CN108625788B - 一种新型pdc、牙轮复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型pdc、牙轮复合钻头，包括钻头体、牙掌、切削刀翼、球形牙轮，所述球形牙轮安装在牙掌上，所述牙掌、切削刀翼的外侧均设有pdc切削齿并固定在钻头体上，所述球形牙轮位于钻头体的正上方，其中心线与钻头体轴线重合；所述球形牙轮的球心处与切削刀翼最高点间的垂直距离的范围为18‑29mm，所述牙掌的侧面设有储油密封。本发明涉及的新型复合钻头，在钻井过程中pdc切削齿与牙轮齿共同分担钻压，降低了各齿所受压力，提高了钻头抗磨损能力，进而延长整个钻头的使用寿命，且由于储油密封位置更靠近钻头顶部，从而提高钻头润滑系统感应井底压力的灵敏度，使钻头更好的润滑环境，从而提高钻头的寿命。

Description

一种新型pdc、牙轮复合钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑工程基础施工、地质钻探、水文及非开挖技术领域，具体为一种新型pdc、牙轮复合钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，需要借助破岩工具破碎岩石，而钻头是常用的破碎岩石形成井眼的破岩工具。传统钻井工程中使用的钻头主要有牙轮钻头和pdc钻头。

牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破岩，钻头旋转钻进时牙轮的线速度快，通过牙轮上的牙齿对井底岩石产生冲击压碎作用破岩。其破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层，适用于软到坚硬多种地层。

pdc钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称pdc齿)来剪切破碎岩石，pdc钻头在软到中硬地层中有机械钻速高、寿命长、排量大、钻进成本低等特点，因此其在油气井的钻进中得到了广泛的应用。

现有pdc钻头在与岩石作用面上，由钻头边缘至中心线速度的分布规律为逐渐减小。造成钻头中心处的切削效率低下。且靠近钻头中心处的切削齿较靠近钻头边缘处的切削齿所承受的载荷更低，所以靠近钻头边缘的切削齿较靠近钻头中心处的切削齿更易被磨损。在钻进过程中由于钻头中心处钻进效率低下及钻头边缘处切削齿的严重磨损，使得钻井速度降低、钻头寿命下降，钻井成本增加。

复合钻头是一种将牙轮和pdc刀翼复合在一起的新型钻头，固定刀翼上的pdc齿以刮切方式破岩，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩，因此复合钻头依靠两种方式混合破碎岩石。在旋转钻进过程中，由于钻头与岩石间产生的摩擦撞击，使钻头产生横向移动，而由横向移动产生的冲击振动会对钻头的稳定性产生影响并降低复合片的寿命。这严重影响了钻头的使用寿命。虽然复合钻头正被广泛应用，但如何提高钻头中心处的切削效率及提高钻头的使用寿命依然是复合钻头设计中的一个难题。

综上所述，现有pdc、牙轮复合钻头有钻头中心切削效率低、钻进速度慢、钻进稳定性低、钻头寿命短的问题。

发明内容

本发明主要是针对pdc、牙轮复合钻头存在中心切削效率低、钻进速度慢、钻进稳定性低、钻头寿命短的问题，提供一种新型pdc、牙轮复合钻头。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种新型pdc、牙轮复合钻头，包括钻头体、牙掌、切削刀翼、球形牙轮，所述牙掌上设有轴承，所述球形牙轮外表面设有切屑齿，所述球形牙轮安装在牙掌的轴承上，所述牙掌、切削刀翼的形状大小均相同，所述牙掌、切削刀翼的外侧均设有pdc切削齿并固定在钻头体上，所述球形牙轮位于钻头体的正上方，其中心线与钻头体轴线重合；所述球形牙轮的球心与切削刀翼最高点间的垂直距离的范围为±29mm，所述牙掌的侧面设有储油密封。

