CN106639890A - 一种复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合钻头，其包括柱状的接头和连接于接头上的钻头体，所述复合钻头还包括沿钻头体的周向均匀布置在钻头体上的至少三个刀翼，各刀翼分别沿钻头体的径向从内向外延伸，各刀翼的外侧面上均具有冠部轮廓，冠部轮廓为一曲线；复合钻头还包括均固定设置在冠部轮廓上的多个切削齿和多个磨削齿，各切削齿沿刀翼的延伸方向排成一排，各磨削齿沿刀翼的延伸方向排成一排；各磨削齿所在的排位于各切削齿所在的排沿钻头体的旋转方向的后方，各磨削齿的顶点高度低于同一圆周上的切削齿的顶点高度。本发明不仅提高了机械钻速和钻头进尺，延长了使用寿命；还提高了钻头的钻井破岩效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油、天然气钻井的技术领域，特别涉及一种复合钻头。
背景技术
随着油气田勘探开发工作的不断深入，实际钻井中遇到的地层越来越深，地层构造越来越复杂，导致钻井难度越来越大。尤其是深部极硬、强研磨性的地层，如花岗岩、火成岩和致密砂岩等地层，面临着钻井速度慢，钻头寿命短，钻井周期长，钻井成本高的难题，制约着勘探开发的整体效益。而钻头的使用寿命和破岩效率是提高钻井效率的关键因素，因此，如何提高在极硬、研磨性地层的钻井速度，是目前亟待解决的技术难题。
PDC(Polycrystalline diamond compact)是一种将人造聚晶金刚石与碳化钨基座在高温高压条件下焊接在一起的切削元件，PDC钻头上世纪八十年代问世以来，因具有平均机械钻速高、进尺多、寿命长等特点，已逐渐成为石油、天然气工业广泛推广应用的一种高效破岩工具。
现有的PDC钻头的切削齿镶嵌固定在钻头刀翼上，接触岩石的边刃是恒定不变的，这种切削结构的缺点是PDC钻头的切削齿有超过60％的边刃并没有用到。一旦接触岩石的边刃磨损后，切削效率就会显著下降，甚至失去了破岩的效果。另外，因PDC钻头的PDC复合片比较脆，易于崩碎，而且只在表面上覆盖一层金刚石，对于硬研磨性地层来讲，由于金刚石含量偏少，导致PDC钻头在这些地层中的寿命较短、进尺偏少。
现有技术中的孕镶金刚石钻头采用小颗粒金刚石作为切削元件，因钻头的孕镶金刚石层中都混合有金刚石颗粒，金刚石含量较高，且相对比较均匀，因此寿命较长、进尺较多。但孕镶金刚石钻头工作原理为磨削和犁削，导致其机械钻速较低，钻井效率不高。
发明内容
为解决PDC钻头进尺偏少，孕镶金刚石钻头钻速较低的技术问题，本发明提出一种复合钻头，不仅提高了机械钻速和钻头进尺，延长了使用寿命；还提高了钻头在深部极硬、强研磨性地层中的钻井破岩效率。
本发明提出一种复合钻头，其包括柱状的接头和连接于接头上的钻头体，所述复合钻头还包括沿所述钻头体的周向均匀布置在所述钻头体上的至少三个刀翼，各所述刀翼分别沿所述钻头体的径向从内向外延伸，各所述刀翼的外侧面上均具有冠部轮廓，所述冠部轮廓为一曲线；
所述复合钻头还包括均固定设置在所述冠部轮廓上的多个切削齿和多个磨削齿，各所述切削齿沿所述刀翼的延伸方向排成一排，各所述磨削齿沿所述刀翼的延伸方向排成一排；各所述磨削齿所在的排位于各所述切削齿所在的排沿所述钻头体的旋转方向的后方，各所述磨削齿的顶点高度低于同一圆周上的所述切削齿的顶点高度。
进一步地，各所述冠部轮廓包括从内向外依次连接的鼻部、外肩部、结合部和保径部，各所述磨削齿延伸分布在所述鼻部、所述外肩部和所述结合部上。
更进一步地，各所述切削齿均包括：
连接在所述刀翼上的切削本体，其具有安装槽；
