CN108625789A - 分体式牙轮与pdc的复合钻头 - Google Patents

分体式牙轮与pdc的复合钻头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分体式牙轮与PDC的复合钻头，其由PDC钻头模块、分体式牙轮钻头模块、钻头体模块组成。分体式牙轮钻头模块采用分体式结构，牙轮下体、牙轮上体在运行时既随钻头公转，又各自绕着牙掌轴颈自转，以实现其刮削破碎岩石的任务，小端齿圈以及中间齿圈的牙齿刮削效率得以提高，有助于提高钻头破岩效率；分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块、钻头体模块可作为钻头的标准部件进行批量制造，有助于缩短钻头生产周期，降低制造成本；分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块可以与钻头体模块快捷安装和拆卸，适用于生产现场操作，并且不同规格的PDC钻头模块与钻头体模块的组装，可以实现不同的井眼大小。

Description

分体式牙轮与PDC的复合钻头
技术领域
本发明涉及一种用于石油、天然气钻井的分体式牙轮与PDC的复合钻头。
背景技术
PDC+牙轮复合钻头的PDC固定切削刀翼结构随钻头在扭矩驱动下旋转钻进，牙轮切削结构随钻头体绕钻头轴线做旋转并向下运动的同时，牙轮又绕自身轴自转。牙轮切削结构与PDC固定刀翼切削结构的切削剖面，在轴心与周界的鼻部和台肩区域重叠（常规的PDC钻头在鼻部和台肩区域极易磨损）。牙轮切削结构在有限高度受力的鼻部和台肩区域压碎并且预先或部分破碎地层。因此，牙轮切削结构与PDC固定刀翼切削结构的结合工作，使得复合钻头结合了常规牙轮钻头和PDC钻头两种切削结构的优点。因此，PDC+牙轮复合钻头能够有效地实现牙轮钻头及PDC钻头优势的互补，增强钻头对高强度、高研磨性、不均质等难钻地层的适应性。
通常把靠近牙轮底部的齿圈称为牙轮大端齿圈，简称大端齿圈，把靠近牙轮顶部的部分称为牙轮小端齿圈，简称小端齿圈。目前，已用于生产实际中的PDC+牙轮复合钻头的牙掌上大都只安装了一个牙轮体，即牙轮体在绕牙掌轴颈自转时只有一个自转速度，从而导致从小端齿圈到大端齿圈的牙齿刮削效率将呈现一定的规律：小端齿圈的牙齿刮削效率最低，大端齿圈的牙齿刮削效率最高，而中间齿圈的牙齿刮削效率介于两者之间，这将对PDC+牙轮复合钻头的破岩效率产生影响。
目前，石油、天然气钻井领域使用的PDC钻头主要分为钢体式和胎体式两种结构。胎体式PDC钻头主要材料为铸造碳化钨粉料，价格昂贵且不环保，而钢体式PDC钻头本体材料为钢体，价格低，强度高，减少了重金属的使用，有利于环保。随着CNC技术的发展及加工工艺的不断完善，具有钢体的PDC钻头不但成本上低于胎体的钻头，并且性能与胎体的钻头无明显差异，钢体式PDC钻头越来越受到用户的青睐，在钻探工程中得到大量的推广及使用。现有的PDC+牙轮复合钻头的PDC固定切削刀翼结构与钻头本体通常采用整体铣削加工，钻头的加工周期长，加工量大，这将造成不必要的资源浪费。
因此，现有技术中迫切需要一种能够提速增效、批量生产的分体式牙轮与PDC的复合钻头。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供的一种有助于提速增效，提高破岩效率，批量生产的分体式牙轮与PDC的复合钻头。
本发明的技术方案是：分体式牙轮与PDC的复合钻头由PDC钻头模块、分体式牙轮钻头模块、钻头体模块组成，其特征是：所述的PDC钻头模块包括PDC齿、刀翼，PDC齿布置于刀翼的布齿面上，刀翼设置有沉头孔b、T型槽b、T型槽c；所述的分体式牙轮钻头模块包括牙齿、牙轮下体、牙轮上体、钢球a、矩形密封圈a、塞销a、牙掌、储油补偿压力平衡系统、定位套、矩形密封圈b、钢球b、塞销b，牙掌设置有沉头孔a、T型槽a、牙掌轴颈导油孔a、塞销孔a、牙掌导油孔、注油孔、牙掌轴颈导油孔b，牙轮上体设置有塞销孔b，牙齿镶装在牙轮下体、牙轮上体上，储油补偿压力平衡系统安装于牙掌背部下端；安装分体式牙轮钻头模块时，先将矩形密封圈a安装在牙轮下体底端内圈，将矩形密封圈b、定位套依次安装在牙轮下体顶端内圈，将矩形密封圈b安装在牙轮上体底端内圈，再将牙轮下体、牙轮上体依次套入牙掌的轴颈，然后将钢球a放入塞销孔a，将钢球b放入塞销孔b，最后将塞销a安装于塞销孔a内，将塞销b安装于塞销孔b内，通过注