CN108798514B - 一种定向钻井金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

一种定向钻井金刚石钻头，包括钻头体、钻头体上的固定刀翼、牙轮、水力结构等，固定刀翼上有切削齿，牙轮上有牙齿，其特征在于：至少有一个固定刀翼上设置有一个或数个凹槽，凹槽内设置有牙轮，牙轮与固定刀翼形成转动连接。这样的结构采用牙轮减小钻头扭矩、提高钻头工具面稳定性的同时，提高钻头的工作安全性，减小甚至避免运动部件掉落井底情况的发生，并扩大钻头切削结构及水力结构的可用空间。

Description

一种定向钻井金刚石钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种定向钻井金刚石钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和PDC钻头，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比（钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比）均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低，机械钻速太低。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）来剪切和破碎岩石，PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用，但是在定向钻井中，PDC钻头容易出现扭矩波动大，不利于钻具工作面的稳定控制，不利于钻头的快速钻进。

美国贝克休斯公司提出的牙轮—PDC混合式钻头是在传统的PDC切削结构基础上增加牙轮切削结构而形成的。当混合钻头旋转钻进时，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,因此混合钻头依靠两种方式破碎岩石，它在某些特殊地层—如砾石地层，不均质地层能获得较好的效果，复合钻头在定向作业时，扭矩响应小，工具面更加稳定，提速效果明显。

在现有的牙轮—PDC混合钻头中，牙轮体通过其轴承孔与安装牙掌的轴颈上，由于牙掌轴颈结构的特殊性，牙掌与钻头体很难采用一体式结构，而必须通过焊接的方式将牙掌-牙轮部件与钻头体相连接。这样，焊缝就成为钻头强度的薄弱点，在实钻中容易发生因焊缝失效而导致的牙掌落井现象，落井事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响，增加钻井成本。另一方面，牙掌的存在，将会占据钻头上宝贵的布齿空间，限制固定切削结构的布齿密度。上述缺点的存在将严重制约混合钻头的使用。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种定向钻井金刚石钻头，在采用牙轮减小钻头扭矩、提高钻头工具面稳定性的同时，提高钻头的工作安全性，减小甚至避免运动部件掉落井底情况的发生，并扩大钻头切削结构及水力结构的可用空间。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种定向钻井金刚石钻头，包括钻头体、钻头体上的固定刀翼、牙轮、水力结构等，固定刀翼上有切削齿，牙轮上有牙齿，其特征在于：至少有一个固定刀翼上设置有一个或数个凹槽，牙轮设置在凹槽内，牙轮通过牙轮轴与固定刀翼形成转动连接。

上述方案中，“牙齿”是“牙轮”的一部分。这样，“牙轮”就涵盖了镶齿和铣齿两种结构，也包含了轮-齿一体式的牙轮，包括采用全硬质合金烧结的轮-齿一体式牙轮，这种情况比较适合于小牙轮。将牙轮设置在钻头的固定刀翼上的凹槽内，固定刀翼上可以根据具体情况来确定是否设置固定切削元件，参考图19、20。在刀翼上设置有轴承孔，牙轮与牙轮轴采用分体式结构通过牙轮轴将牙轮与固定刀翼形成转动连接，不需要在设置独立的牙掌结构（刀翼代替了牙掌），因此避免了牙掌焊接的问题，同时节约钻头的布齿空间，减小甚至避免运动部件掉落井底情况的发生。牙轮轴可采用单侧或双侧支撑结构，当采用双侧支撑结构时，能够明显改善轴承的受力情况，可减小轴的直径。本发明通过刀翼侧面对牙轮进行轴向止推和限位，这样能提高轴承的承载能力，即使密封失效，牙轮产生晃动，也不至于掉落井底，在牙轮端面与刀翼侧面设置有垫圈减小牙轮与刀翼侧面的摩擦系数。

