CN110792397B - 一种复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种复合钻头，主要包括刀翼体、钻头体、牙轮、牙轮切削齿、PDC切削齿、喷嘴，其特征在于：牙轮和刀翼体布置在钻头轴线两侧，牙轮部分嵌入刀翼体的腔体内，牙轮切削齿与PDC切削齿关于牙轮轴线与钻头轴线构成的平面呈对称布置，减小了钻头横向力，有利于提高钻头钻进稳定性。刀翼体凸台和钻头体凹槽构成一种榫卯结构。主水眼用于清洗牙轮部分切削齿切削岩石时产生的岩屑，防止岩屑堆积磨损刀翼体的腔体。在钻进过程中，牙掌上设计有PDC齿配合牙掌上的平头齿共同起到保径的作用。该复合钻头结合了牙轮钻头在硬地层的适应性较好的优势和PDC钻头的切削齿在软到中硬地层的机械钻速高的优势，起到了提高破岩效率的作用。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、地热勘探等技术领域，尤其涉及一种对地层适应性好，破岩效率高的PDC、牙轮复合钻头。
背景技术
我国经济的发展进程中，对于石油天然气的需求逐年增加。根据《BP世界能源统计年鉴》2019：中国石油对外依存度72％、天然气43％，已经远高于国际公认警戒线50％，能源安全担忧持续上升。针对这一现状目前我国对于油气的开发趋势是往深层钻探，但随之面临着地层复杂、高研磨性、夹层、岩石可钻性变差的工况，这对于钻头的性能提出了更高的要求。
复合钻头是由牙轮齿和PDC切削齿相互结合的一种钻头，这种钻头的牙轮牙齿变角度压入岩石以的刮挤方式破碎岩石,这种钻头的PDC齿以同心圆刮削的方式切削岩石。为了提高钻头的性能并且增加钻头对于地层的适应性，新型复合钻头必须综合考虑：(1)PDC钻头的切削齿在软到中硬地层的机械钻速高等优势，但对于地层复杂、高研磨性、夹层的工况表现较差的情况。(2)牙轮钻头在硬地层的适应性较好的优势，但对于塑性地层表现为机械钻速较低的劣势。
因此，设计一种结合牙轮钻头和PDC钻头的优势的钻头：抗磨性强、岩性适应性更广泛。这对提高钻头寿命和深井机械钻速，有着重要的工程价值。
发明内容
本发明主要针对PDC地层适应性差、牙轮钻头存在破岩效率低、寿命短的问题，提供一种PDC、牙轮复合钻头。
为解决以上问题提出供的技术方案是：结合牙轮钻头地层适应性广泛，PDC钻头在软到中硬地层的机械钻速高优势的一种PDC、牙轮复合钻头。
进一步的技术方案是，刀翼体的凸台和钻头体的凹槽组合构成一种榫卯结构。刀翼体的凸台和钻头体的凹槽安装后焊接成钻头体。该种结构提高了钻头的连接强度。
进一步的技术方案是，牙轮和刀翼体布置在钻头轴线两侧，将牙轮嵌入在腔体内可以增加钻头布齿面积，充分发挥PDC齿和牙轮齿交替切削的优势，提高钻头的地层适应性和机械钻速。
进一步的技术方案是，钻头中心设计有主水眼，刀翼体和钻头体焊接成复合钻头，主水眼和侧水眼孔贯通。其中主水眼位于钻头轴线，作用是带走牙轮齿刮削岩石产生的岩屑，防止岩屑堆积腔体磨损。
进一步的技术方案是，牙掌上有PDC保径齿，它和平头齿共同起保径的作用。在牙掌上设计PDC保径齿为平头齿提供预切削作用，防止平头齿提前被磨损。
进一步的技术方案是，刀翼体的切削齿的布齿方式为：牙轮切削齿与PDC切削齿关于牙轮轴线与钻头轴线构成的平面呈对称布置。一号刀翼的主切削齿与牙轮轴线与钻头轴线构成的平面的夹角c，三号刀翼的主切削齿与牙轮轴线与钻头轴线构成的平面的夹角d，一号刀翼的副切削齿与牙轮轴线与钻头轴线构成的平面的夹角b，三号刀翼的副切削齿与牙轮轴线与钻头轴线构成的平面的夹角a，夹角关系为c＝d,b＝a。二号刀翼(7)的切削齿(23)切削面中心布置在平面(20)内，布齿周向角为0。这种布齿方式产生的钻头横向力最小，钻进更为稳定。
本发明具有以下优点：
(1)高钻头的切削效率。
(2)提高钻头的在复杂岩层的适应性。
附图说明
图1是本发明的复合钻头的正视图。
图2是本发明的复合钻头的底部平面图。
图3是本发明的复合钻头的牙轮部分。
图4是本发明的复合钻头的刀翼体。
图5是本发明的复合钻头的PDC齿顶和牙轮齿的包络线。
图6是本发明的复合钻头的布齿方式。
