线旋转，使转向轮盘上的轮盘的旋转轴线始终垂直于该处钻头体相对井底岩石运动的方向，即轮盘始终沿着轮盘相对井底运动的方向滚动。

本专利靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，其能确保钻头旋转钻进时，靠近钻头心部的轮盘能在井底顺利滚动。减少或避免靠近钻头心部的轮盘横向刮磨岩石。

本专利较现有技术的有益效果是：

1、钻头在井底的工作状态非常复杂，钻头钻出的井眼也往往大于钻头外径，钻头在井底破岩钻进工作时一般均不是理想的同心旋转钻进，钻头旋转的同时还会产生振动、摆旋、偏心旋转等复杂运动，这些复杂的运动使钻头的切削结构无法绕井眼的中心做理想的圆周运动。普通的盘式钻头由于上述复杂运动，使轮盘齿圈产生侧向滑移（刮切），轮盘齿圈无法实现单纯的滚动，这种侧向滑移（刮切）将使轮盘齿圈磨损、折损和塑变，加剧轮盘齿圈的损坏，明显降低轮盘的使用寿命。本专利轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向轮盘具有方位自调节自适应功能。无论钻头的运动多么复杂，也无论轮盘的初始状态和方位如何，转向轮盘上的轮盘的旋转轴线始终垂直于相对井底岩石运动的方向，即轮盘始终沿着轮盘相对井底运动的方向滚动，减少或避免轮盘相对岩石发生侧向滑移和刮切，减少轮盘齿圈的磨损、折损和塑变等损坏，延长轮盘及钻头的使用寿命，进而延长钻头使用寿命。

2、钻头在井底的运动往往是复杂的，振动、摆旋、偏心旋转等复杂运动使普通轮盘产生侧向滑移和刮切而受损。但本专利却可利用钻头的这些复杂运动来提高破岩效率，因为：本专利轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向轮盘具有方位自调节自适应功能，在上述复杂运动下，轮盘可实时调整改变滚动方向实现对岩石的滚压，在钻头的复杂运动作用下，邻近（径向位置接近）的轮盘齿圈将会发生交错碾压，邻近的轮盘齿圈可实现交叉碾压破岩。交叉碾压使井底的碾压破碎形貌更复杂，轮盘齿圈在井底岩石上的碾压破碎及岩石损伤裂纹会交叉及贯通，这有利于提高钻头的破岩效率。另外，本专利的钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构，无论钻头体上另设的是何种切削结构，其与转向轮盘相复合形成复合切削结构的钻头，固定切削结构或非固定切削结构与转向轮盘同时作用于井底岩石，多种不同切削结构使井底岩石产生不同机理的破碎，不同破岩机理的联合作用能提高井底岩石的破碎效率，从而提高钻头的破岩效率。

3、本专利轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向轮盘具有方位自调节自适应功能，轮盘齿圈始终沿着轮盘相对井底运动的方向滚动，这能显著降低钻头破岩工作时的横向不平衡力和钻头工作扭矩，因此本专利能提高钻头的钻进定向可控性和工具面稳定性，增强钻头的导向性能，提高钻头在定向井钻进中的钻井效率。

作为选择，转向轮盘的轮盘旋转轴线相对转向座的旋转轴线的偏移距大于5mm，小于钻头半径与轮盘齿圈半径之差。该方案中，为使转向轮盘工作时能顺利旋转至正确的滚动方向，并保持良好的滚动方位，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线之间的偏移距不能太小，偏移距越大越易于转向轮盘的顺利旋转，驱使转向轮盘旋转到正常方位的驱动力也将越足，也越易于保证转向轮盘在钻头复杂运动过程中能保持良好的滚动方位。但偏移距也不能太大，太大的偏移距将使转向轮盘占据较大的旋转空间，造成钻头空间的浪费。

作为选择，转向轮盘的轮盘齿圈顶圆与转向座的旋转轴线共面。该方案中，轮盘的齿圈顶圆与转向座的旋转轴线共面，能较少或避免轮盘齿圈滚动破岩时发生侧向滑移和刮切，减少轮盘齿圈的磨损、折损和塑变等损坏。

作为选择，转向轮盘的轮盘上的齿圈为1-6个。转向轮盘的轮盘上的齿圈可以为1个，也可以为多个，可根据钻头尺寸、轮盘大小来设置轮盘上齿圈的数量。作为进一步选择，轮盘上的齿圈为1个、2个或3个。

