CN107747473B - 一种镶齿牙轮混合钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镶齿牙轮混合钻头，包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼从内至外划分为内锥、鼻部、肩部和保径段，刀翼上沿内锥、鼻部、肩部和保径段安设固定切削齿，在至少两对相邻的刀翼间安设有牙掌，牙掌上端与钻头体相联成一体，牙掌的下端安设有牙轮，其特征在于所述牙轮为镶齿牙轮，所述牙轮的切削齿切削位对应于刀翼的鼻部和肩部，所述牙轮切削齿设置有多排，每排牙轮切削齿沿一圈牙轮纬线间隔安设，各排牙轮切削齿沿切削齿的最外轮廓包络线从内到外紧密排列，且相邻各排切削齿沿牙轮经线交错间隔布设，每个牙轮的切削齿布齿结构相同。该混合钻头的牙轮布齿合理，能有效提高牙轮的耐磨性从而延长混合钻头的使用寿命。

Description

一种镶齿牙轮混合钻头
技术领域
本发明涉及到一种用于石油、天然气和地质钻井用的镶齿牙轮混合钻头，该钻头适用于在夹层和硬地层地层的钻井。
背景技术
在现有技术中，当钻井遇到硬地层时，常用的PDC金刚石钻头主要是通过刮削运动方式来实现井下钻进，金刚石钻头的鼻部和肩部上主要的切削元件很难有效吃入井底岩石，金刚石钻头的机械钻速将变得非常缓慢；而牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石，容易使岩石产生较深的破碎齿坑，但由于地层硬，不能使岩石产生体积破碎，牙轮钻头的机械钻速也很慢。另一方面，当钻头遇到一些软硬夹层较多的地层时，PDC金刚石钻头的切削元件极易受到冲击破损，为了应对这种情况，提出了一种牙轮钻头和PDC金刚石钻头组合而成的混合钻头，该混合钻头具有较强的综合性能，通过牙轮对地层先进行预破碎，释放地层应力，然后在让固定翼切削齿对地层进行刮削，有效的提高了钻头机械钻速，同时固定翼切削齿也得到了有效的保护，延长了钻头使用寿命。但现有的牙轮和金刚石钻头的结构还不尽合理。一方面，由于现有混合钻头牙轮齿排中具有相同切削轨迹的每排牙轮合金齿位于同一个牙轮上，每个混合钻头牙轮的布齿结构均不一样，致使混合钻头上的每个牙轮受力不均匀，易使混合钻头单个牙轮轴承先期失效进而导致钻头失效；另一方面，在钻硬地层时，由于牙轮的硬质合金齿的耐磨性远低于PDC钻头金刚石复合片的耐磨性，一般都是合金齿先磨损进而导致混合钻头失效，而现有的混合钻头牙轮相同切削轨迹的每排牙轮合金齿都位于同一个牙轮上，导致牙轮空间部分浪费，也减少了合金齿的安装数量，使得牙轮的耐磨性不能进一步得到提高牙轮，从而影响牙轮的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种镶齿牙轮混合钻头，该混合钻头的牙轮布齿合理，能有效提高牙轮的耐磨性从而延长混合钻头的使用寿命。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼从内至外划分为内锥、鼻部、肩部和保径段，刀翼上沿内锥、鼻部、肩部和保径段安设固定切削齿，在至少两对相邻的刀翼间安设有牙掌，牙掌上端与钻头体相联成一体，牙掌的下端安设有牙轮，其特征在于所述牙轮为镶齿牙轮，所述牙轮的切削齿切削位对应于刀翼的鼻部和肩部，所述牙轮切削齿设置有多排，每排牙轮切削齿沿一圈(条)牙轮纬线间隔安设，各排牙轮切削齿沿切削齿的最外轮廓包络线从内到外紧密排列，且相邻各排切削齿沿牙轮经线交错间隔布设，每个牙轮的切削齿布齿结构相同。
按上述方案，所述刀翼上的固定切削齿由内到外排列布设，覆盖整个井底，形成固定切削齿的轮廓包络线，各个刀翼上的所有切削齿回转半径各不相同，即每个刀翼的布齿结构各不相同。
按上述方案，所述的牙轮切削齿的最外轮廓包络线和所述的固定切削齿的轮廓包络线平行并间隔一定距离，所述的牙轮切削齿的最外轮廓包络线与固定切削齿的最外轮廓包络线之间的距离为-2.0毫米～2.0毫米。
按上述方案，所述牙轮的每排切削齿在切削轨迹的最低点时齿中心线与刀翼上对应各固定切削齿的齿中心线重合或相近。
按上述方案，所述的刀翼为2～6个，所述的牙轮的为2～6个，且牙轮个数等于或少于刀翼数。
按上述方案，所述的牙轮切削齿设置有6～20排，每排镶装的牙轮切削齿为6～20个。
按上述方案，所述的牙轮切削齿为硬质合金齿，或硬质合金聚晶金刚石复合齿。
按上述方案，所述的固定切削齿为金刚石复合片。
本发明的有益效果在于：1、每个牙轮的切削齿布齿结构相同，整个钻头的受力分布均衡，减少了布齿不均衡使得个别轴承受力偏大导致个别牙轮钻头轴承先期失效的问题，提高了钻头的整体寿命。2、牙轮上的切削齿经纬交错布设，不仅使牙轮切削齿在牙轮表面的分布均匀，布齿合理，而且能更有效的利用牙轮空间，提高牙轮表面的布齿密度，有效的提高了钻头机械钻速，从而提高牙轮的破岩性能和耐磨性，延长钻头的使用寿命。3、牙轮的每排切削齿在切削轨迹的最低点时齿中心线与刀翼上固定切削齿的齿中心线重合或相近，能使钻头的切削任务得到合理的分担，有助于进一步提高钻头的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一个实施例倒置时的立体结构图。
图2为本发明一个实施例中牙轮切削齿与固定切削齿的最外轮廓包络线的投影图示。
图3为本发明一个实施例的仰视结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如图1～3所示，包括有钻头体101，钻头体上安设3个刀翼102和6个喷嘴103，刀翼从钻头中心轴线至外划分为内锥、鼻部、肩部和保径段；刀翼各部位上安设有固定切削齿104，固定切削齿为金刚石复合片，刀翼的固定切削齿由内到外覆盖整个井底，形成固定切削齿的最外轮廓包络线110，各个刀翼上的每个固定切削齿回转半径也即切削轨迹各不相同，如图2、3所示，1～18号固定切削齿分别分布在3个不同的刀翼102a、102b、102c上。在各相邻刀翼之间安设有牙掌105，牙掌上端与钻头体焊接成一体，牙掌的下端设置轴颈，牙轮106套装在轴颈上并通过钢珠轴向锁定，牙轮和刀翼相互交错安设；所述的牙轮为镶齿牙轮，牙轮为A、B、C号3个，牙轮上安设有牙轮切削齿107，所述的牙轮切削齿107为硬质合金聚晶金刚石复合齿；所述牙轮的切削齿切削位对应于刀翼的鼻部和肩部，所述牙轮切削齿设置有8排，每排牙轮切削齿沿一圈(条)牙轮纬线间隔安设，各排牙轮切削齿沿切削齿的最外轮廓包络线从内到外紧密排列，且相邻各排切削齿沿牙轮经线交错间隔布设，每个牙轮的切削齿布齿结构相同。牙轮切削齿组成的最外轮廓包络线111覆盖钻头的鼻部及肩部，在所述的刀翼固定切削齿的最外轮廓包络线110之外，牙轮切削齿的最外轮廓包络线110与固定切削齿的最外轮廓包络线110之间的距离H为1.0毫米，所述牙轮的每排切削齿在切削轨迹的最低点时齿中心线与刀翼上对应各固定切削齿的齿中心线重合，即牙轮上的各排切削齿11B～18B的齿中心线与刀翼上鼻部及肩部各个固定切削齿11～18的齿中心线重合。所述的牙轮上最靠外的切削齿与刀翼保径段上的固定切削齿共同参与切削井壁岩石，所述的牙轮切削齿与固定切削齿在井底形成的切削轨迹重合。此外，在牙掌掌背和刀翼的侧面分别设置有保径齿。

