CN113107375B - 一种高稳定性混合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高稳定性混合钻头，其包括：用于与钻杆连接的钻头体，所述钻头体的一端固设刀翼；固设于所述钻头体外侧的保径部，其位于靠近所述刀翼的一端，所述保径部的外轮廓半径与所述刀翼的外轮廓半径大致相同，且所述保径部沿圆周方向的宽度大于所述刀翼沿圆周方向的宽度；同时，所述保径部设有沿轴向贯穿的悬空部。本发明涉及的一种高稳定性混合钻头，增强了混合钻头的稳定性，改善混合钻头的受力状态，使得混合钻头的使用寿命得到提高，同时，保径部设置沿轴向贯穿的悬空部有利于钻头排屑，使钻头具有较好的水力效果。

Description

一种高稳定性混合钻头

技术领域

本发明涉及钻井工具技术领域，特别涉及一种高稳定性混合钻头。

背景技术

目前，镶齿牙轮和PDC(Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片)混合钻头既具有PDC钻头的机械钻速快的优势，又具有牙轮钻头扭矩低、钻进平稳的优势，使其应用范围越来越广，目前主要应用于夹层钻进及定向应用中。

相关技术中，当混合钻头在夹层、硬地层钻进时，尤其是在软地层应用中，由于钻头需要较高的攻击性，刀翼数一般较少，导致混合钻头的稳定性不足，进而引发牙轮轴承易先期失效，导致钻头寿命偏短。

因此，有必要设计一种新的高稳定性混合钻头，以克服上述问题。

发明内容

本发明实施例提供一种高稳定性混合钻头，以解决相关技术中混合钻头的稳定性不足，进而引发牙轮轴承易先期失效，导致钻头寿命偏短的问题。

第一方面，提供了一种高稳定性混合钻头，其包括：用于与钻杆连接的钻头体，所述钻头体的一端固设刀翼；固设于所述钻头体外侧的保径部，其位于靠近所述刀翼的一端，所述保径部的外轮廓半径与所述刀翼的外轮廓半径大致相同，且所述保径部沿圆周方向的宽度大于所述刀翼沿圆周方向的宽度；同时，所述保径部设有沿轴向贯穿的悬空部。

一些实施例中，沿圆周方向，所述悬空部的宽度与所述保径部的宽度比值大致为0.17～0.8。

一些实施例中，所述悬空部位于所述刀翼的一侧或相对两侧，且所述悬空部沿圆周方向贯穿所述保径部。

一些实施例中，所述钻头体的端部固设至少两个所述刀翼，所述钻头体的端部还设有牙轮，所述牙轮与两个所述刀翼之间的距离基本上相同，且所述牙轮的相对两侧均设有所述悬空部。

一些实施例中，所述保径部的外轮廓包围所述悬空部。

一些实施例中，所述钻头体的端部固设至少两个所述刀翼，所述钻头体的端部还设有牙轮，所述牙轮偏向靠近其中一个所述刀翼，所述悬空部设置于另一个所述刀翼与所述牙轮之间。

一些实施例中，所述钻头体的端部还设有至少一个喷嘴，所述喷嘴位于所述悬空部的邻侧。

一些实施例中，所述喷嘴夹设于所述悬空部与所述刀翼之间。

一些实施例中，所述保径部沿轴向方向的外轮廓直径相同；或者保径部的外轮廓呈阶梯型；或者所述保径部沿轴向方向呈锥形。

一些实施例中，所述悬空部靠近所述钻头体轴线的一侧具有第一内侧面，所述第一内侧面的底部与所述钻头体的底面连接；所述悬空部靠近所述钻头体轴线的一侧还设有位于所述第一内侧面的第二内侧面，所述第二内侧面与所述第一内侧面连接，且所述第二内侧面自与所述第一内侧面的连接处向远离所述钻头体轴线的方向倾斜延伸。

本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

本发明实施例提供了一种高稳定性混合钻头，由于在钻井过程中，保径部基本上会与井壁接触，保径部沿圆周方向的宽度大于刀翼沿圆周方向的宽度，增大了保径部与井壁的接触面积，进而增强了混合钻头的稳定性，改善混合钻头的受力状态，使得混合钻头的使用寿命得到提高，同时，保径部设置沿轴向贯穿的悬空部有利于钻头排屑，使钻头具有较好的水力效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的第一种高稳定性混合钻头倒立时的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一种高稳定性混合钻头的仰视示意图；

图3为本发明实施例提供的第二种高稳定性混合钻头倒立时的立体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第二种高稳定性混合钻头的仰视示意图；