本专利中牙轮轴设置在钻头的刀翼内，为了保证刀翼的强度，需要控制牙轮轴承的尺寸，使其不至于过大。因此牙轮牙齿的载荷不宜过大，这样牙轮牙齿破碎岩石的能力有所减弱，但牙轮牙齿还是能轻易破碎高岩脊。高岩脊是指岩脊的高度大于等于小岩脊高度两倍以上的（即d₁≥2d₂）岩脊，参考图6、7，在钻头剖视图中的高岩脊是指通过调整切削元件的布齿密度来实现的，当切削元件的布齿密度稀疏到一定程度就会在井底形成高岩脊。通过相邻切削元件的距离δ来限定切削元件的布齿密度稀疏情况,从而确定高岩脊的具体尺寸。切削元件的距离δ是指2个切削元件中点的距离，r为固定切削元件的半径，参考图5、6。

作为选择，在井底剖视图中至少存在一个高岩脊，牙轮牙齿设置在高岩脊位置，且高岩脊块左右2个切削元件的距离δ的取值范围为：δ≥（r1+r2）/2。

上述方案中，井底剖视图即为钻头径向覆盖图，在图中至少存在一个高岩脊，牙轮牙齿设置在高岩脊位置，高岩脊左右相邻2个切削元件的距离δ的取值范围为：δ≥（r1+r2）/2，提高钻头该区域的破岩效率，节约破岩能量，将牙轮作为主要的破岩结构，它的引入直接影响固定切削元件的布齿密度，彻底打破固定切削元件布齿密度内稀外密的一般准则，针对不同岩石性质与钻进方式来匹配不同布齿密度，从而拓宽该钻头的适用范围，布齿密度越稀疏，其磨损速度越快，该区域的切削元件按照同轨布齿的方式来增加切削元件的使用寿命，牙轮牙齿与固定切削齿的相对位置ζ参考图5、6，其中ζ的取值范围│ζ│≤5mm, ζ可以为正亦可以为负，规定牙齿向钻头体内凹陷为负，参考图6，反之为正，参考图8所示。

作为选择，牙轮通过牙轮轴与固定刀翼连接，牙轮轴的两端分别在凹槽的两侧与固定刀翼形成转动连接。

上述方案中，当牙轮通过牙轮轴与固定刀翼实现双侧支撑连接，能够明显改善轴承的受力情况，轴承在受力均匀的情况下能提升轴承的密封能力，同时增强了牙轮的转动稳定性。

作为选择，牙轮牙齿轴线与钻头切削轮廓线上牙齿顶点的法线夹角θ取值范围为：│θ│≤15°。

上述方案中，当牙轮没有移轴时，如图2所示，在钻头的径向覆盖图中，参考图24，过牙齿顶点做钻头切削轮廓线上的法线XY，牙齿轴线PQ与法线XY的夹角为θ，当牙轮有移轴时，如图3所示，通过牙轮定位C点且通过钻头中心点直线cf，牙轮绕着通过C点且与钻头中心线平行的直线旋转一定角度，使牙轮旋转中心线ec与直线cf重合，通过直线cf做钻头的剖平面，参考图24，θ的定义与没有移轴的牙轮一致，其取值范围│θ│≤15°，θ取值越小，牙齿越正对岩石，这样才能利用牙齿冲击、压碎和剪切岩石，提高牙齿的破岩效率，同时减小牙轮的侧向压力，有益于钻头的稳定转动，这样的牙轮结构更加紧凑、合理。由于牙轮设置在固定刀翼中，考虑到轴承的安放位置以及刀翼的强度，可能致使牙轮牙齿不能正压岩石，可以通过将牙轮设置为锥面，通过锥面的角度来调整牙齿与岩石的相对角度，参考图25、26，规定在牙齿顶点以法线XY为基准，逆时针旋转为正，如图26所示，反之为负，参考图25。

作为选择，牙轮上有1个或数个齿圈，至少1个齿圈上各牙齿定位点的连线为空间曲线，或与牙轮端面不平行的平面曲线。

常规牙齿的定位点o是指牙齿齿冠与齿柱结合面的几何中心，参考图30，牙轮上有1个或数个齿圈，至少1个齿圈上各牙齿定位点的连线为空间曲线，参考图29，或与牙轮端面不平行的平面曲线，参考图28，这样单齿圈的牙齿在钻头径向覆盖区域增加，从而拓宽牙轮破岩区域，减小牙齿掉落老坑情况的发生。

牙轮的径向位置是指牙轮止推端面的中点C点到钻头中心的距离H，牙轮的止推端面包含两种情况，其一、牙轮端面有凸起的台阶，依靠凸起台阶来止推，这时牙轮止推面为凸起的台阶面；其二、通过牙轮整个端面来止推，牙轮端面与牙轮止推面为同一平面。R为钻头的半径，参考图5、8所示。