油孔添加润滑油，并用丝堵封闭注油孔；所述的钻头体模块包括喷嘴、复合钻头本体、刀翼卡盘、加强套，复合钻头本体设置有螺纹孔a、刀翼卡盘安装孔、T型台b、加强套安装台阶、T型台c、泥浆出口，T型台b上设置有螺纹孔b，T型台c上设置有螺纹孔c，刀翼卡盘设置有三角底座、T型台a，加强套设置有沉头孔c，喷嘴安装在泥浆出口，刀翼卡盘安装在刀翼卡盘安装孔内，塞子b安装在螺纹孔a内；组装分体式牙轮与PDC的复合钻头时，将T型槽a安装入T型台b，将T型槽b安装入T型台c，实现分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块的周向定位，然后分别使用内六角螺栓a、内六角螺栓b将牙掌、刀翼固定在复合钻头本体上，实现分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块的轴向定位，最后分别将塞子a、塞子c装入沉头孔a、沉头孔b。
上述方案中的塞销a与塞销孔a、塞销b与塞销孔b均采用过盈配合，牙掌轴颈导油孔a、塞销孔a、牙掌导油孔、注油孔、牙掌轴颈导油孔b与牙掌的轴颈沟道构成导油通道，形成良好的润滑环境。
上述方案中的牙掌的轴颈、加强套经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好。
上述方案中的矩形密封圈a、矩形密封圈b均为金属密封圈，并且密封圈表面经过强化处理，其耐磨性好。
上述方案中的刀翼和复合钻头本体均为钢体，刀翼采用比复合钻头本体强度更高的材料。
所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头更换刀翼规格，同时更换刀翼卡盘规格，可改变钻头的工作外径，并将加强套套入复合钻头本体上的加强套安装台阶，使用螺钉将加强套固定在复合钻头本体上，并用塞子堵住沉头孔c，可改善刀翼的受力情况。
本发明的有益效果是：（1）分体式牙轮与PDC的复合钻头的分体式牙轮钻头模块采用分体式结构，在钻进过程中，牙轮上体、牙轮下体将各自绕着牙掌的轴颈自转，小端齿圈以及中间齿圈的牙齿刮削效率得以提高，有助于提速增效；（2）分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块、钻头体模块可作为钻头的标准部件进行批量制造，钻头生产周期短，制造成本低；（3）分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块可以与钻头体模块快捷安装和拆卸，不同规格的PDC钻头模块与钻头体模块的组装，可以实现不同的井眼大小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的俯视图。
图3是本发明图2中的A-A截面图。
图4是本发明中分体式牙轮模块的结构示意图。
图5是本发明图4中Ⅰ部分的放大图。
图6是本发明中分体式牙轮模块的导油通道示意图。
图7是本发明中牙轮上体的结构示意图。
图8是本发明中牙轮下体的结构示意图。
图9是本发明中PDC钻头模块的结构示意图。
图10是本发明中复合钻头本体的结构示意图。
图11是本发明中刀翼卡盘的结构示意图。
图12是本发明中加强套的结构示意图。
图中1.喷嘴，2.内六角螺栓a，3.塞子a，4.螺纹孔a，5.塞子b，6.复合钻头本体，7.内六角螺栓b，8.塞子c，9.牙齿，10.牙轮下体，11.牙轮上体，12.钢球a，13.矩形密封圈a，14.塞销a，15.牙掌，16.储油补偿压力平衡系统，17.沉头孔a，18.T型槽a，19.定位套，20.矩形密封圈b，21.钢球b，22.塞销b，23.牙掌轴颈导油孔a，24.塞销孔a，25.牙掌导油孔，26.注油孔，27.牙掌轴颈导油孔b，28.牙轮上体底端内圈，29.塞销孔b，30.牙轮下体底端内圈，31.牙轮下体顶端内圈，32.PDC齿，33.刀翼，34.沉头孔b，35.T型槽b，36.T型槽c，37.刀翼卡盘，38.三角底座，39.T型台a，40.刀翼卡盘安装孔，41.T型台b，42.螺纹孔b，43.加强套安装台阶，44.螺纹孔c，45.T型台c，46.泥浆出口，47.加强套，48.沉头孔c。