Claims (7)

1.一种镶齿牙轮混合钻头，包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼从内至外划分为内锥、鼻部、肩部和保径段，刀翼上沿内锥、鼻部、肩部和保径段安设固定切削齿，在至少两对相邻的刀翼间安设有牙掌，牙掌上端与钻头体相联成一体，牙掌的下端安设有牙轮，其特征在于所述牙轮为镶齿牙轮，所述牙轮的切削齿切削位对应于刀翼的鼻部和肩部，所述牙轮切削齿设置有多排，每排牙轮切削齿沿一圈牙轮纬线间隔安设，各排牙轮切削齿沿切削齿的最外轮廓包络线从内到外紧密排列，且相邻各排切削齿沿牙轮经线交错间隔布设，每个牙轮的切削齿布齿结构相同；所述刀翼上的固定切削齿由内到外排列布设，覆盖整个井底，形成固定切削齿的轮廓包络线，各个刀翼上的所有切削齿回转半径各不相同，即每个刀翼的布齿结构各不相同。
2.按权利要求1所述的镶齿牙轮混合钻头，其特征在于所述的牙轮切削齿的最外轮廓包络线和所述的固定切削齿的轮廓包络线平行并间隔一定距离，所述的牙轮切削齿的最外轮廓包络线与固定切削齿的最外轮廓包络线之间的距离为-2.0毫米～2.0毫米。
3.按权利要求1或2所述的镶齿牙轮混合钻头，其特征在于所述牙轮的每排切削齿在切削轨迹的最低点时齿中心线与刀翼上对应各固定切削齿的齿中心线重合或相近。
4.按权利要求1或2所述的镶齿牙轮混合钻头，其特征在于所述的刀翼为2～6个，所述的牙轮的为2～6个，且牙轮个数等于或少于刀翼数。
5.按权利要求1或2所述的镶齿牙轮混合钻头，其特征在于所述的牙轮切削齿设置有6～20排，每排镶装的牙轮切削齿为6～20个。
6.按权利要求1或2所述的镶齿牙轮混合钻头，其特征在于所述的牙轮切削齿为硬质合金齿，或硬质合金聚晶金刚石复合齿。
7.按权利要求1或2所述的镶齿牙轮混合钻头，其特征在于所述的固定切削齿为金刚石复合片。
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