切削头，其包括碳化钨基座和人造聚晶金刚石复合片；所述人造聚晶金刚石复合片固定连接在所述碳化钨基座上，所述碳化钨基座置于所述安装槽内，所述人造聚晶金刚石复合片伸出所述安装槽。
进一步地，各所述切削齿均为圆柱、椭圆柱或楔形柱，各所述磨削齿均为圆柱、椭圆柱或弧形柱。
进一步地，各所述切削齿的中心线与所述钻头体的旋转方向之间具有第一后倾角和第一侧倾角。
作为一种可实施的方式，各所述切削齿的所述碳化钨基座分别通过轴承能旋转地置于所述安装槽内，或者各所述切削齿的所述切削本体分别通过轴承能旋转地连接在所述刀翼上。
作为另一种可实施的方式，各所述切削齿上，位于所述鼻部和所述外肩部上的所述碳化钨基座分别通过轴承能旋转地置于所述安装槽内；
或者各所述切削齿上，位于所述鼻部和所述外肩部上的所述切削本体分别通过轴承能旋转地连接在所述刀翼上。
进一步地，各所述磨削齿的顶点高度低于同一圆周上的所述切削齿的顶点高度1毫米～3毫米。
进一步地，所述刀翼的数量为4～7个。
进一步地，各所述磨削齿均为孕镶金刚石齿。
本发明相比于现有技术的有益效果在于：本发明的复合钻头结合了切削齿和磨削齿的优势，同时弥补了切削齿和磨削齿的不足。切削齿具有切削能力强，破岩能力强的特点，弥补了磨削齿切削能力不足的劣势。磨削齿具有耐冲击和磨损的特点，可以起到限制单次切入地层深度，保护了切削齿，延长了切削齿的使用寿命。
本发明不仅利用了磨削齿研磨性强的特点，提高了机械钻速和钻头进尺，使钻进平稳，延长了使用寿命；还利用了切削齿切削能力强的特点，具有足够的破碎岩石的能力，提高了钻头在深部极硬、强研磨性地层中的钻井破岩效率。
切削齿在径向力的推动作用下会相对于刀翼绕自身的中心轴旋转，实现自旋转功能，旋转后的切削齿使刀刃沿周向实现了均匀磨损；有效地避免在钻井过程中只有部分的边刃进行切削，使切削齿磨损均匀，提高了切削齿的利用效率，提高了复合钻头的抗磨损能力。还可以根据复合钻头中切削齿的实际磨损情况，灵活布置能旋转的切削齿的数量和位置。
附图说明
图1为本发明的复合钻头的主视示意图；
图2为本发明的复合钻头的俯视示意图；
图3为本发明的复合钻头的立体示意图；
图4为本发明的复合钻头的刀翼的冠部轮廓的主视示意图；
图5为本发明的复合钻头的切削齿的半剖立体示意图；
图6为本发明的复合钻头的切削齿的半剖主视示意图；
图7为本发明的复合钻头的切削齿与地层的作用关系示意图；
图8为本发明的复合钻头的切削齿受力的分解示意图。
附图标记：
10-接头；20-钻头体；
30-刀翼；
31-内锥面；32-鼻部；33-外肩部；34-结合部；35-保径部；
40-切削齿；
42-切削本体；44-碳化钨基座；46-人造聚晶金刚石复合片；
50-磨削齿。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
请参阅图1所示，一种复合钻头，其包括柱状的接头10和连接于接头10上的钻头体20，复合钻头还包括至少三个刀翼30，至少三个刀翼30沿钻头体20的周向均匀布置在钻头体20上，各刀翼30分别沿钻头体20的径向从内向外延伸，各刀翼30的外侧面上均具有冠部轮廓，冠部轮廓为一曲线。
请参阅图2和图3所示，复合钻头还包括均固定设置在冠部轮廓上的多个切削齿40和多个磨削齿50，各切削齿40沿刀翼30的延伸方向排成一排，各磨削齿50沿刀翼30的延伸方向排成一排。各磨削齿50所在的排位于各切削齿40所在的排沿钻头体20的旋转方向的后方，各磨削齿50的顶点高度低于同一圆周上的切削齿40的顶点高度。