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见附图，分体式牙轮与PDC的复合钻头其特征在于：分体式牙轮与PDC的复合钻头由PDC钻头模块、分体式牙轮钻头模块、钻头体模块组成，其特征是：所述的PDC钻头模块包括PDC齿32、刀翼33，PDC齿32布置于刀翼33的布齿面上，刀翼33设置有沉头孔b34、T型槽b35、T型槽c36；所述的分体式牙轮钻头模块包括牙齿9、牙轮下体10、牙轮上体11、钢球a12、矩形密封圈a13、塞销a14、牙掌15、储油补偿压力平衡系统16、定位套19、矩形密封圈b20、钢球b21、塞销b22，牙掌15设置有沉头孔a17、T型槽a18、牙掌轴颈导油孔a23、塞销孔a24、牙掌导油孔25、注油孔26、牙掌轴颈导油孔b27，牙轮上体11设置有塞销孔b29，牙齿9镶装在牙轮下体10、牙轮上体11上，储油补偿压力平衡系统16安装于牙掌15背部下端；安装分体式牙轮钻头模块时，先将矩形密封圈a13安装在牙轮下体底端内圈30，将矩形密封圈b20、定位套19依次安装在牙轮下体顶端内圈31，将矩形密封圈b20安装在牙轮上体底端内圈28，再将牙轮下体10、牙轮上体11依次套入牙掌15的轴颈，然后将钢球a12放入塞销孔a24，将钢球b21放入塞销孔b29，最后将塞销a14安装于塞销孔a24内，将塞销b22安装于塞销孔b29内，通过注油孔26添加润滑油，并用丝堵封闭注油孔26；所述的钻头体模块包括喷嘴1、复合钻头本体6、刀翼卡盘37、加强套47，复合钻头本体6设置有螺纹孔a4、刀翼卡盘安装孔40、T型台b41、加强套安装台阶43、T型台c45、泥浆出口46，T型台b4上设置有螺纹孔b42，T型台c45上设置有螺纹孔c44，刀翼卡盘37设置有三角底座38、T型台a39，加强套47设置有沉头孔c48，喷嘴1安装在泥浆出口46，刀翼卡盘37安装在刀翼卡盘安装孔40内，塞子b5安装在螺纹孔a4内；组装分体式牙轮与PDC的复合钻头时，将T型槽a18安装入T型台b41，将T型槽b35安装入T型台c45，实现分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块的周向定位，然后分别使用内六角螺栓a2、内六角螺栓b7将牙掌15、刀翼33固定在复合钻头本体6上，实现分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块的轴向定位，最后分别将塞子a3、塞子c8装入沉头孔a17、沉头孔b34。
上述方案中的塞销a14与塞销孔a24、塞销b22与塞销孔b29均采用过盈配合，牙掌轴颈导油孔a23、塞销孔a24、牙掌导油孔25、注油孔26、牙掌轴颈导油孔b27与牙掌15的轴颈沟道构成导油通道，形成良好的润滑环境。
上述方案中的牙掌15的轴颈、加强套47经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好。
上述方案中的矩形密封圈a13、矩形密封圈b20均为金属密封圈，并且密封圈表面经过强化处理，其耐磨性好。
上述方案中的刀翼33和复合钻头本体6均为钢体，刀翼33采用比复合钻头本体6强度更高的材料。
所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头更换刀翼33规格，同时更换刀翼卡盘37规格，可改变钻头的工作外径，并将加强套47套入复合钻头本体6上的加强套安装台阶43，使用螺钉将加强套47固定在复合钻头本体6上，并用塞子堵住沉头孔c48，可改善刀翼33的受力情况。
所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头由PDC钻头模块、分体式牙轮钻头模块、钻头体模块组成。牙轮钻头模块采用分体式结构，牙掌15通过其下端偏置的牙掌轴颈与牙轮下体10、牙轮上体11相连接，牙轮下体10、牙轮上体11在运行时既随钻头公转，又各自绕着牙掌轴颈自转，以实现其刮削破碎岩石的任务，小端齿圈以及中间齿圈的牙齿刮削效率得以提高，有助于提高钻头破岩效率；分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块、钻头体模块可作为钻头的标准部件进行批量制造，有助于缩短钻头生产周期，降低制造成本；分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块可以与钻头体模块快捷安装和拆卸，适用于生产现场操作，并且不同规格的PDC钻头模块与钻头体模块的组装，可以实现不同的井眼大小。

Claims (6)