作为选择，至少有一个牙轮设置在钻头径向半径四分之一以外区域，即H≥ R /4。

上述方案中，牙轮设置在钻头径向半径四分之一以外的区域，牙轮位置越远离钻头中心其降低扭矩、吸收振动的作用越明显。

作为选择，至少有一个牙轮设置在钻头径向半径三分之一以内区域，即H≤R/3。

上述方案中，至少有一个牙轮设置在钻头径向半径三分之一以内区域，即H≤R/3。在该区域通过牙轮冲击和PDC齿刮切两种方式破岩岩石，能提高钻头该区域的破岩效率，以解决钻头该区域切削效率低下的问题。

在钻头固定刀翼上设置有凹槽，将牙轮放置在凹槽内，其中凹槽类型包括2种，其一为沿钻头周向方向的贯通槽，参考图2、3，其二为沿钻头周向方向的盲槽，参考图11、12。

作为选择，固定刀翼上设置的凹槽为周向贯通槽。

上述方案中，贯通槽的设置，既可以利用牙轮冲击破岩，提高该区域的破岩效率，又可以利用牙轮降低扭矩和吸收振动的作用，提高钻头工具面的稳定性，同时贯通槽有益于钻井液冷却牙轮齿以及岩屑快速排出井底。

作为选择，在固定刀翼上设置的凹槽为盲槽。

上述方案中，刀翼上设置凹槽为盲槽，这样能限制牙轮的尺寸，钻头就不再依靠牙轮去冲击破碎岩石，而是降低扭矩和吸收振动的作用，提高钻头工具面的稳定性，当固定刀翼的宽度足够大，大到能够容纳一个牙轮与PDC齿，这样就能在同一刀翼的同一径向区域上同时设置牙轮与PDC齿，这样能保证不牺牲主要切削元件PDC齿的情况下，增加一个牙轮切削元件，降低扭矩和吸收振动。牙轮放置位置包括在PDC齿的前面、后面两种情况，牙轮设置在刀翼的前端，有利于钻井液对盲槽内牙轮上的牙齿冷却和润滑，提高牙齿的使用寿命。

作为选择，牙轮与牙轮轴通过键、花键或过盈配合相连接，或者，牙轮与牙轮轴为一体式结构，牙轮轴与固定刀翼转动连接。

上述方案中，牙轮与牙轮轴通过键、花键或过盈配合相连接，牙轮轴与固定刀翼转动连接，牙轮轴与固定刀翼的转动尺寸可调，牙轮轴的承载能力将大大增加，延长轴承系统寿命；牙轮与牙轮轴为一体式结构，牙轮轴与固定刀翼转动连接，这样牙轮壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故。轮轴一体式结构的轴颈两端与外方内圆轴承块形成转动连接，在刀翼前端设置有凹槽，再将一体式轮轴-轴承块作为一个整体放置在刀翼前端的凹槽内，最后通过焊接（或者螺栓）将轴承块与刀翼固定连接，参考图16、17、18所示。

本发明专利技术方案带来的有益效果：

1、将牙轮设置在刀翼上的凹槽内，就不需要在设置独立的牙掌结构，从而节约钻头上宝贵的布齿空间，且避免牙掌掉落井底情况的发生。

2、本发明钻头能结合复合钻头的结构特点，合理利用钻头切削结构区域的几何空间，利用刀翼侧面对牙轮起到轴向止推和限位的作用，能减小甚至避免牙轮掉落井底的风险。

3、牙轮在钻进过程中将随着钻头转动，利用牙轮冲击的方式破碎岩岩石，提高该区域的破岩效率，又能利用牙轮降低扭矩和吸收振动的作用，提高钻头工具面的稳定性。

4、牙轮轴承通过双支撑连接，能够明显改善轴承的受力情况，轴承系统的承载能力将大大增加，轴承在受力均匀的情况下能提升轴承的密封能力，延长轴承系统寿命，从而提高延长钻头的使用寿命。

5、牙轮与牙轮轴为一体式结构，牙轮轴与固定刀翼转动连接，这样牙轮壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故。

