CN112554801A - 一种带有刀翼加强结构的复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有刀翼加强结构的复合钻头，包括钻头体、水眼、转动切削结构和固定切削结构。所述转动切削结构由固定在钻头体上的牙掌，安装在牙掌上的牙轮和安装在牙轮上的牙轮切削齿组成；所述固定切削结构由延伸自钻头体的刀翼，以及安装在刀翼上的刀翼切削齿组成，在刀翼底部的钻头体上设置有贯通的水眼。其特征在于：在所述刀翼上还安装有沉镶齿，其出露高度不高于所述布齿轮廓线，并且在沉镶齿周围还设置有取齿槽。通过设置沉镶齿能够提高钻头刀翼的耐磨性，使刀翼、牙轮避免遭受过度磨损，进而防止牙轮井底脱落事故的发生，提高了复合钻头的钻井安全性。
Description
技术领域
本技术发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程石工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种带有刀翼加强结构的复合钻头。
背景技术
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。复合钻头是将牙轮钻头切削破岩组件和PDC钻头切削破岩组件组合起来一种复合式破岩用钻头工具，它结合了牙轮钻头和PDC钻头各自的钻进破岩特点，在硬塑性地层、不均质地层，或导向钻井工艺中具有独特的技术优势，可以获得较为理想的钻进效果。
复合钻头的主要失效形式是“掏心失效”和“环槽失效”，所谓“掏心失效”是指复合钻头的心部发生剧烈磨损，形成较深的凹坑，是一种较为严重的失效形式。所谓“环槽失效”是指在复合钻头的外肩部，或外肩部和心部之间的区域发生较为剧烈的磨损，形成环状凹槽。由于复合钻头固定切削结构(PDC钻头切削破岩组件)没有活动部件，形成严重磨损后对钻井安全性不会造成太大影响。但是掏心失效和环槽失效发生后，就会对与之在同一井底覆盖区域的转动切削结构(牙轮钻头切削破岩组件)发生侵蚀性磨损，特别是对牙轮壳体或密封结构形成的磨损会直接导致牙轮的脱落，进而造成较大的钻井安全事故。
发明内容
本发明目的在于：提供一种在复合钻头固定切削结构发生磨损的情况下，能够实现保护刀翼本体不发生过度磨损，从而避免“掏心失效”或“环槽失效”的发生。这也进一步避免了牙轮遭受过度磨损，降低了复合钻头掉牙轮钻井事故的发生几率，提高了钻井安全性。
本技术发明采用的技术方案如下：
一种带有刀翼加强结构的复合钻头，包括有钻头体、水眼，转动切削结构和固定切削结构，所述转动切削结构由固定在钻头体上的牙掌，安装在牙掌上的牙轮和安装在牙轮上的牙轮切削齿组成；所述固定切削结构由延伸自钻头体的刀翼，以及安装在刀翼上的刀翼切削齿组成，其中刀翼切削齿在钻头体径向平面的周向投影位置点彼此平滑过渡连接形成布齿轮廓线，在刀翼底部的钻头体上设置有贯通的水眼。其特征在于：在所述刀翼上还安装有沉镶齿，其出露高度不高于所述布齿轮廓线，并且在沉镶齿周围还设置有取齿槽。
由于复合钻头的刀翼材料一般为合金钢，其耐磨性相较固定切削齿差，因此当岩石或其他井底落物接触到刀翼本体时，就会发生较为剧烈的磨损。当刀翼材料磨损一定高度后，转动切削结构上的牙轮部件就会与岩石或井底落物直接接触，随之发生磨损。牙轮是通过轴承与轴颈相配合，形成转动连接。造成牙轮脱落的主要原因是外部磨损，导致牙轮壳体发生断裂，或将壳体磨穿，使锁紧轴承滚动体脱落，锁紧能力失效。