较优地，复合钻头上切削齿40的数量为7～10个，复合钻头上磨削齿50的数量为4～6个。各刀翼30上的切削齿40的数量相同或者互不相同，各刀翼30上的磨削齿50的数量相同或者互不相同。各切削齿40的连线经过的平面通过钻头体20的中心轴；各刀翼30上，各磨削齿50的连线经过的平面平行于各切削齿40的连线经过的平面。另外，在各个刀翼30上，各磨削齿50的顶点高度低于前方对应的切削齿40的顶点高度，保证了切削齿40在切削过程中，磨削齿50不会对切削齿40造成挡止，影响切削效果。
在钻井作业中，钻头体20在上部的转盘和电动钻具的带动下旋转，转盘和电动钻具的转向是确定的，所以钻头体20的旋转方向始终为一个方向。本发明的复合钻头中，切削齿40作为前排齿，磨削齿50作为后排齿，位于前排的切削齿40会先接触并作用于岩层，弥补了后排的磨削齿50切削能力不足，后排的磨削齿50保护了位于前排的切削齿40。
本发明的复合钻头结合了切削齿40和磨削齿50的优势，同时弥补了切削齿40和磨削齿50的不足。切削齿40具有切削能力强，破岩能力强的特点，弥补了磨削齿50切削能力不足的劣势。磨削齿50具有耐冲击和磨损的特点，可以起到限制单次切入地层深度，保护了切削齿40，延长了切削齿40的使用寿命。
另外，在刀翼30上设置位于后排的磨削齿50和位于前排的切削齿40，兼顾了攻击性和稳定性。不仅利用了磨削齿50研磨性强的特点，提高了机械钻速和钻头进尺，使钻进平稳，延长了使用寿命；还利用了切削齿40切削能力强的特点，具有足够的破碎岩石的能力，提高了钻头在深部极硬、强研磨性地层中的钻井破岩效率。
较优地，各切削齿40和各磨削齿50分别钎焊于钻头体20上。
进一步地，请参阅图4所示，各冠部轮廓包括从内向外依次连接的鼻部32、外肩部33、结合部34和保径部35，如图1和图3所示，各磨削齿50延伸分布在鼻部32、外肩部33和结合部34上。较优地，各切削齿40延伸分布在整个冠部轮廓上，以便充分地切削地层，保证钻进效率。
如图4所示，曲线形的冠部轮廓呈一弯钩形，也就是说，冠部轮廓包括多段首尾相连的弧线，各段弧线的曲率互不相同，且各段弧线的中心位于曲线的同一侧。还可以在鼻部32内侧设置内锥面31，内锥面31上远离鼻部32的一端与钻头体20的顶部中心重合，在内锥面31处形成向内凹陷的倒锥形空间，用于暂时容纳切削下来的岩石碎片。鼻部32向外延伸并朝上方突出，在钻井作业中有利于其上的切削齿40向下持续钻进。外肩部33向外延伸并朝右侧突出，用于侧向钻进。结合部34为一曲面，保证了外肩部33与保径部35之间的圆滑过渡。保径部35维持复合钻头的钻井过程稳定，并能保持井眼的尺寸。
更进一步地，请参阅图5和图6所示，各切削齿40均包括切削本体42和切削头。切削本体42连接在刀翼30上，切削本体42具有安装槽。切削头包括碳化钨基座44和人造聚晶金刚石复合片46；人造聚晶金刚石复合片46固定连接在碳化钨基座44上，碳化钨基座44置于安装槽内，人造聚晶金刚石复合片46伸出安装槽。
较优地，人造聚晶金刚石复合片46经高温高压粘结在碳化钨基座44上，形成一体式结构。各切削齿40(即PDC切削齿)分别由其上的人造聚晶金刚石复合片46对地层进行切削。
进一步地，如图3和图5所示，各切削齿40均为圆柱、椭圆柱或楔形柱，各磨削齿50均为圆柱、椭圆柱或弧形柱。圆柱是横截面呈圆形的柱体，椭圆柱形是横截面呈椭圆形的柱体；楔柱形的一端端面垂直于侧面，其另一端端面与侧面之间具有夹角；圆弧柱形的横截面由一条弧线和一条直线围合而成。
可根据实际生产和齿加工工艺的需要，选择切削齿40和磨削齿50的形状，使其适用范围更广，能方便推广应用。
