CN106639886A - 一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，主要包括钻头体、带有切削齿的固定切削结构和至少一个与复合钻头转动连接的转动牙轮。所述转动牙轮上布置有“犁削型”齿，转动牙轮相对钻头体可以自转，转动牙轮相对钻头体中心有一定的轴偏移，使得转动牙轮上的“犁削型”齿交替着以犁削的方式破岩，这种破岩方式以一种微小冲击吃入、挤压岩石，岩石破碎主要是拉应力失效。“犁削型”齿的犁削破岩方式与固定切削结构上的切削齿的剪切破岩方式相联合进行破岩，不仅提高了钻头工作的稳定性，而且提高了钻头的整体寿命和破岩效率。

Description

一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头

技术领域

本发明属于属于石油天然气钻采领域，尤其涉及一种复合钻头。

背景技术

在石油天然气的钻采历史进程中，旋转钻探方式的发明毫无疑问具有里程碑的意义。而旋转钻探开采的切削工具又以牙轮钻头和PDC钻头使用最为常见和广泛。而且随着金刚石等超硬材料的不断发展，PDC钻头以其独特的破岩方式和在软到中硬地层的良好工作性能，使其成为了油气钻采中的主要切削工具。但是，由于PDC钻头以剪切方式破岩为主，在硬地层中适应性差，转速低，寿命短，容易出现崩齿、碎齿、磨损严重等情况。目前，国内外在硬地层钻进中主要使用牙轮钻头。牙轮钻头通过冲击破碎、剪切等复合作用切削岩石，主要适用于中到硬地层钻进，在软地层中使用效果比较差，而且容易出现泥包等现象，在高转速大钻压钻井条件下，容易出现掉齿、磨损严重等情况，最终导致牙轮钻头的失效。为了克服牙轮钻头与PDC钻头各自的不足，根据牙轮钻头和PDC钻头破碎与切削岩石的特点，结合两者的优点，人们提出了牙轮-PDC混合式钻头。

目前国内外现有的牙轮-PDC混合式钻头的结构主要是具有滚动牙轮和固定刀翼的混合式钻头。当钻头钻进时，牙轮先以冲击的方式破岩，而后固定刀翼上的PDC齿以刮削的方式破岩。由于牙轮的破岩方式与PDC存在本质的不同，牙轮主要依靠冲击破岩，PDC为固定剪切，这使得牙轮在破岩时形成的冲击会很大的干扰PDC在固定切削时的工作稳定性。这种相异的工作模式组合使得PDC的PDC齿容易损坏，影响钻头整体的寿命。而且牙轮工作时产生的纵向震动使得PDC切削深度不稳定，降低了钻头整体的破岩效率。在实际使用中，以上牙轮滚压冲击与PDC刮削的组合破岩方式容易在井底形成重复破碎区域和井底垫层，特别是在深井钻进时，井底围压较大，水利作用受限，极大影响钻头整体的破岩效率。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其提出牙轮以犁削方式破岩，固定切削结构上PDC切削齿以齿剪切方式破岩。这种组合破岩方式使牙轮在工作时冲击小，工作平稳，提高了PDC在固定切削时的工作稳定性和钻头的整体寿命与破岩效率。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，包括钻头体、带有切削齿的固定切削结构和至少一个转动牙轮，转动牙轮上的切削齿为“犁削型”齿，转动牙轮相对钻头体中心具有轴偏移；“犁削型”齿具有特征型面A和特征面B，特征型面A为齿的中心对称剖面，齿在该面的正交面方向的投影为特征面B；

特征型面A具有包括以下几何特征：

a.齿底往上至分型面为安装固定部分，齿顶往下至分型面为犁削部分；

b.从分型面到齿顶方向，犁削部分的曲线呈楔形收敛；

c.犁削部分两侧曲线其驻点切线在收敛方向所成夹角在45°～80°；

d.犁削部分曲线其齿尖部分为圆弧，圆弧宽度不大于6mm，圆弧半径范围2mm～5mm；

特征面B具有包括以下几何特征：

a.从分型面到齿顶方向，犁削部分的曲线呈锥形；

b.锥形的锥顶角范围为45°～90°。

本发明的复合钻头是以转动牙轮上设置的“犁削型”切削齿和固定切削结构上的(PDC)切削齿联合切削破碎岩石，其中至少一个转动牙轮与复合钻头转动连接，转动牙轮相对钻头体可以自转。其特点是：由于转动牙轮上的切削齿采用本专利的“犁削型”齿，因此转动牙轮以一种区别于现有技术的新的“犁削”的方式破岩，转动牙轮上的“犁削型”齿交替着以犁削的方式破岩，进一步与固定切削结构复合后，转动牙轮上的“犁削型”齿交替以“犁削”的方式破岩，而固定切削结构上的(PDC)切削齿以剪切破碎的方式进行破岩。转动牙轮上的“犁削型”齿交替犁削破岩，其切向破岩效果符合剪切破岩特点，其侧向破岩为挤压破岩，多个“犁削型”齿之间在破岩时会产生“相邻”效果。参考图3、4所示，图3中a为断裂体，b为碎裂体，c为密实核，d为径向裂纹，图4中X为破碎区域。这种破岩效果使牙轮在工作时冲击小，工作平稳，而且切削岩石更容易且岩石破碎效率更高，因而提高了(PDC)切削齿在固定切削时的工作稳定性，同时提高了钻头的整体寿命和破岩效率。