进一步的技术方案是，所述球形牙轮上设有水眼和若干条引流槽，若干条引流槽的一端交汇于水眼处，另一端与球形牙轮下端面的垂直距离为20～50mm。

进一步的技术方案是，所述切削刀翼的个数为三个，三个切削刀翼和牙掌均布在钻头体的冠部外围。

进一步的技术方案是，所述储油密封与牙掌最高点之间的距离范围为60～75mm。

进一步的技术方案是，所述牙掌、切削刀翼背面均设有耐磨保径齿。

进一步的技术方案是，所述水眼中心线与轴承轴线之间的夹角为5～10°。

进一步的技术方案是，所述钻头体的冠部具有球状凹腔，所述球形牙轮位于球状凹腔的正上方，所述球状凹腔内表面与球形牙轮上切屑齿齿顶之间的间距为10～20mm。

根进一步的技术方案是，所述切削刀翼上靠近球形牙轮的端面为内弧面，所述内弧面向外倾斜，所述球状凹腔内与向外倾斜的内弧面之间的夹角为0～30°。

进一步的技术方案是，所述钻头体上设有用于焊接牙掌的凹槽。

本发明具有以下优点：

(1)提高钻头的使用寿命：本发明涉及的新型复合钻头，在钻井过程中pdc切削齿与牙轮齿共同分担钻压，降低了各齿所受压力，提高了钻头抗磨损能力，进而延长整个钻头的使用寿命，且由于储油密封位置更靠近钻头顶部，从而提高钻头润滑系统感应井底压力的灵敏度，使钻头更好的润滑环境，从而提高钻头的寿命；

(2)提高钻头工作稳定性：本发明涉及的新型单牙轮复合钻头，将球形牙轮布置在钻头体的正上方，在钻井过程中，球形牙轮钻头将起到领眼的作用，阻止钻头横向摆动，提高钻头抗横向漂移的能力，从而提高钻头工作稳定性。

(3)提高钻头中心处的切削效率。本发明涉及的新型复合钻头，球形牙轮钻头周边均匀分布着若干切削刀翼与牙掌，且球形牙轮钻头相对于切削刀翼和牙掌更高，与常规钻头相比，本专利在钻头中心处增加了球形牙轮钻头，使其在钻进过程中，钻头中心处的切削效率得到了极大的提高，从而缩短了钻进时间，降低了钻头的磨损，提高了钻头的寿命。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的主视结构示意图；

图3为实施例中轴承与球形牙轮的剖面图；

图4为实施例中钻头体的结构示意图；

图5为实施例中牙掌的结构示意图。

图中所示：1-钻头体、2-牙掌、3-切削刀翼、4-球形牙轮、5-pdc切削齿、6-水眼、7-引流槽、8-储油密封、9-耐磨保径齿、10-球状凹腔、11-内弧面、12-轴承、13-凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

如图1-5所示，本发明的一种新型pdc、牙轮复合钻头，包括钻头体1、牙掌2、切削刀翼3、球形牙轮4，所述牙掌2上设有轴承12，所述球形牙轮4外表面设有切屑齿，其特征在于，所述球形牙轮4安装在牙掌2的轴承12上，所述牙掌2、切削刀翼3的形状大小均相同，所述牙掌2、切削刀翼3的外侧均设有pdc切削齿5并固定在钻头体1上，所述球形牙轮4位于钻头体1的正上方，其中心线与钻头体1轴线重合；所述球形牙轮4的球心与切削刀翼3最高点间的垂直距离的范围为±29mm，垂直距离为图2中的h，其中球形牙轮4的球心高于切削刀翼3时为正的距离，反之低于时为负，所述牙掌2的侧面设有储油密封8，储油密封8位于牙掌2侧面且更靠近井底，使得钻头轴承润滑系统感应井底压力的灵敏度得到了提高，确保钻井过程中钻头内部润滑良好，提高钻头寿命。