图5为本发明实施例提供的第三种高稳定性混合钻头倒立时的立体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的第三种高稳定性混合钻头的仰视示意图。

图中：

1、钻头体；

2、刀翼；21、切削齿；

3、保径部；31、悬空部；311、第一内侧面；312、第二内侧面；

4、牙轮；

5、牙掌；

6、喷嘴。

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中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。

本发明实施例提供了一种高稳定性混合钻头，其能解决相关技术中混合钻头的稳定性不足，进而引发牙轮轴承易先期失效，导致钻头寿命偏短的问题。

参见图1、图3和图5所示，为本发明实施例提供的一种高稳定性混合钻头，该高稳定性混合钻头可以用于石油、天然气、地质钻井，以及在夹层、软地层硬地层直井和定向井中应用，其可以包括：用于与钻杆连接的钻头体1，钻头体1的一端固设刀翼2，本实施例中，刀翼2从内至外依次划分为内锥、鼻部、肩部和保径段，刀翼2上安装有切削齿21，切削齿21优选金刚石复合片，每个刀翼2的切削齿21可以由内到外覆盖整个钻井的半径；固设于钻头体1外侧的保径部3，其可以位于靠近刀翼2的一端，也就是说，在钻井时，刀翼2位于钻头体1的底端，保径部3也位于钻头体1的底端，保径部3的外轮廓半径与刀翼2的外轮廓半径大致相同，使得刀翼2的外侧与保径部3的外侧均大致能够与井壁接触，且保径部3沿圆周方向的宽度大于刀翼2沿圆周方向的宽度，增大保径部3的宽度，使得保径部3与井壁的接触面积增大，进而可以增强钻头在钻进过程中的稳定性，使钻头平稳钻进；同时，保径部3可以设有沿轴向贯穿的悬空部31，使得钻头钻井过程中产生的岩屑不仅可以通过钻头体1四周的空隙向上排出，还能通过保径部3上的悬空部31向上排出，在增大保径部3的同时还增大了排屑空间，提升了排屑效率，岩屑不易堆积在刀翼2周围，刀翼2周围的水力空间较大，使得钻头具有较好的水力效果，本实施例中的保径部3也可以用于PDC钻头。

参见图2、图4、图6所示，在一些实施例中，沿圆周方向，悬空部31的宽度可以与保径部3的宽度比值大致为0.17～0.8，也就是说，保径部3上悬空部31的宽度与未悬空的部分之间的比值大致为0.2～4，以保证足够大的排屑空间；本实施例中，保径部3的悬空部31与未悬空的部分之间的宽度比值优选为2:1。

在一些可选的实施例中，悬空部31可以位于刀翼2的一侧或相对两侧，本实施例中，保径部3连接刀翼2，且自与刀翼2的连接处向刀翼2的一侧或者相对两侧延伸形成，图2中设置有两个保径部3，且均向刀翼2的一侧延伸，其中一个保径部3的宽度为A与B之和，其中A为刀翼2沿圆周方向的宽度，也就是说，保径部3包括刀翼2的保径段，另一个保径部3的宽度为D与E之和，且D与E之和等于A与B之和，其中D与A相等，D为刀翼2沿圆周方向的宽度，另一个保径部3也包括刀翼2的保径段，图4中保径部3自与刀翼2的连接处向刀翼2的相对两侧延伸，其中一个保径部3的宽度为G，另一个保径部3的宽度为H，H与G相等，图6中设置有三个保径部3，且均向刀翼2的一侧延伸，第一个保径部3的宽度为K，第二个保径部3的宽度为H，第三个保径部3的宽度为M，其中K、H、M三者大小相等；参见图4和图6，悬空部31沿圆周方向贯穿保径部3，也就是说，沿圆周方向悬空部31可以贯穿保径部3的侧面，使得悬空部31与保径部3周围的空隙连通，既保证了悬空部31沿圆周方向的宽度不减小，也使得供岩屑流通的空间进一步增大。