附图说明

图1为本发明钻头示意图

图2为牙轮没有移轴钻头俯视图

图3为牙轮有移轴钻头俯视图

图4为固定刀翼上都设置有牙轮的钻头示意图

图5为钻头径向覆盖示意图

图6为图5的牙轮区域局部放大图

图7为图6的高岩脊局部放大图

图8为牙轮定位C点示意图

图9为两个牙轮钻头示意图

图10为图9的高岩脊局部放大图

图11为牙轮有偏移、刀翼上设置盲孔槽示意图

图12刀翼上设置盲孔槽且相同径向位置布置有固定切削齿示意图

图13为牙轮与牙轮轴固定连接示意图

图14为牙轮轴与固定刀翼固定连接示意图

图15为牙轮、牙轮轴、钻头可相互运动的示意图

图16为轮轴一体式牙轮示意图

图17为轮轴一体式牙轮且通过焊接方式连接A-A剖视图

图18为轮轴一体式牙轮且通过螺栓方式连接A-A剖视图

图19为牙轮设置在副刀翼上示意图

图20为牙轮设置在副刀翼上且刀翼上不设置切削齿示意图

图21为刀翼上设置有储油补偿系统示意图

图22为牙轮轴单侧支撑示意图

图23为两个牙轮一正一负偏移示意图

图24为牙齿轴线齿顶点的切削轮廓线法线的夹角θ示意图

图25为牙轮设置有锥面示意图

图26为牙轮设置有锥面示意图，区别于图25的一种情况

图27为常规牙轮牙齿示意图

图28为牙齿定位点形成平面曲线与端面不平行示意图

图29为牙齿定位点形成空间曲线示意图

图30为牙齿定位点示意图。

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-固定切削结构、21-固定刀翼、22-PDC齿、23-刀翼轮廓线、3-牙轮切削结构、31-牙轮体、32-牙轮切削齿、33-牙轮轴、34-轴承块、4-喷嘴或水眼、5-密封圈、6-凹槽、61-盲孔槽、7-岩石、71-高岩脊、72-小岩脊、8-润滑通道、9-键、10-焊缝、11-铜圈、12-堵头或者挡板、13-储油补偿系统、S-牙轮的移轴距。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明

基本例：一种定向钻井金刚石钻头，包括钻头体1、钻头体上有个固定刀翼21、牙轮31、水力结构4等，固定刀翼21上有切削齿22，牙轮31上有牙齿32，其特征在于：至少有一个固定刀翼上设置有一个或数个凹槽6，牙轮31设置在凹槽6内，并通过牙轮轴33与固定刀翼21形成转动连接。牙轮轴33与固定刀翼21的连接方式包括2种，双侧支撑如图13、14、15、16所示，和单侧支撑如图22所示，作为选择，牙轮没有移轴，即牙轮轴线cf与钻头轴线mn相交，牙轮产生纯滚动，有益于减小钻头的扭矩和吸收振动，如图2、12所示，牙轮有移轴，牙轮轴线ec与钻头轴线mn不相交，其移轴距为s,将产生滑移，牙齿一边滑动一边切削岩石，提高牙轮刮切岩石效率，同时还能减小扭矩，如图3、4、11所示，作为选择，钻头上至少设置两个牙轮，且牙轮分别为正负偏移，这样能形成交叉刮切，有益于钻头的破岩效率，如图23所示。

作为选择，在井底剖视图中至少存在一个高岩脊，牙轮牙齿设置在高岩脊位置，且相邻2个固定切削元件的距离δ的取值范围为：δ≥（r1+r2）/2，如图5、6所示。当δ= r1+r2时，高岩脊相邻的切削元件相切，如图5、6、7所示，当δ> r1+r2，形成高岩脊如图9、10所示。