采用本发明的技术方案可以加强复合钻头刀翼的本体强度。当固定切削齿发生持续性磨损后，沉镶齿就会逐渐与井底岩石相接触并发挥耐磨的作用，在较大程度上延缓了对刀翼本体的磨损，进而发挥了保护牙轮壳体，避免牙轮掉落等钻井安全事故发生的作用。沉镶齿的下沉量h以刀翼切削齿布齿轮廓线为基准，不高于该布齿轮廓线。其中，刀翼切削齿在钻头体径向平面的周向投影位置点彼此平滑过渡连接，即形成了布齿轮廓线。
本发明技术方案中，所提出的创新点：沉镶齿的下沉量h不高于刀翼切削齿布齿轮廓线位置，即沉镶齿与刀翼切削齿有较大的出露高度差，使其完全作为一种耐磨用齿，而非切削破岩用齿，充分发挥了保护钻头本体刀翼的作用。
当所述沉镶齿的下沉量h＝0时，即与所述布齿轮廓线平齐，并在沉镶齿周围设置有取齿槽。
本发明所提出的设置沉镶齿结构，是一种预防性复合钻头牙轮掉落事故发生的技术方案。在实际钻井施工中，有可能因为钻井工艺要求，或钻头其他方面的失效行为导致起钻，使沉镶齿的作用不能够得到发挥。因此，为提高本发明技术方案的经济性，特设置在沉镶齿周围设置有取齿槽的技术特征。取齿槽的作用就是在沉镶齿有重复利用价值的前提下，将其取出的工艺特征。
所述沉镶齿的下沉量h取值范围为：0＜h≤0.5d，其中d为刀翼切削齿的直径。
下沉量h是以布齿轮廓线为基准，向布齿轮廓线内侧法线方向上延伸的量。当前绝大多数镶装有金刚石类切削齿的钻头，切削齿相对于刀翼的出露高度均为“半出露”，即切削齿的位置点(齿面几何中心)刚好位于刀翼面上。通常情况下布齿轮廓线即为刀翼外表面轮廓线，当h＝0时，即为沉镶齿与布齿轮廓线相切，这时如果刀翼切削齿磨损至刀翼面位置时，已基本失去破岩切削能力；当h＝0.5d时，沉镶齿处于刀翼切削齿底部位置，当磨损至该位置时复合钻头掉牙轮风险已很高，阻止进一步磨损已十分必要。
所述沉镶齿布置在所述牙掌的轴颈外轮廓线上或外侧。
导致牙轮脱落的主要原因有两个方面，其一是壳体断裂，其二是轴承组件中的锁紧轴承失效。从现场经验看，锁紧轴承失效为主。而锁紧轴承的失效原因一般是牙轮壳体被磨穿，导致锁紧轴承滚动体脱落失效。因此将沉镶齿布置在牙掌的轴颈外轮廓线上或外侧，就是要求保护牙轮壳体不被磨穿，从而避免牙轮脱落。
作为选择，沉镶齿布置在牙掌轴颈外轮廓线的密封位置，或锁紧位置，或轴肩位置，或以上任意两种位置，或以上三种位置。
牙掌轴颈的密封位置(即轴颈根部)是设置牙轮密封结构的区域，当该处牙轮壳体发生磨损后，将会有含有固相颗粒的钻井液侵入到轴承腔内，导致轴承的快速磨损并迅速失效。牙掌轴颈的锁紧位置是放置锁紧轴承的位置，如若该区域的牙轮壳体发生磨损后，将会直接导致锁紧轴承脱落，进而导致牙轮掉落井底事故的发生。牙掌轴颈的轴肩位置(包括大、小轴颈过度区域和小轴颈)对应的是牙轮壳体的轮尖部分，是牙轮壳体较为薄弱的部分。该处也是复合钻头典型失效——“掏心失效”所对应的区域。如若该处牙轮壳体被磨穿，则同样会有钻井液侵入到轴承腔内，导致轴承的快速磨损并迅速失效。因此，为充分发挥本发明专利的有效性，应将本发明所述沉镶齿径向布齿位置应重点设置在这三个区域所对应的刀翼位置，以达到预防掉牙轮事故的发生。
作为选择，所述刀翼上设置有至少一组台阶面(比刀翼切削齿处的刀翼面低l个高度)，沉镶齿布置在该阶梯面上。
通过台阶高度l和沉镶齿的下沉量h两个参数的控制，可以使沉镶齿的布置更为灵活。还可以使沉镶齿出露于台阶面上，简化镶齿工艺，降低制造难度。
作为选择，所述沉镶齿为PDC齿，或金刚石复合齿，或孕镶金刚石齿，或包含有TSP的耐磨元件，或由上述类型中的至少2种组合而成。