图中所示：1-钻头体、2-保径齿、3-切削齿、4-牙轮轮廓线、5-本体轮廓线、6-一号刀翼、7-二号刀翼、8-三号刀翼、9-侧水眼、10-牙轮、11-牙掌、12-凸台、13-腔体、14-侧水眼、15-主水眼、16-凹槽、17-牙轮、18-刀翼体、19-三号刀翼的副切削齿、20-牙轮轴线与钻头轴线构成的平面、21-一号刀翼的主切削齿、22-一号刀翼的副切削齿、23-二号刀翼的切削齿、24-三号刀翼的主切削齿、25-牙轮切削齿的齿顶包络线、26-PDC齿的齿顶包络线、27-钻头轴线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。下面结合附图对本发明做进一步描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1所示，图1是本发明的复合钻头的正视图，牙轮和刀翼的布齿面设有切屑齿，其特征在于，所述一种复合钻头由一个牙轮和三个刀翼构成。这种钻头的牙轮牙齿变角度压入岩石以刮挤的方式破碎岩石,这种钻头的PDC齿以同心圆的方式切削岩石。牙轮在刀翼体12的腔体13内，主水眼15在牙轮切削岩石时喷射钻井液带走岩屑，避免岩屑堵塞造成PDC的腔体磨损。
图2是本发明的复合钻头的底部平面图、图3是复合钻头的牙轮部分以及图4是本发明的复合钻头的刀翼体。牙掌11上有PDC保径齿3和平头齿2共同起保径的作用。PDC冠部的包络线5和牙轮的包络线4关于钻头轴线27对称。刀翼体的凸台12和钻头体的凹槽16构成一种榫卯结构。刀翼体的凸台12和钻头体的凹槽16安装后焊接成钻头体1。钻头中心设计有主水眼14，刀翼体18和钻头体1焊接成钻头体1，主水眼15和侧水眼14孔贯通。
图5是本发明的复合钻头的PDC齿顶和牙轮齿的包络线。图中所示：26-PDC齿的齿顶包络线、25-牙轮切削齿的齿顶包络线。PDC齿的齿顶包络线26与牙轮切削齿的齿顶包络线25形状相同并关于钻头轴线27对称，或齿顶包络线它们的高度差H小于等于5mm。
图6是本发明的复合钻头的布齿方式。牙轮切削齿与PDC切削齿关于牙轮轴线与钻头轴线27构成的平面呈对称布置。一号刀翼(6)的主切削齿(21)布齿周向角为c，三号刀翼(8)的主切削齿(24)布齿周向角为d，一号刀翼(6)的副切削齿(22)布齿周向角为b，三号刀翼(8)的副切削齿(19)布齿周向角为a，它们关系为c＝d，b＝a；二号刀翼(7)的切削齿(23)切削面中心布置在平面(20)内，布齿周向角为0。
Claims (1)
1.一种复合钻头，包括钻头体（1）、刀翼体（18）、牙轮（10），其特征在于，所述牙轮（10）和刀翼体（18）布置在钻头轴线（27）两侧，牙轮（10）部分嵌入刀翼体（18）的腔体内，牙轮（10）和刀翼体（18）的布齿面设有切削齿（3）；
刀翼体（18）的凸台（12）和钻头体（1）的凹槽（16）组合构成一种榫卯结构；刀翼体（18）的凸台（12）和钻头体（1）的凹槽（16）安装后焊接成钻头体（1）；
牙掌（11）上有切削齿（3），它和保径齿（2）共同起保径的作用；
钻头中心设计有主水眼（15），刀翼体（18）和钻头体（1）焊接成复合钻头，主水眼（15）和侧水眼（14）孔贯通；
刀翼体的切削齿的布齿方式为：牙轮切削齿与PDC切削齿关于牙轮轴线与钻头轴线构成的平面呈对称布置；一号刀翼（6）的一号刀翼的主切削齿（21）布齿周向角为c，三号刀翼（8）的三号刀翼的主切削齿（24）布齿周向角为d，一号刀翼（6）的一号刀翼的副切削齿（22）布齿周向角为b，三号刀翼（8）的三号刀翼的副切削齿（19）布齿周向角为a，它们关系为c=d，b=a；二号刀翼（7）的二号刀翼的切削齿（23）切削面中心布置在牙轮轴线与钻头轴线构成的平面（20）内，布齿周向角为0；PDC齿的齿顶包络线（26）与牙轮切削齿的齿顶包络线（25）形状相同，并关于钻头轴线（27）对称，或齿顶包络线有高度差，高度差H=0~5mm；
牙轮在刀翼体（18）的腔体（13）内，主水眼（15）在牙轮切削岩石时喷射钻井液带走岩屑；
本体轮廓线（5）和牙轮轮廓线（4）关于钻头轴线（27）对称。
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