作为选择，牙轮设置在所有刀翼上，如图4所示。

作为选择，牙轮设置在副刀翼上，如图19所示，作为选择副刀翼上不设置切削元件，如图19所示。

牙轮牙齿轴线与钻头切削轮廓线上牙齿顶点的法线夹角θ取值范围为：│θ│≤15°，见图24、25、26所示。

作为选择，牙轮上所有牙齿定位点形成的平面或曲面与牙轮端面不平行，当所有齿定位点形成的面为平面，如图28所示，当所有齿定位点形成的面为曲面，如图29所示。

作为优选，至少有一个牙轮设置在钻头径向半径四分之一以外区域，即H≥ R /4，见图5所示。

作为优选，至少有一个牙轮设置在钻头径向半径三分之一以内区域，H≤R /3,见图9所示。

作为优选，固定刀翼21上设置的凹槽为周向贯通槽6,见图2、3、4所示。

作为优选，在固定刀翼21上设置的凹槽为盲槽61，见图11、12所示。

作为优选，在固定刀翼21上设置的凹槽为盲槽61，且在此刀翼上盲槽61所在的径向区域内，同时布置有固定切削齿22，如图11、12所示。

作为选择，牙轮31与牙轮轴33相对转动且牙轮轴与固定刀翼21固定连接，如图14所示。

作为选择，牙轮31与牙轮轴33相对转动，且牙轮轴33相对固定刀翼21转动，见图15所示。

作为优选，牙轮31与牙轮轴33通过键8或者花键固定连接，相对钻头体转动，见图13所示。

作为优选，牙轮31、牙轮轴33为轮轴一体式结构，见图16、17、18所示，作为优选，通过焊接的方式将轮轴一体式结构与固定刀翼21相连接，如图17所示，作为优选，通过螺栓的方式将轮轴一体式结构与固定刀翼21相连接，如图18所示。

作为选择，钻头的刀翼数为偶数时，牙轮设置在相对称位置的刀翼上，如图1、2、3、4，其中刀翼数量为4，按照在对称刀翼上布置牙轮的方式，牙轮数量可为2或4。同理，当刀翼数量为6时，按照在对称刀翼上布置牙轮的方式，牙轮数可为2或4或6。

作为优选，在钻头体内、固定刀翼的根部的侧面或正面上设置有储油补偿装置，同时在牙轮轴和牙轮上设置有密封圈，润滑与密封系统能够延长轴承系统的寿命，从而提高钻头的使用寿命，如图21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 (7)

1.一种定向钻井金刚石钻头，包括钻头体、钻头体上的固定刀翼、牙轮、水力结构，所述固定刀翼上有切削齿，所述牙轮上有牙齿，其特征在于：至少有一个所述固定刀翼的前端设置有一个或数个凹槽，所述凹槽内设置有所述牙轮，牙轮端面与牙轮止推面为同一平面，所述牙轮与牙轮轴为轮轴一体式结构，且所述轮轴一体式结构的轴颈两端与外方内圆轴承块形成转动连接，将所述轮轴一体式结构同所述外方内圆轴承块作为一个整体放置在所述固定刀翼前端的凹槽内，通过焊接或螺栓的方式将所述外方内圆轴承块与所述固定刀翼相连接。

2.根据权利要求1所述的一种定向钻井金刚石钻头，其特征在于：在井底剖面上存在至少一个高岩脊，牙轮牙齿设置在高岩脊位置，且相邻2个固定切削元件的距离δ的取值范围为：

δ≥（r1+r2）/2，其中r1、r2分别为高岩脊相邻切削元件的半径。

3.根据权利要求1所述的一种定向钻井金刚石钻头，其特征在于：牙轮牙齿轴线与钻头切削轮廓线上牙齿顶点所在位置的法向线夹角θ取值范围为：│θ│≤15°。

4.根据权利要求1所述的一种定向钻井金刚石钻头，其特征在于：牙轮上有1个或数个齿圈，至少1个齿圈上各牙齿定位点的连线为空间曲线，或至少1个齿圈上各牙齿定位点的连线为与牙轮端面不平行的平面曲线。

5.根据权利要求1所述的一种定向钻井金刚石钻头，其特征在于：至少有一个牙轮设置在钻头径向半径四分之一以外区域，H为牙轮到钻头中心线的距离，R为钻头半径，则H≥R/4。

6.根据权利要求1所述的一种定向钻井金刚石钻头，其特征在于：至少有一个牙轮设置在钻头径向半径三分之一以内区域，H为牙轮到钻头中心线的距离，R为钻头半径，则H≤R/3。

7.根据权利要求1所述的一种定向钻井金刚石钻头，其特征在于：固定刀翼上设置的凹槽为周向贯通槽。