当轮盘上的齿圈为多个时，轮盘齿圈半径（或直径）是指轮盘上最大齿圈的齿圈顶圆的半径（或直径）。

作为选择，轮盘与转向座之间通过轴连接，轴与轮盘之间为转动连接。作为选择，轴与轮盘之间为固定连接或轴与轮盘为一体式结构，轴与转向座之间为转动连接。作为选择，轴与轮盘之间为转动连接，轴与转向座之间为转动连接。

作为选择，转向座与钻头体之间设置有限制转向轮盘在转向座旋转轴线方向上的运动的锁紧结构。转向轮盘通过转向座设置在钻头体上，与钻头体形成转动连接，为防止转向轮盘沿转向座旋转轴线的方向窜动或沿轴线脱落，可在转向轮盘的转向座与钻头体之间设置锁紧结构，增强转向轮盘的可靠性和安全性。这里的锁紧是指将转向轮盘沿转向座旋转轴线的方向限位，防止转向轮盘沿转向座旋转轴线的方向窜动或脱落，并不限制转向轮盘相对钻头体的转动。

作为进一步选择，转向座与钻头体之间采用滚珠锁紧。滚珠锁紧可在尽量减少影响转向轮盘旋转运动的同时，能实现将转向轮盘沿转向座旋转轴线方向限位和轴向锁紧，且便于加工。

作为选择，转向座与钻头体之间设置有密封结构。钻头工作时处在钻井液、岩屑等环境中，转向轮盘可相对钻头体旋转，为防止其他物质进入转向轮盘的转向座与钻头体的旋转副之间可在转向座与钻头体之间设置密封结构，以减小旋转副的磨损，延长旋转副的使用寿命。

作为选择，轮盘上的齿圈表面敷有耐磨层。耐磨层可增加齿圈的表面硬度和耐磨性，耐磨层可以为耐磨合金、硬质合金耐磨层、金刚石加强等。

作为选择，轮盘上的齿圈为镶固或焊固的切削齿形成的齿圈。镶固或焊固的切削齿可以为硬质合金齿、聚晶金刚石复合齿、孕镶金刚石齿（块）、立方碳化硼、陶瓷齿、或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿等。采用上述硬度高、耐磨性强的切削齿形成的齿圈，可提高轮盘齿圈的硬度和耐磨性，延长轮盘及钻头使用寿命。镶固切削齿形成的齿圈，切削齿与切削齿之间可留少量间隙，以确保切削齿的镶固强度，切削齿形成较连续的圆盘齿圈。

作为选择，钻头体上的固定切削结为PDC固定切削结构。PDC固定切削结构上的固定PDC齿以刮切方式破碎岩石，转向轮盘以滚动碾压的方式破碎岩石。PDC齿刮切破岩的前提是PDC齿能有效吃入地层岩石，转向轮盘利用大的接触应力迫使岩石破碎，对井底岩石形成槽形破碎和预损伤，这有利于PDC齿吃入岩石，减少PDC齿吃入岩石和刮切岩石的功耗。PDC齿在井底刮切出圆环形的刮切槽和岩脊，有利于转向轮盘滚碾时岩石发生损伤和碎崩，刮切槽和岩脊相间的井底也有利于轮盘滚碾后裂纹的产生和扩延。特别是当钻头产生不可避免的振动（横向振动）时，PDC齿的刮切破碎痕与转向轮盘的滚碾破碎痕将发生交叉，更有利于井底岩石的破碎。因此，PDC固定切削结构与转向轮盘相复合能有效提高钻头的破岩效率。

作为选择，钻头体上的非固定切削结构为牙轮、盘刀或冲击切削结构等。转向轮盘与牙轮、盘刀或冲击切削结构等非固定切削结构相复合，能在井底形成复杂的多种不同破岩方式联合作用的破碎和井底形貌，有利于提高复合钻头的破岩效率。