本发明的复合钻头相比目前国内外现有的复合钻头，提出了一种不同的复合切削破岩方式，其中牙轮以交替“犁削”的破岩方式进行切削破岩，该破岩方式不同于以往的牙轮通过冲击和剪切破岩，常规牙轮在工作时，牙轮滚动，牙齿与井底的接触是单齿、双齿交错进行的。单齿接触井底时，牙轮中心处于最高位置；双齿接触井底时牙齿的中心位置下降。常规牙轮在滚动的过程中，牙轮中心位置不断上下交换，使钻头沿轴向作上下往复运动，这就是钻头的纵向震动。钻头的纵向震动使牙齿产生冲击力，以冲击方式破碎岩石。

本专利所述牙轮是以一种微小冲击吃入并挤压破碎岩石，岩石破碎主要是拉应力失效。所以使牙轮在切削破岩时产生的冲击力小，极大的减小了以往牙轮对PDC在固定切削时的工作稳定性的影响，从而提高了钻头的使用寿命和破岩效率。

而从具体结构上来说，本专利的“犁削型”齿相比现有技术的牙轮上的切削齿，其主要区别在于：

牙齿顶端型态：现有牙轮上的切削齿结构主要满足牙齿对井底岩石的冲击要求，要求牙齿耐冲击。故而牙齿顶端结构型态上比较“钝”。本专利的“犁削型”齿主要满足牙齿对井底岩石的吃入要求，要求牙齿易于凿痕。故而牙齿顶端结构型态上较“锐”。

牙齿结构划分：本专利的“犁削型”齿将整颗牙齿分为两部分，安装固定部分与犁削部分。其中安装部分其径向截面形状丰富，可为常规圆形，椭圆形等也可根据地层条件进行定制设计。

犁削部分：本专利的“犁削型”齿其犁削部分结构形态明确，如本文中对该齿的特征型面A和特征面B的描述。

作为选择，带有“犁削型”齿的转动牙轮与带有切削齿的固定切削结构交替设置在钻头上。本方案中，使牙轮与固定切削结构切削破岩交替进行切削井底岩石。

作为选择，转动牙轮上的齿圈与固定切削结构上的切削齿在钻头径向上非同轨布置(即切削轨迹不同轨)，转动牙轮上的“犁削型”齿与固定切削结构上的切削齿的切削轨迹交替交错，形成交替式网状切削区域。该方案中，这种交替犁削与刮切联合的破岩方式不会在井底形成重复破碎区域，避免了形成井底垫层，其效果好于现有的牙轮-PDC复合钻头。

作为选择，转动牙轮各齿圈上的“犁削型”齿井底轨迹不浅于固定切削结构上与之相邻切削轨迹的切削齿的切削轨迹。该方案中，当牙轮上的“犁削型”齿井底轨迹深于所述固定切削结构上与之相邻切削轨迹的切削齿的切削轨迹时，“犁削型”齿先行吃入岩层，减少钻头的振动，增加钻头工作时的稳定性。

作为选择，“犁削型”齿的锥顶角范围为45°～80°。该方案中，当“犁削型”齿的锥顶角大于80°时，锥顶太钝，切削破岩效果变差，而锥顶角小于45°时，“犁削型”齿的锥顶部分相对太薄而容易断裂，影响钻头寿命。而“犁削型”齿的锥顶角范围为45°到80°之间时，其工作时的抗冲击性和耐磨性较好。

作为选择，“犁削型”齿正切削角度为5°～65°。该方案中，“犁削型”齿在工作时沿运动方向的切向上，有两处应力最大区，分别位于“犁削型”齿正前方偏两侧，其犁削作用明显；而且“犁削型”齿在犁削过程中两侧对岩石也会产生挤压作用，多个“犁削型”齿同时破岩过程中还会产生“相邻”效应,这种“相邻”效应使得岩脊再次被固定切削结构上的切削齿切削时变得更容易破碎。