上述耐磨元件/切削齿均为石油钻头中所常用的切削齿类型，根据实际钻井工况和设计条件，可灵活选用上述耐磨元件/切削齿中的一种，或多种组合作为本发明的沉镶齿使用。
作为选择，所述沉镶齿的前倾角0°＜α≦45°。
这里定义沉镶齿的前倾角为沿着布齿位置的切削运动方向倾斜的角度。当α＝0时，即为沉镶齿竖直镶入刀翼的情况。当0°＜α≦45°时，即为沉镶齿以挤压方式(非刮切方式)接触井底岩石，可以很好的起到耐磨作用，而又不容易使金刚石层剥落。
作为选择，所述至少一颗沉镶齿固定于支撑块上，再将支撑块固定于刀翼上。
将沉镶齿固定在支撑块上，构成模块式沉镶齿，可以使防止牙轮脱落的刀翼加强结构设计得更为灵活。可以是两颗或多颗沉镶齿以沿着径向、切向或径、切两向之间的方式在支撑块上排布，再将支撑块焊接固定在刀翼上。也可以使多颗沉镶齿沿着法向，纵向或法、纵向成锐角的方式在支撑块上排布，再将支撑块焊接固定在刀翼上
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)提高了金刚石复合钻头本体刀翼的耐磨性。
(2)保护了牙轮壳体，降低了因过度磨损造成掉牙轮等钻井安全事故的发生概率。
(3)便于加强齿的回收重复利用，提高了金刚石复合钻头的经济性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：1、钻头体；2、牙掌；3、牙轮；4、刀翼；5、牙轮切削齿；6、刀翼切削齿；7、沉镶齿；8、取齿槽；9、支撑块；10、垫块；11、水眼。a、投影位置点；b、布齿轮廓线；h、下沉量；d、刀翼切削齿直径；l、刀翼台阶高度；21、轴颈；211、轴颈轮廓线；I：轴颈根部；J：锁紧位置；K：轴肩位置。
图1为本发明“实施例一”的结构示意图。
图2为本发明“实施例一”中“下沉量”示意图。
图3为本发明“实施例一”中刀翼切削齿与沉镶齿组合初始状态示意图。
图4为本发明“实施例一”中刀翼切削齿与沉镶齿组合磨损状态示意图。
图5为本发明“实施例一”的径向布齿结构图。
图6为本发明“实施例一”关于牙掌轴颈区域的辅助说明示意图。
图7为本发明“实施例二”的沉镶齿布置方式的俯视图。
图8为本发明“实施例二”的沉镶齿布置方式的剖视图，也是图7的A-A向视图。
图9为本发明“实施例三”的沉镶齿布置方式的俯视图。
图10为本发明“实施例三”沉镶齿布置方式的剖视图，也是图9的B-B向视图。
图11为本发明“实施例四”的布齿结构示意图。
图12为本发明“实施例五”的布齿结构示意图。
图13为本发明“实施例五”沉镶齿布置方式的剖视图，也是图12的C-C向视图。
图14为本发明“实施例六”的布齿结构示意图。
图15为本发明“实施例七”的布齿结构示意图。
图16为本发明“实施例八”的布齿结构示意图(后视图)。
图17为本发明“实施例九”的布齿结构示意图(后视图)。图中：β＝90°。
图18为本发明“实施例十”的布齿结构示意图。
图19为本发明“实施例十一”的布齿结构示意图。
图20为本发明“实施例十二”的布齿结构示意图。
图21为本发明“实施例十三”的结构示意图。
图22为本发明“实施例十四”的结构示意图。
图23为本发明“实施例十五”的结构示意图。
图24为本发明“实施例十六”的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了相互排斥的特征以外，均可以以任意方式组合。本说明书中公开的任一特征，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。