本专利提到的盘刀是指具有较大偏移角的盘刀，钻头体上的盘刀的偏移角的范围是20～90°或-90～-20°。

作为选择，钻头体上同时设置有转向轮盘、固定切削结构和非固定切削结构。

前前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1、图2为本发明实施例1的结构示意图。

图3、图4为本发明实施例1的转向轮盘结构示意图。

图5为本发明实施例1的转向轮盘的转向座为设置有阶梯的轴颈状的结构示意图。

图6为本发明实施例1的转向轮盘的转向座为圆柱形的结构示意图。

图7为本发明实施例2的轮盘上的齿圈为2个的结构示意图。

图8为本发明实施例4、实施例5的转向座与钻头体之间设置有锁紧结构及密封结构的结构示意图。

图中：1、钻头体，21、轮盘，211、轮盘齿圈，22、转向座，23、轮盘的旋转轴线，24、转向座的旋转轴线，3、密封结构，4、锁紧结构，5、固定切削结构，51、固定切削齿。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图1-6所示，一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体1、轮盘21，轮盘21上设置有齿圈211，轮盘21能相对钻头体1转动，钻头体1上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘21和转向座22组成，转向座22通过转动连接安装在钻头体1上，转向座22相对钻头体1能旋转，轮盘21通过转动连接安装在转向座22上，轮盘21能相对转向座22旋转。作为选择，如本实施例所示，钻头体1上对应设有容纳匹配转向轮盘的转向座22的孔，转向座22入孔内在钻头体1上旋转。转向座22可以有多种形式，例如图3、5为转向轮盘的转向座22为设置有阶梯的轴颈状，图6、7为转向轮盘的转向座22为圆柱形。，轮盘21的旋转轴线23相对转向座22的旋转轴线24有偏移（见图3、图4的偏移距S），且偏移距S大于轮盘齿圈211半径的二十分之一，小于轮盘齿圈211直径的三倍；靠近钻头心部的转向轮盘的转向座22的旋转轴线24与钻头轴线不重合。作为选择，轮盘21的旋转轴线23相对转向座22的旋转轴线24的偏移距S大于5mm，小于钻头半径与轮盘齿圈211半径之差。作为选择，轮盘21上的齿圈211表面敷有耐磨层，耐磨层可以为耐磨合金、硬质合金耐磨层、金刚石加强等。作为选择，轮盘21上的齿圈211为镶固或焊固的切削齿形成的圆盘形齿圈。镶固或焊固的切削齿可以为硬质合金齿、聚晶金刚石复合齿、孕镶金刚石齿（块）、立方碳化硼、陶瓷齿、或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿等。钻头体1上还设置有固定切削结构5或非固定切削结构。作为选择，钻头体1上的固定切削结5为PDC固定切削结构（如图1、2）。作为选择，钻头体1上的非固定切削结构为牙轮、盘刀或冲击切削结构，或同时有上述非固定切削结构。作为选择，钻头体1上同时设置有转向轮盘、固定切削结构5和非固定切削结构。作为选择，转向轮盘的轮盘21上的齿圈211为1-6个。转向轮盘的轮盘21上的齿圈211可以为1个（如图1、2、4、5、6），也可以为多个，如图7轮盘21上的齿圈为2个。轮盘21上的齿圈211为1个时，优选轮盘21的齿圈211的顶圆与转向座22的旋转轴线24共面。当齿圈211为多个时，优选齿圈211相对旋转轴线24左右均布。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：轮盘21与转向座22之间通过轴连接，轴与轮盘21之间为转动连接。或，轴与轮盘21之间为固定连接或轴与轮盘为一体式结构，轴与转向座22之间为转动连接。或，轴与轮盘21之间为转动连接，轴与转向座22之间为转动连接。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：转向座22与钻头体1之间设置有限制转向轮盘在转向座22旋转轴线24方向上的运动的锁紧结构4。转向座22与钻头体1之间可设置弹性挡圈结构，以防止转向轮盘沿转向座22的旋转轴线24的方向窜动或沿轴线脱落；转向座22与钻头体1之间可设置螺纹结构，通过螺帽将转向座22限位在钻头体1的转向座孔内防止转向轮盘沿旋转轴线24的方向窜动或脱落。作为进一步选择，转向座22与钻头体1之间采用滚珠锁紧（如图8）。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：转向座22与钻头体1之间设置有密封结构3（如图8）。

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 (10)

1.一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，其特征在于：钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。

2.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向轮盘的轮盘旋转轴线相对转向座的旋转轴线的偏移距大于5mm，小于钻头半径与轮盘齿圈半径之差。

3.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向轮盘的轮盘齿圈顶圆与转向座的旋转轴线共面。

4.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向轮盘的轮盘上的齿圈为1-6个。

5.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：轮盘与转向座之间通过轴连接，轴与轮盘之间为转动连接；或轴与轮盘之间为固定连接或轴与轮盘为一体式结构，轴与转向座之间为转动连接。

6.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向座与钻头体之间设置有限制转向轮盘在转向座旋转轴线方向上的运动的锁紧结构。

7.根据权利要求6所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向座与钻头体之间采用滚珠锁紧。

8.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向座与钻头体之间设置有密封结构。

9.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：钻头体上的固定切削结为PDC固定切削结构。

10.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：钻头体上的非固定切削结构为牙轮、盘刀或冲击切削结构。