1.分体式牙轮与PDC的复合钻头由PDC钻头模块、分体式牙轮钻头模块、钻头体模块组成，其特征是：所述的PDC钻头模块包括PDC齿（32）、刀翼（33），PDC齿（32）布置于刀翼（33）的布齿面上，刀翼（33）设置有沉头孔b（34）、T型槽b（35）、T型槽c（36）；所述的分体式牙轮钻头模块包括牙齿（9）、牙轮下体（10）、牙轮上体（11）、钢球a（12）、矩形密封圈a（13）、塞销a（14）、牙掌（15）、储油补偿压力平衡系统（16）、定位套（19）、矩形密封圈b（20）、钢球b（21）、塞销b（22），牙掌（15）设置有沉头孔a（17）、T型槽a（18）、牙掌轴颈导油孔a（23）、塞销孔a（24）、牙掌导油孔（25）、注油孔（26）、牙掌轴颈导油孔b（27），牙轮上体（11）设置有塞销孔b（29），牙齿（9）镶装在牙轮下体（10）、牙轮上体（11）上，储油补偿压力平衡系统（16）安装于牙掌（15）背部下端；安装分体式牙轮钻头模块时，先将矩形密封圈a（13）安装在牙轮下体底端内圈（30），将矩形密封圈b（20）、定位套（19）依次安装在牙轮下体顶端内圈（31），将矩形密封圈b（20）安装在牙轮上体底端内圈（28），再将牙轮下体（10）、牙轮上体（11）依次套入牙掌（15）的轴颈，然后将钢球a（12）放入塞销孔a（24），将钢球b（21）放入塞销孔b（29），最后将塞销a（14）安装于塞销孔a（24）内，将塞销b（22）安装于塞销孔b（29）内，通过注油孔（26）添加润滑油，并用丝堵封闭注油孔（26）；所述的钻头体模块包括喷嘴（1）、复合钻头本体（6）、刀翼卡盘（37）、加强套（47），复合钻头本体（6）设置有螺纹孔a（4）、刀翼卡盘安装孔（40）、T型台b（41）、加强套安装台阶（43）、T型台c（45）、泥浆出口（46），T型台b（41）上设置有螺纹孔b（42），T型台c（45）上设置有螺纹孔c（44），刀翼卡盘（37）设置有三角底座（38）、T型台a（39），加强套（47）设置有沉头孔c（48），喷嘴（1）安装在泥浆出口（46），刀翼卡盘（37）安装在刀翼卡盘安装孔（40）内，塞子b（5）安装在螺纹孔a（4）内；组装分体式牙轮与PDC的复合钻头时，将T型槽a（18）安装入T型台b（41），将T型槽b（35）安装入T型台c（45），实现分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块的周向定位，然后分别使用内六角螺栓a（2）、内六角螺栓b（7）将牙掌（15）、刀翼（33）固定在复合钻头本体（6）上，实现分体式牙轮钻头模块、PDC钻头模块的轴向定位，最后分别将塞子a（3）、塞子c（8）装入沉头孔a（17）、沉头孔b（34）。
2.根据权利要求1所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头，其特征是：塞销a（14）与塞销孔a（24）、塞销b（22）与塞销孔b（29）均采用过盈配合，牙掌轴颈导油孔a（23）、塞销孔a（24）、牙掌导油孔（25）、注油孔（26）、牙掌轴颈导油孔b（27）与牙掌（15）的轴颈沟道构成导油通道，形成良好的润滑环境。
3.根据权利要求1所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头，其特征是：牙掌（15）的轴颈、加强套（47）经过强化处理，其强度高，耐冲击韧性好。
4.根据权利要求1所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头，其特征是：矩形密封圈a（13）、矩形密封圈b（20）均为金属密封圈，并且密封圈表面经过强化处理，其耐磨性好。
5.根据权利要求1所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头，其特征是：刀翼（33）和复合钻头本体（6）均为钢体，刀翼（33）采用比复合钻头本体（6）强度更高的材料。
6.根据权利要求1所述的分体式牙轮与PDC的复合钻头，其特征是：更换刀翼（33）规格，同时更换刀翼卡盘（37）规格，可改变钻头的工作外径，并将加强套（47）套入复合钻头本体（6）上的加强套安装台阶（43），使用螺钉将加强套（47）固定在复合钻头本体（6）上，并用塞子堵住沉头孔c（48），可改善刀翼（33）的受力情况。
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