实施例一：如图1至图8所示，本发明公开的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，包括有钻头体(1)、水眼(11)、转动切削结构和固定切削结构，转动切削结构包括有固定在钻头体(1)上的牙掌(2)、安装在牙掌(2)上的牙轮(3)、安装在牙轮(3)上的牙轮切削齿(5)；固定切削结构由延伸自钻头体(1)的刀翼(4)，以及安装在刀翼(4)上的刀翼切削齿(6)组成，其中刀翼切削齿(6)在钻头体(1)径向平面的周向投影位置点(a)彼此平滑过渡连接形成布齿轮廓线(b)，在刀翼(4)底部的钻头体(1)上设置有贯通的水眼(11)。在刀翼(4)上还安装有沉镶齿(7)，其齿顶与刀翼切削齿(6)布齿轮廓线(b)的距离范围为：0≤h≤0.5d，如图2所示。沉镶齿(7)为PDC齿。在沉镶齿(7)周围还设置有取齿槽(8)，形状为圆柱形孔并与沉镶齿(7)不完全重合，深度大于沉镶齿(7)放置位置。
这里，沉镶齿(7)的出露高度h的取值范围：0≤h≤0.5d；表示沉镶齿(7)低于刀翼切削齿(6)，使其完全作为一种耐磨用齿，而非切削破岩用齿，这就能充分发挥保护刀翼(4)的作用。在图3中，表示为沉镶齿(7)与刀翼切削齿(6)的布置关系示意图。在图4中，表示为当刀翼切削齿(6)发生严重磨损后，已基本失去切削能力，如进一步磨损将危及刀翼(4)，因此在这种情况下设置沉镶齿(7)即能够发挥耐磨作用，由于其布置方向为竖直向下，本身没有侵入岩层的切削能力。复合钻头钻进的降低，就会使地面操作人员感知钻头使用寿命的终结，及时起钻，避免掉压轮等钻井事故的发生。在图5中，表示为沉镶齿(7)与轴颈(21)的布置关系示意图，沉镶齿(7)布置在轴颈轮廓线沉镶齿(211)上或外侧，这能够更好的起到防护作用。
在图6中，轴颈(21)的密封位置(即轴颈根部，I处)是设置牙轮密封结构的区域，当该处牙轮壳体发生磨损后，将会有含有固相颗粒的钻井液侵入到轴承腔内，导致轴承的快速磨损并迅速失效。牙掌轴颈的锁紧位置(J处)是放置锁紧轴承的位置，如若该区域的牙轮壳体发生磨损后，将会直接导致锁紧轴承脱落，进而导致牙轮掉落井底事故的发生。牙掌轴颈的轴肩位置(包括大、小轴颈过度区域和小轴颈，K处)对应的是牙轮壳体的轮尖部分，是牙轮壳体较为薄弱的部分。该处也是复合钻头典型失效——“掏心失效”所对应的区域。如若该处牙轮壳体被磨穿，则同样会有钻井液侵入到轴承腔内，导致轴承的快速磨损并迅速失效。因此，为充分发挥本发明专利的有效性，应将本发明所述沉镶齿(7)重点设置在这三个区域，以达到预防掉牙轮事故的发生。
本发明所提出的设置沉镶齿(4)，是一种预防复合钻头牙轮掉落事故发生的技术方案。在实际钻井施工中，有可能因为钻井工艺要求，或钻头其他方面的失效行为导致起钻，使沉镶齿的作用不能够得到发挥。因此，为提高本发明技术方案的经济性，特在沉镶齿周围设置有取齿槽的技术特征。取齿槽的作用就是在沉镶齿有重复利用价值的前提下，将其取出的工艺特征。
实施例二：如图9、图10所示，本实施例与实施例一基本相同。其区别在于：所述取齿槽(8)为一种位于沉镶齿(7)外圆柱面与刀翼侧面呈窄缝隙连接的槽状结构。
该取齿槽(8)的结构方案加工工艺简单，对刀翼(4)本体造成的强度损伤不大。
实施例三：如图11所示，本实施例与实施例二基本相同。其区别在于：特别规定了所述沉镶齿(7)为金刚石复合齿。