进一步地，各切削齿40的中心线与钻头体20的旋转方向之间具有第一后倾角和第一侧倾角。切削齿40的法线方向(即圆柱形的中心线或轴线)与钻头体20的切线方向(前进方向)存在一定夹角，这个夹角分解到竖直面和水平面上分别为第一后倾角和第一侧倾角。第一后倾角可以减少切削齿40在工作时的震动，延长使用寿命。第一侧倾角的作用是使切削齿40在切削地层时对齿前岩石产生侧向推力。
一般情况下，切削齿40的第一后倾角越小，攻击能力越强，适合软地层。第一后倾角越大，攻击性越弱，稳定性越好，适合硬地层。同理，切削齿40的第一侧倾角越小，攻击性越强。第一侧倾角大，稳定性越好。本发明综合考虑了复合钻头的攻击性和稳定性，设置较小的第一后倾角和第一侧倾角。
较优地，各磨削齿50的中心线与钻头体20的旋转方向之间也可设置第二后倾角和第二侧倾角。
作为一种可实施的方式，各切削齿40的碳化钨基座44分别通过轴承能旋转地置于安装槽内，或者各切削齿40的切削本体42分别通过轴承能旋转地连接在刀翼30上。也就是说，在冠部轮廓上，所有切削齿40均能旋转，有效避免在钻井过程中只有部分的边刃进行切削，使切削齿40磨损均匀，提高了切削齿40的利用效率，提高了复合钻头的抗磨损能力。
作为另一种可实施的方式，各切削齿40上，位于鼻部32和外肩部33上的碳化钨基座44分别通过轴承能旋转地置于安装槽内；或者各切削齿40上，位于鼻部32和外肩部33上的切削本体42分别通过轴承能旋转地连接在刀翼30上。也就是说，在冠部轮廓上，只有部分切削齿40能旋转，这一部分能旋转的切削齿40位于易磨损的鼻部32和外肩部33，其他位置的切削齿40不能旋转。这样也可以有效地避免在钻井过程中只有部分的边刃进行切削，使切削齿40磨损均匀，提高了切削齿40的利用效率，提高了复合钻头的抗磨损能力。
还可以根据复合钻头中切削齿40的实际磨损情况，灵活布置能旋转的切削齿40的数量和位置。
较优地，本实施例中轴承设置在碳化钨基座44与安装槽之间，轴承采用滚动轴承，轴承还可以起到定位和锁紧切削头的作用。滚动轴承如果磨损，切削头会从切削本体42上分离，因而滚动轴承的强度非常重要。
钻头的受力状况请参阅图7所示，切削齿40在轴向力Fv和切向力Fh的联合作用下，切入地层岩石一定深度，并挤压刃前岩石，使之发生塑性变形破碎，不断地向自由面剪切滑移出去。请参阅图8所示，根据作用力与反作用力的原理，地层会给切削齿40一个向上的支撑力Q1和摩擦力Q2。由于第一侧倾角的存在，摩擦力Q2被分解为平行于切削齿40法线的力T1和垂直于切削齿40法线的径向力T2。切削齿40在径向力T2的推动作用下会相对于刀翼30绕自身的中心轴旋转，实现自旋转功能，旋转后的切削齿40使刀刃沿周向实现了均匀磨损。
本发明的复合钻头，切削齿40能够自旋转，将自旋转的PDC切削齿40的切削功能和磨削齿50的磨削功能结合在一起，使复合钻头既具有PDC钻头在硬研磨性地层中机械钻速高、进尺地的特点；又具有孕镶金刚石钻头机械钻速低、进尺高、寿命长的特点。同时，还能显著提高切削头的利用率，使其比PDC钻头的寿命更长，比孕镶金刚石钻头的钻速更高。
进一步地，各磨削齿50的顶点高度低于同一圆周上的切削齿40的顶点高度1毫米～3毫米，可以根据实际需要对高度差进行选择。
进一步地，刀翼30的数量为4～7个。刀翼30设置的数量与地层有关，松软地层一般用4～5个刀翼30，坚硬地层一般用5～7个刀翼30。本发明综合考虑硬地层特性和切削齿40的使用寿命，采用6个刀翼30。
进一步地，各磨削齿50均为孕镶金刚石齿，孕镶金刚石齿由复合胎体和天然金刚石经烧结工艺制成，金刚石镶嵌在复合胎体上。