作为选择，所述“犁削型”齿为锥形齿，即切削齿出露牙轮的部分为锥尖圆弧过渡的圆锥面的切削齿。犁削方式破岩时要求所用切削齿既不能太尖锐也不能太钝，太尖锐时切削齿容易磨损，太钝时切削齿的破岩方式会发生改变并且磨损也会加剧。锥形齿以犁削方式破岩时，岩石表面破碎形状为倒“Λ”形，能很好的控制切削齿的磨损与破岩方式，很好的满足了犁削破岩的要求。

作为选择，转动牙轮轴线与钻头轴线之间的距离与钻头直径的比值范围在0.05-0.25之间。该方案中，所述转动牙轮轴线与钻头轴线之间的距离与钻头直径的比值越大，转动牙轮自转速度越慢，则转动牙轮自转转速与公转转速的相对比值越低。通过设置转动牙轮在相对于钻头体不同的位置和角度以及转动牙轮上牙齿的不同布置方式，可以方便的控制和改变转动牙轮与钻头的轮头速比。复合钻头工作时，不同的轮头速比使转动牙轮在钻进过程中的切削岩石效果不同，本复合钻头转动牙轮自转的主要目的不是使切削齿产生冲击力，而是使“犁削型”齿交替工作，均匀磨损。而小的轮头速比使钻头轴向往复运动幅度较小，减小了钻头的轴向震动，在硬地层中钻进时，牙轮轴承受到的周期性动载荷冲击也相应减小，不容易出现疲劳失效。

作为选择，转动牙轮通过牙爪设置在钻头体上，转动牙轮与牙爪转动连接，牙爪与钻头体固定。该方案中，所述转动牙轮通过牙爪直接固定安装在钻头体上，其轴向载荷通过牙爪直接传递到钻头体上，该结构承载能力好，增加了钻头工作的可靠性。此安装方式的技术成熟，可降低钻头的生产成本。

作为选择，转动牙轮转动连接在固定切削结构上。该方案中，由于牙轮的结构与工作特点，它带有一套润滑系统，而润滑系统的安装会影响整个复合钻头的尺寸。而本结构中润滑系统可植入固定切削结构，从而使复合钻头结构尺寸更加自由。另外，在小尺寸钻头中由于空间有限，转动牙轮通过牙爪设置在固定切削结构上有利于牙轮的轴偏移设计和钻头的整体结构尺寸与水力结构，而且增大了排削槽体积，并且可以避免钻头工作时牙爪背的磨损。

作为选择，固定切削结构为固定刀翼，其上切削齿为PDC齿。该方案中，采用最常见的固定切削结构：固定刀翼+PDC齿。

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为本发明的转动牙轮设置在牙爪上的结构示意图；

图2为图1复合钻头的俯视图；

图3为本发明钻头牙轮上“犁削型”齿“犁削”岩石时的示意图(切向)；

图4为本发明钻头牙轮上“犁削型”齿“犁削”岩石时的“相邻效应”示意图；

图5为本发明钻头牙轮上“犁削型”齿与固定切削结构上的切削齿的径向井底覆盖示意图；

图6为本发明钻头牙轮上”犁削型”齿与固定切削结构上的切削齿的井底切削轨迹示意图；

图7为本发明钻头牙轮上“犁削型”齿“犁削”岩石时的正切削角α示意图；

图8为本发明的转动牙轮设置在固定切削结构上结构示意图；

图9为本发明“犁削型”齿的结构示意图；

图10为本发明“犁削型”齿的特征型面A的示意图；

图11为本发明“犁削型”齿的特征面B的示意图；

其中1为钻头体、2为固定切削结构、3为牙爪、4为转动牙轮、9为井底切削面、10为钻头、41为“犁削型”齿、21为固定切削结构的切削齿、22为分型面、23为安装固定部分、24为犁削部分。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

如图1至图4所示，图3中a为断裂体，b为碎裂体，c为密实核，d为径向裂纹，图4中X为破碎区域。一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头10，主要包括：钻头体1、带有切削齿21的固定切削结构2和至少一个与复合钻头10转动连接的转动牙轮4，如图1、2所示，转动牙轮4通过牙爪3设置在钻头体1上，转动牙轮4与牙爪3转动连接，牙爪3与钻头体1固定；或者如图8所示，转动牙轮4直接转动连接在固定切削结构2(固定刀翼)上，代替将转动牙轮4通过牙爪3设置在钻头体1上。转动牙轮4上的切削齿为“犁削型”齿41，转动牙轮4相对钻头体1可以自转，转动牙轮4相对钻头体1中心有一定的轴偏移，使得转动牙轮4上的“犁削型”齿41交替着以犁削的方式破岩，“犁削型”齿41的犁削破岩方式与固定切削结构2上的切削齿21的剪切破岩方式相联合进行破岩。

作为选择，转动牙轮4与带有切削齿21的固定切削结构2交替设置在钻头10上，如图1、2、8所示，两个转动牙轮4与两个带有切削齿21(PDC齿)的固定切削结构2(固定刀翼)交替设置。