金刚石复合齿是一类以硬质合金为基体，金刚石层为工作表面的复合齿。一般金刚石层为非平面结构。当以非冲击的方式与井底岩石接触时，一般不具有切削破岩能力。采用本实施例所述方案，同样可以达到提高本体刀翼(4)耐磨性的目的。
实施例四：如图12、图13所示，本实施例与实施例一基本相同。其区别在于：所述沉镶齿(7)侧圆柱面部分裸露于刀翼(4)外部。该结构方案可直接通过侧面裸露的沉镶齿(7)侧面或低面将其取出，结构简单，便于回收操作。
实施例五：如图14所示，本实施例与实施例一基本相同。其区别在于：沉镶齿(7)为至少2颗齿法向或纵向上下重叠设置。重叠设置的齿可以同轴或同心重叠，也可以不同轴重叠(如平行错位重叠，不平行重叠等)；可以直接重叠，也可以在重叠齿之间加垫块(10)。
通过多齿组合的布置方式，可以使沉镶齿(7)设置更为灵活。可以根据实际钻井需要，或具体失效形式有针对性的加强刀翼(4)局部区域的耐磨性，达到更好的预防效果。垫块(10)的作用是能够更好的形成两级耐磨的作用。
实施例六：如图15所示，本实施例与实施例二基本相同。其区别在于：特别规定了所述沉镶齿(7)的布齿前倾角0＜α≦45°。
这里定义沉镶齿(7)的前倾角α为沿着布齿位置的切削运动方向倾斜的角度。当α＝0时，即为沉镶齿(7)竖直镶入刀翼(4)的情况。当0°＜α≦45°时，即为沉镶齿(7)以挤压方式(非刮切方式)接触井底岩石，可以很好的起到耐磨作用，而又不容易使金刚石层剥落。
实施例七：如图16、图17所示，本实施例与实施例一基本相同。其区别在于：所述沉镶齿(7)的侧倾角0＜β≦90°。
这里定义沉镶齿(7)的侧倾角β为绕着布齿位置的切削运动方向倾斜的角度。带有侧倾角的沉镶齿(7)，进一步丰富了本发明技术方案的设计灵活性。特别是当β＝90°时，沉镶齿(7)以横卧的方式镶入刀翼，圆柱面作为耐磨表面以挤压方式接触井底岩石，也可以很好的起到耐磨作用。
实施例八：如图18所示，本实施例与实施例一基本相同。其区别在于：所述沉镶齿(7)先安装于支撑块(9)上，再将支撑块(9)通过焊接、螺纹连接等方式固定于刀翼(4)上，构成支撑块式沉镶布齿方案。在支撑块(9)的底部设置有与沉镶齿(7)所在齿孔相贯通的取齿槽(8)。
采用本实施例所述方案可以使实现本发明所提出的结构方案更为灵活，结构加工也便于实现。
实施例九：如图19所示，本实施例与实施例八基本相同。其区别在于：在支撑块(9)上设置有两颗或两颗以上的沉镶齿(7)。
将沉镶齿(7)固定在支撑块(9)上，构成模块式沉镶齿，可以使防止牙轮(3)脱落的刀翼(4)加强结构设计得更为灵活。本实施例中沉镶齿(7)的排布方式为两颗或多颗以沿着径向、切向或径、切两向之间的方式在支撑块(9)上排布，再将支撑块(9)焊接固定在刀翼(4)上。也可以使多颗沿着法向，纵向或法、纵向成锐角的方式在支撑块上排布，再将支撑块焊接固定在刀翼(4)上
实施例十：如图20所示，本实施例由实施例八所述的包含单颗沉镶齿(7)的支撑块(9)(简称：“单齿块”)和实施例十所述的包含多颗沉镶齿(7)的支撑块(9)(简称：“多齿块”)组合而成。在结构上可以为两个或两个以上的“多齿块”设置在同一个刀翼(4)上，也可以为两个或两个以上的“单齿块”设置在同一个刀翼(4)上，还可以为一个或一个以上的“单齿块”和一个或一个以上的“多齿块”设置在同一个刀翼(4)上的形式。
实施例十一：如图21所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：所述沉镶齿(7)布置在固定切削齿(6)的前部。