本发明的复合钻头，由于在钻头体20上钎焊了磨削齿50和PDC切削齿40，在钻进前期，复合钻头以PDC切削齿40剪切破碎岩石的作业为主，可以获得较高的机械钻速。同时，由于全部或部分PDC切削齿40的人造聚晶金刚石复合片46在钻进过程中受力后，能够相对于刀翼30自旋转，在人造聚晶金刚石复合片46切削地层时，切削齿40的切削头的外端面(即人造聚晶金刚石复合片46的外端面)的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了切削头的利用率，从而大幅度提高了PDC切削齿40的使用寿命。
当人造聚晶金刚石复合片46磨损到一定程度后，高度相对较低的磨削齿50参与磨损岩石，同时人造聚晶金刚石复合片46还能在旋转后继续剪切破碎岩石，提高了复合钻头的复合破岩效率，此时，磨削齿50还能保护人造聚晶金刚石复合片46，减少岩石对人造聚晶金刚石复合片46的冲击，延长人造聚晶金刚石复合片46的使用寿命；从而达到增加钻头进尺和寿命的作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合钻头，其包括柱状的接头和连接于接头上的钻头体，其特征在于，所述复合钻头还包括沿所述钻头体的周向均匀布置在所述钻头体上的至少三个刀翼，各所述刀翼分别沿所述钻头体的径向从内向外延伸，各所述刀翼的外侧面上均具有冠部轮廓，所述冠部轮廓为一曲线；
所述复合钻头还包括均固定设置在所述冠部轮廓上的多个切削齿和多个磨削齿，各所述切削齿沿所述刀翼的延伸方向排成一排，各所述磨削齿沿所述刀翼的延伸方向排成一排；各所述磨削齿所在的排位于各所述切削齿所在的排沿所述钻头体的旋转方向的后方，各所述磨削齿的顶点高度低于同一圆周上的所述切削齿的顶点高度。
2.根据权利要求1所述的复合钻头，其特征在于，各所述冠部轮廓包括从内向外依次连接的鼻部、外肩部、结合部和保径部，各所述磨削齿延伸分布在所述鼻部、所述外肩部和所述结合部上。
3.根据权利要求2所述的复合钻头，其特征在于，各所述切削齿均包括：
连接在所述刀翼上的切削本体，其具有安装槽；
切削头，其包括碳化钨基座和人造聚晶金刚石复合片；所述人造聚晶金刚石复合片固定连接在所述碳化钨基座上，所述碳化钨基座置于所述安装槽内，所述人造聚晶金刚石复合片伸出所述安装槽。
4.根据权利要求3所述的复合钻头，其特征在于，各所述切削齿均为圆柱、椭圆柱或楔形柱，各所述磨削齿均为圆柱、椭圆柱或弧形柱。
5.根据权利要求3所述的复合钻头，其特征在于，各所述切削齿的中心线与所述钻头体的旋转方向之间具有第一后倾角和第一侧倾角。
6.根据权利要求5所述的复合钻头，其特征在于，各所述切削齿的所述碳化钨基座分别通过轴承能旋转地置于所述安装槽内，或者各所述切削齿的所述切削本体分别通过轴承能旋转地连接在所述刀翼上。
7.根据权利要求5所述的复合钻头，其特征在于，各所述切削齿上，位于所述鼻部和所述外肩部上的所述碳化钨基座分别通过轴承能旋转地置于所述安装槽内；
或者各所述切削齿上，位于所述鼻部和所述外肩部上的所述切削本体分别通过轴承能旋转地连接在所述刀翼上。
8.根据权利要求1所述的复合钻头，其特征在于，各所述磨削齿的顶点高度低于同一圆周上的所述切削齿的顶点高度1毫米～3毫米。
9.根据权利要求1所述的复合钻头，其特征在于，所述刀翼的数量为4～7个。
10.根据权利要求1所述的复合钻头，其特征在于，各所述磨削齿均为孕镶金刚石齿。
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