CN115538943A

CN115538943A - 活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头

Info

Publication number: CN115538943A
Application number: CN202211353194.4A
Authority: CN
Inventors: 刘哲岳; 许桂红; 刘玉民
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2022-12-30

Abstract

本发明的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头属于带有切削部件的钻进设备，是在钻头主体外表面上间隔设有喷嘴和旋转刀翼，所述的旋转刀翼是由固定刀翼和活动刀翼组合构成；在钻头主体上设有固定刀翼且保径面设有保径齿，在固定刀翼的中心设有轴孔Ⅰ、在轴孔Ⅰ的两同轴心形成螺帽槽和插座槽，动刀翼设有轴孔Ⅱ，活动刀翼后面的插头插于插座槽内，连接轴穿过轴孔Ⅱ、轴孔Ⅰ将活动刀翼与固定刀翼同轴安装，在活动刀翼的环周间隔安装有切削齿。该旋转钻头既相对常规钻头增加切削齿的数量，又有效的使用了切削齿全部的圆弧刀刃，降低切削齿的磨损速度、提高切削齿的利用率和使用寿命、增加钻头进尺、提高钻头使用寿命、减少钻头更换次数。

Description

活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头

技术领域

本发明的带有切削部件的钻进设备，特别是涉及到一种活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头。

背景技术

石油、天然气及地质钻井作业中,钻头破碎地层岩石形成井眼。通过井眼实现地面与地下连通。钻头的性能会直接影响钻井速度。随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，钻井难度越来越大，为了节约钻井综合成本，石油、天然气及地质钻井中常用的钻头为聚晶金刚石复合片钻头。聚晶金刚石复合片（简称PDC齿）是一种用于镶固在钻头体上的切削齿。切削齿主要由金刚石层和硬质合金基体组成，金刚石层具有高硬度、高耐磨性和具有自锐性等特点，因此，将安装有PDC齿的钻头称之为PDC钻头，它广泛应用于钻探技术领域，具有平均机械钻速高、进尺多、寿命长和钻探安全性高等诸多优点,已成为钻井工程中最广泛应用的高效破岩工具。

但随着油气资源的减少，钻井的环境不断恶化和钻井深度不断加深，随着钻井深度的加深，地下的岩石强度和研磨性也随之增加，钻井过程中，钻头的切削齿磨损程度更加严重，破碎岩石的效率下降明显，钻头使用时间减少，从而降低了钻进速度，增加钻井成本。现有的PDC钻头的切削齿有一个很大的缺点切削齿被焊接在钻头上，如公开号为CN106320991A的公开文献，这种传统固定的PDC切削齿钻头钻进时，虽然钻头上的每个切削齿都参与破碎岩石，但是，靠近钻头圆心的切削齿线速度最低、所在圆周周长最小、切削岩石做功最少、磨损量最少，而越远离钻头圆周中心，切削齿线速度越高、所在圆周周长越大、切削岩石做功越多、磨损量越大，整个切削齿呈现不均等失效现象，最外围切削齿失效最快，最外围切削齿的失效决定了钻头使用寿命；同时，切削齿上的边刃能进行切削的仅为10%～40%，其余60%～90%的切削刃被包含到钻头本体内不被使用，不与地层岩石接触。钻井时切削齿的大部分面积无法与地层进行接触,只有切削齿的部分外边缘可接触地层,固定切削齿在钻井时产生的磨损往往集中切削齿外边缘的部分区域,这会导致复合片的局部偏磨和局部高温,从而加速了切削齿的磨损和破裂同时,切削齿发生偏磨后,其剪切速率大大降低,导致机械钻速降低,钻头寿命下降,钻头进尺也相应降低。而公开号为CN112761532A、名称为一种具有循环切削功能的履带式等磨损PDC钻头，将切削齿(11)焊接在履带(12)上，履带传动虽然整体上增加了钻头切削齿的数量，但是，每个切削齿接触岩石、破碎岩石的切削刃长度仅限于外侧一小部分。与常规钻头是一样的，每个切削齿的大部分切削刃被焊接在了刀翼以内，不能参与切削岩石。