参见图2所示，在一些实施例中，钻头体1的端部固设至少两个刀翼2，钻头体1的端部还可以设有牙轮4，牙轮4可以通过牙掌5与钻头体1连接，具体的，牙掌5的上端可以与钻头体1连接成一体，牙掌5的下端固设牙轮4，牙轮4与刀翼2可以间隔设置，也就是说，两个刀翼2之间夹设一个牙轮4，牙轮4与两个刀翼2之间的距离基本上相同，且牙轮4的相对两侧均设有悬空部31，由于牙轮4距离两个刀翼2之间的距离相同，使得每个刀翼2与牙轮4之间均留有一定的距离，每个刀翼2与牙轮4之间均可以设置保径部3，且在牙轮4相对两侧的保径部3上均可以设置悬空部31，刀翼2与牙轮4周围的空间可以得到充分利用，本实施例中，例如图4所示，在钻头体1的端部设置两个刀翼2和两个牙轮4，刀翼2和牙轮4沿圆周方向均匀的布置于钻头体1上，每个刀翼2上均设置保径部3，且保径部3均延伸至刀翼2侧相对两侧，刀翼2每一侧的悬空部31均沿圆周方向贯穿保径部3的侧面，保证每一个刀翼2与牙轮4之间均具有较大的排屑空间，在其他实施例中，也可以将刀翼2的数量设置在三个及以上，一般为2～6个，牙轮4的数量一般为1～6个，且牙轮4的个数可以等于或者少于刀翼2的个数；同时本实施例中，牙掌5的数量与牙轮4的数量对应，均为两个，其中一个牙掌5的宽度为C，另一个牙掌5的宽度为F，F与C的大小相等。

参见图2所示，在一些可选的实施例中，保径部3的外轮廓可以包围悬空部31，也就是说，悬空部31设置于保径部3的中部，使得保径部3的端部能够与钻头体1连接在一起，进而增强了保径部3的强度。

参见图2、图5所示，进一步，悬空部31可以沿钻头体1的径向延伸进入钻头体1，也就是说悬空部31可以部分位于保径部3，部分位于钻头体1，且位于保径部3的部分悬空部31与位于钻头体1上的部分悬空部31连通，本实施例中，悬空部31靠近钻头体1轴线的一侧具有第一内侧面311，第一内侧面311呈竖直状态，且第一内侧面311的底部与钻头体1的底面连接，悬空部31靠近钻头体1轴线的一侧还具有第二内侧面312，第二内侧面312位于第一内侧面311的上方且第二内侧面312与第一内侧面311连接，同时，第二内侧面312自与第一内侧面311的连接处向远离钻头体1轴线的方向倾斜延伸，使得第一内侧面311可以保证悬空部31具有较大的排屑空间，第二内侧面312可以保证进入悬空部31的岩屑能够顺着第二内侧面312向远离钻头体1的方向流动。

在一些实施例中，钻头体1的端部可以固设至少两个刀翼2，钻头体1的端部还设有牙轮4，牙轮4偏向靠近其中一个刀翼2，本实施例中，图2中设置有两个刀翼2，两个牙轮4，牙轮4与刀翼2间隔设置，同时，牙轮4到其相对两侧的刀翼2之间的距离不等，也就是说，牙轮4到其中一个刀翼2之间的距离较小，到另一个刀翼2之间的距离较大，图6中设置了三个刀翼2，两个牙轮4，且牙轮4与刀翼2间隔设置，每一牙轮4与其一侧的刀翼2之间的距离小于与其另一侧的刀翼2之间的距离，且悬空部31可以设置于另一个刀翼2与牙轮4之间，将牙轮4设置于偏向其中一个刀翼2，在牙轮4与另一个刀翼2之间腾出较大的空间整体设置保径部3。

参见图2、图4和图6所示，在一些可选的实施例中，钻头体1的端部还可以设有至少一个喷嘴6，喷嘴6位于悬空部31的邻侧，也就是说，喷嘴6设置于相对较靠近悬空部31的位置，参见图2、图4和图6所示，每一个悬空部31的邻侧均设有一个喷嘴6，通过喷嘴6喷出的钻井液便于将底部的岩屑冲走，并顺着悬空部31以及钻头体1周围的其他空隙向上流动，其中，图2和图4中设有四个喷嘴6，其中两个喷嘴6位于靠近刀翼2的内锥处，便于将刀翼2中心处的岩屑冲走，避免岩屑堆积。

参见图2、图4所示，进一步，喷嘴6优选夹设于悬空部31与刀翼2之间，使得喷嘴6既靠近悬空部31，又位于刀翼2的邻侧，当刀翼2切削岩层产生岩屑时，位于刀翼2一侧的岩屑刚好可以移动至刀翼2邻侧的喷嘴6附近，被喷嘴6喷出的钻井液冲走，并流动起来，避免刀翼2附近积累岩屑。