实施例十二：如图22所示，本实施例与实施例六基本相同，其区别在于：所述刀翼(4)设置有一组台阶面，该台阶面低于固定切削齿(6)所在刀翼高度l个尺寸量。所述沉镶齿(7)布置在该台阶面上。
本实施例可通过台阶高度l和沉镶齿(7)出露高度h，两个参数控制沉镶齿(7)的下沉量，可以使沉镶齿(7)的布置更为灵活。还可以使沉镶(7)齿出露于台阶面上，简化镶齿工艺，降低制造难度。
实施例十三：如图23所示，本实施例与实施例三基本相同。其区别在于：所述刀翼(4)设置有一组台阶面，所述沉镶齿(7)布置在该台阶面上。所述沉镶齿(7)为金刚石复合齿。
实施例十四：如图24所示，本实施例与实施例十二基本相同。其区别在于：所述沉镶齿(7)先安装于支撑块(9)上，再将支撑块(9)通过焊接等方式固定于刀翼(4)上。
Claims (8)
1.一种带有刀翼加强结构的复合钻头，包括有钻头体(1)、水眼(9)、转动切削结构和固定切削结构，所述转动切削结构由固定在钻头体(1)上的牙掌(2)，安装在牙掌(2)上的牙轮(3)和安装在牙轮(3)上的牙轮切削齿(5)组成；所述固定切削结构由延伸自钻头体(1)的刀翼(4)，以及安装在刀翼(4)上的刀翼切削齿(6)组成，其中刀翼切削齿(6)在钻头体(1)径向平面的周向投影位置点(a)彼此平滑过渡连接形成布齿轮廓线(b)，在刀翼(4)底部的钻头体(1)上设置有贯通的水眼(11)。其特征在于：在所述刀翼上还安装有沉镶齿(7)，其出露高度(h)不高于所述布齿轮廓线(b)，并且在沉镶齿周围还设置有取齿槽(8)。
2.如权利要求1，所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述沉镶齿(7)的下沉量h＝0，即与所述布齿轮廓线(b)平齐，并在沉镶齿(7)周围设置有取齿槽(8)。
3.如权利要求1，所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述沉镶齿(7)的下沉量h取值范围为：0＜h≤0.5d，其中d为刀翼切削齿(6)的直径。
4.如权利要求1，所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述沉镶齿(7)布置在所述牙掌(2)的轴颈(21)外轮廓线(211)上或外侧。
5.如权利要求1，所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述沉镶齿(7)布置在所述牙掌(2)的轴颈(21)外轮廓线(211)的密封位置(I)，或锁紧位置(J)，或轴肩位置(K)，或以上任意两种，或以上三种位置。
6.如权利要求1，所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述沉镶齿(7)为PDC齿，或金刚石复合齿，或孕镶金刚石齿，或包含有TSP的耐磨元件，或由上述齿类型中的至少2种组合而成。
7.如权利要求1或2所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述沉镶齿(7)的前倾角0°≦α≦45°。
8.如权利要求1所述的一种带有刀翼加强结构的复合钻头，其特征在于：所述至少1颗沉镶齿(7)安装在支撑块(9)上，所述支撑块(9)固定于刀翼(4)上。
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