为了避免泥包现象的发生，优选的实施方式是，所述球形牙轮4上设有水眼6和若干条引流槽7，若干条引流槽7的一端交汇于水眼6处，另一端与球形牙轮4下端面的垂直距离为20～50mm。这样球形牙轮4工作时，将对泥浆起到良好的输导作用，以减轻钻井过程中，泥浆对牙轮本身的冲击，使井底岩屑能够随着牙轮的旋转轻松冲出井底，避免泥包现象的发生。

其中优选的实施方式是，所述切削刀翼3的个数为三个，三个切削刀翼3和牙掌2均布在钻头体1的冠部外围。这样可进一步使得钻头体1各部分受力均匀以及钻井半径的稳定性。

具体是的，所述储油密封8与牙掌2最高点之间的垂直距离范围为60～75mm，其储油密封8与牙掌2最高点之间的垂直距离为图2中的h₁。

其中所述牙掌2、切削刀翼3背面均设有耐磨保径齿9，用于以保证牙轮的规径。

其中水眼6与轴承12之间一般是为同轴设置，为了改变水眼6的射水角度，优选的实施方式还是，所述水眼6中心线与轴承12轴线之间的夹角为5～10°。

本实施例中，为了提高排屑效果，优选的实施方式是，所述钻头体1的冠部具有球状凹腔10，所述球形牙轮4位于球状凹腔10的正上方，所述球状凹腔内10表面与球形牙轮4上切屑齿齿顶之间的间距为10～20mm，所述切削刀翼3上靠近球形牙轮4的端面为内弧面11，所述内弧面11向外倾斜，所述球状凹腔内10与向外倾斜的内弧面11之间的夹角为0～30°。

牙掌2通过焊接在钻头体1上，因此，优选的实施方式是，所述钻头体1上设有用于镶嵌焊接牙掌2的凹槽13。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种新型pdc、牙轮复合钻头，包括钻头体(1)、牙掌(2)、切削刀翼(3)、球形牙轮(4)，所述牙掌(2)上设有轴承(12)，所述球形牙轮(4)外表面设有切屑齿，其特征在于，所述球形牙轮(4)安装在牙掌(2)的轴承(12)上，所述牙掌(2)、切削刀翼(3)的形状大小均相同，所述牙掌(2)、切削刀翼(3)的外侧均设有pdc切削齿(5)并固定在钻头体(1)上，所述球形牙轮(4)位于钻头体(1)的正上方，其中心线与钻头体(1)轴线重合；所述球形牙轮(4)的球心与切削刀翼(3)最高点间的垂直距离的范围为±29mm，所述牙掌(2)的侧面设有储油密封(8)。

2.根据权利要求1所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述球形牙轮(4)上设有水眼(6)和若干条引流槽(7)，若干条引流槽(7)的一端交汇于水眼(6)处，另一端与球形牙轮(4)下端面的垂直距离为20～50mm。

3.根据权利要求2所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述切削刀翼(3)的个数为三个，三个切削刀翼(3)和牙掌(2)均布在钻头体(1)的冠部外围。

4.根据权利要求2或3所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述储油密封(8)与牙掌(2)最高点之间的距离范围为60～75mm。

5.根据权利要求3所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述牙掌(2)、切削刀翼(3)背面均设有耐磨保径齿(9)。

6.根据权利要求2所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述水眼(6)中心线与轴承(12)轴线之间的夹角为5～10°。

7.根据权利要求1所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述钻头体(1)的冠部具有球状凹腔(10)，所述球形牙轮(4)位于球状凹腔(10)的正上方，所述球状凹腔(10)内表面与球形牙轮(4)上切屑齿齿顶之间的间距为10～20mm。

8.根据权利要求7所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述切削刀翼(3)上靠近球形牙轮(4)的端面为内弧面(11)，所述内弧面(11)向外倾斜，所述球状凹腔(10)与向外倾斜的内弧面(11)之间的夹角为0～30°。

9.根据权利要求1或8所述的一种新型pdc、牙轮复合钻头，其特征在于，所述钻头体(1)上设有用于焊接牙掌(2)的凹槽(13)。

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