作为选择，转动牙轮4轴线与钻头10轴线之间的距离与钻头10直径的比值范围在0.05-0.25之间。

作为选择，转动牙轮4上的齿圈与所述固定切削结构2上的切削齿21在钻头10径向上非同轨布置，如图5所示，以此两者的切削轨迹不同轨。转动牙轮4上的“犁削型”齿41与固定切削结构2上的切削齿21的切削轨迹交替交错，形成交替式网状切削区域。如图6所示。

作为选择，转动牙轮4各齿圈上的“犁削型”齿41井底轨迹不浅于所述固定切削结构2上与之相邻切削轨迹的切削齿21的切削轨迹。

“犁削型”齿具有特征型面A和特征面B，特征型面A为齿的中心对称剖面(即过齿顶最高点的某一纵断面，该纵断面将犁削部分剖分成左右对称的两部分)，齿在该面的正交面方向的投影为特征面B(即与特征型面A垂直的另一纵断面)，参见图9、10、11。

特征型面A具有包括以下几何特征：

a.齿底往上至分型面22为安装固定部分23(即安装固定于牙轮内的不出露部分)，齿顶往下至分型面22为犁削部分24(即出露于牙轮外的出露部分)；

b.从分型面22到齿顶方向，犁削部分24的曲线呈楔形收敛；

c.犁削部分24两侧曲线其驻点切线在收敛方向所成夹角ɑ在45°～80°；

d.犁削部分24曲线其齿尖部分为圆弧，圆弧宽度D不大于6mm，圆弧半径R范围2mm～5mm；

特征面B具有包括以下几何特征：

a.从分型面22到齿顶方向，犁削部分24的曲线呈锥形；

b.锥形的锥顶角β范围为45°～90°，更进一步优选45°到80°之间。

作为优选，如图1-8所示，“犁削型”齿41为锥形齿，即切削齿出露牙轮的部分为锥尖圆弧过渡的圆锥面的切削齿。图9-11中展示了一种优选的“犁削型”齿，该齿具有相对规则的圆锥形的犁削部分24，具有一犁削部分24曲线为非对称图形的特征型面A，如图10所示，特征型面A朝右侧弯曲。

“犁削型”在布置时，优选“犁削型”齿41正切削角度α(即布齿时使犁削部分朝向井底切削面9并沿切削方向向前倾斜，使得齿顶方向与垂直井底切削面的方向形成一夹角α，该夹角α即为本专利的正切削角度α。对于锥形齿而言，即齿的轴线x与井底切削面9的垂线y之间的夹角α)为5°到65°之间。如图7所示。

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)

1.一种交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，包括钻头体、带有切削齿的固定切削结构和至少一个转动牙轮，其特征在于：转动牙轮上的切削齿为“犁削型”齿，转动牙轮相对钻头体中心具有轴偏移；“犁削型”齿具有特征型面A和特征面B，特征型面A为齿的中心对称剖面，齿在该面的正交面方向的投影为特征面B；

特征型面A具有包括以下几何特征：

a.齿底往上至分型面为安装固定部分，齿顶往下至分型面为犁削部分；

b.从分型面到齿顶方向，犁削部分的曲线呈楔形收敛；

c.犁削部分两侧曲线其驻点切线在收敛方向所成夹角在45°～80°；

d.犁削部分曲线其齿尖部分为圆弧，圆弧宽度不大于6mm，圆弧半径范围2mm～5mm；特征面B具有包括以下几何特征：

a.从分型面到齿顶方向，犁削部分的曲线呈锥形；

b.锥形的锥顶角范围为45°～90°。

2.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：带有“犁削型”齿的转动牙轮与带有切削齿的固定切削结构交替设置在钻头上。

3.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：转动牙轮上的齿圈与固定切削结构上的切削齿在钻头径向上非同轨布置，转动牙轮上的“犁削型”齿与固定切削结构上的切削齿的切削轨迹交替交错，形成交替式网状切削区域。

4.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：转动牙轮各齿圈上的“犁削型”齿井底轨迹不浅于固定切削结构上与之相邻切削轨迹的切削齿的切削轨迹。

5.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：“犁削型”齿的锥顶角范围为45°～80°。

6.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：“犁削型”齿正切削角度为5°～65°。

7.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：转动牙轮轴线与钻头轴线之间的距离与钻头直径的比值范围在0.05-0.25之间。

8.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：转动牙轮通过牙爪设置在钻头体上，转动牙轮与牙爪转动连接，牙爪与钻头体固定；或者，转动牙轮直接转动连接在固定切削结构上。

9.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：“犁削型”齿为锥形齿。

10.如权利要求1所述的交替犁削与刮切方式联合破岩的复合钻头，其特征在于：固定切削结构为固定刀翼，其上切削齿为PDC齿。