参见图1所示，在一些实施例中，保径部3沿轴向方向的外轮廓直径可以相同，也就是说，整个保径部3上、下、左、右各个方向以及各个部位的外轮廓直径相同，形成全尺寸保径，使得钻头可以适用于钻进垂直的钻井；或者保径部3的外轮廓呈阶梯型，也就是说，在上下方向上，位于保径部3下部的直径可以较大，且保径部3此部位的外轮廓直径大致与钻井的直径相同，位于靠近保径部3上部的直径变小，可以小于钻井的直径，使得保径部3呈阶梯型，使得钻头在定向钻进的过程中，保径部3的下部可以起到稳定的作用，保径部3的上部既能接触井壁，又不限制钻头钻进，避免保径部3与井壁的接触面积过大，而导致保径部3的摩擦扭矩增大；或者保径部3可以沿轴向方向呈锥形，也就是说，保径部3的下端直径较大，大致与钻井的直径相同，从保径部3的下端向上延伸其直径是依次减小的，使得钻头可以适用于钻进倾斜的钻井。

本发明实施例提供的一种高稳定性混合钻头的原理为：

由于在钻井过程中，保径部3基本上会与井壁接触，保径部3沿圆周方向的宽度大于刀翼2沿圆周方向的宽度，增大了保径部3与井壁的接触面积，进而增强了混合钻头的稳定性，钻头的稳定性得以增强后，钻头端部切削齿21的运动状态稳定，单颗切削齿21受力不易改变，受力较稳定，改善了混合钻头的受力状态，使得混合钻头的使用寿命得到提高，冲击力较大，同时，由于钻头的稳定性提升了，钻头钻出的井眼具有较好的井眼质量，便于起下钻，节约起下钻时间，并且保径部3设置沿轴向贯穿的悬空部31有利于钻头排屑，岩屑不易堆积在钻头底部，钻头底部具有较大的水力空间，进而提升钻头的水力效果。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种高稳定性混合钻头，其特征在于，其包括：

用于与钻杆连接的钻头体(1)，所述钻头体(1)的一端固设刀翼(2)；

固设于所述钻头体(1)外侧的保径部(3)，其位于靠近所述刀翼(2)的一端，所述保径部(3)的外轮廓半径与所述刀翼(2)的外轮廓半径大致相同，且所述保径部(3)沿圆周方向的宽度大于所述刀翼(2)沿圆周方向的宽度；

同时，所述保径部(3)设有沿轴向贯穿的悬空部(31)；

所述悬空部(31)位于所述刀翼(2)的一侧或相对两侧，且所述悬空部(31)沿圆周方向贯穿所述保径部(3)；

所述钻头体(1)的端部固设至少两个所述刀翼(2)，所述钻头体(1)的端部还设有牙轮(4)，

所述牙轮(4)与两个所述刀翼(2)之间的距离基本上相同，且所述牙轮(4)的相对两侧均设有所述悬空部(31)；或者，

所述牙轮(4)偏向靠近其中一个所述刀翼(2)，所述悬空部(31)设置于另一个所述刀翼(2)与所述牙轮(4)之间；

所述悬空部(31)沿所述钻头体(1)的径向延伸进入所述钻头体(1)，位于所述保径部(3)的部分悬空部(31)与位于所述钻头体(1)上的部分悬空部(31)连通，且所述悬空部(31)靠近所述钻头体(1)轴线的一侧具有第一内侧面(311)，所述第一内侧面(311)的底部与所述钻头体(1)的底面连接；

所述悬空部(31)靠近所述钻头体(1)轴线的一侧还设有位于所述第一内侧面(311)上方的第二内侧面(312)，所述第二内侧面(312)与所述第一内侧面(311)连接，且所述第二内侧面(312)自与所述第一内侧面(311)的连接处向远离所述钻头体(1)轴线的方向倾斜延伸；

所述保径部(3)的外轮廓呈阶梯型。

2.如权利要求1所述的高稳定性混合钻头，其特征在于：

沿圆周方向，所述悬空部(31)的宽度与所述保径部(3)的宽度比值大致为0.17～0.8。

3.如权利要求1所述的高稳定性混合钻头，其特征在于：所述保径部(3)的外轮廓包围所述悬空部(31)。

4.如权利要求1或3所述的高稳定性混合钻头，其特征在于：

所述钻头体(1)的端部还设有至少一个喷嘴(6)，所述喷嘴(6)位于所述悬空部(31)的邻侧。

5.如权利要求4所述的高稳定性混合钻头，其特征在于：所述喷嘴(6)夹设于所述悬空部(31)与所述刀翼(2)之间。