发明内容

本发明旨在于克服现有技术的不足，提供了一种活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头。

本发明的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，是由连接部、钻头主体、喷嘴和刀翼构成，在钻头主体外表面上间隔设有喷嘴，在钻头主体的前端至少设有一个旋转刀翼，所述的旋转刀翼是由固定刀翼和活动刀翼组合构成；在钻头主体上固定了与其成一体的固定刀翼，在固定刀翼的保径面间隔设有保径齿，在固定刀翼的中心设有轴孔Ⅰ、在轴孔Ⅰ的内环周设有环形凸棱Ⅰ使固定刀翼的后面和前面分别同轴心形成螺帽槽和插座槽，轮盘式活动刀翼的中心设有轴孔Ⅱ，轮盘式活动刀翼后面的插头插于插座槽内，连接轴穿过轴孔Ⅱ、轴孔Ⅰ将活动刀翼与固定刀翼同轴安装，螺帽套在连接轴的尾端与其固定连接、并置于螺帽槽内，在活动刀翼的环周间隔安装有切削齿。

作为本发明的进一步改进，在活动刀翼的环周间隔设有环形安装孔Ⅱ，切削齿置于环形安装孔Ⅱ内与其配合安装。

作为本发明的进一步改进，活动刀翼的前面为环周翘起的碟形切削部，在切削部的环周设有环形安装孔Ⅱ，在环形安装孔Ⅱ内设有环形凸棱Ⅱ使两侧分别形成限位槽Ⅰ和安装槽Ⅱ，切削齿置于安装槽Ⅱ内，传动轮的环形筒套在切削齿尾部的旋转轴上、且齿圈置于限位槽Ⅰ中将其与活动刀翼安装，旋转轴的尾端上设有卡槽、通过弹性挡圈将其与传动轮轴向固定。

作为本发明的进一步改进，所述的传动轮为齿轮或链轮。

作为本发明的进一步改进，在固定刀翼的环周设有限位滑道与活动刀翼环周翘起的碟形切削部相配合，在限位滑道的内侧环周间隔设有传动齿，传动齿与传动轮的齿圈相啮合。

作为本发明的进一步改进，活动刀翼的前端为环周翘起的角度为a<90º。

作为本发明的进一步改进，链轮的环形筒其内为方孔、旋转轴为方轴，二者相配合安装。

本发明的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，将活动刀翼与切削齿共存于一个钻头之中，既相对常规钻头增加切削齿的数量，又有效的使用了切削齿全部的圆弧刀刃，降低切削齿的磨损速度、提高切削齿的利用率、提高切削齿的使用寿命、增加钻头进尺、提高钻头使用寿命、减少钻头更换次数、提高钻井速度、降低钻井成本。

附图说明

图1为本发明的纵向剖视图；

图2为图1A-A向剖面图；

图3为刀翼的结构示意图；

图4为固定刀翼的结构示意图；

图5、图6为活动刀翼的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，是由连接部1、钻头主体2、喷嘴3和刀翼构成，在钻头主体2外表面上间隔设有喷嘴3，在钻头主体2的前端间隔设有旋转刀翼一个普通刀翼；所述的普通刀翼就是在刀翼上固定有切削齿；所述的旋转刀翼是由固定刀翼4和活动刀翼5组合构成；在钻头主体2上固定了与其成一体的固定刀翼4，在固定刀翼4的保径面间隔设有保径齿6，在固定刀翼4的中心设有轴孔Ⅰ7、在轴孔Ⅰ7的内环周设有环形凸棱Ⅰ20使固定刀翼4的后面和前面分别同轴心形成螺帽槽19和插座槽8，轮盘式活动刀翼5的中心设有轴孔Ⅱ9，轮盘式活动刀翼5的后面的插头20座于插座槽8内，连接轴10穿过轴孔Ⅱ9、轴孔Ⅰ7将活动刀翼5与固定刀翼4同轴安装，螺帽24套在连接轴10的尾端与其固定连接、并置于螺帽槽19内，在活动刀翼5的环周间隔设有环形安装孔Ⅱ12，切削齿7置于环形安装孔Ⅱ12内与其配合安装。

实施例2

本发明的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，如图1所示，是由连接部1、钻头主体2、喷嘴3和刀翼构成，在钻头主体2外表面上间隔设有喷嘴3，钻头主体2的前端四个旋转刀翼，如图2所示。

所述的旋转刀翼是由固定刀翼4和活动刀翼5组合构成，如图3所示。固定刀翼4固定在钻头主体2上与其成一体，在固定刀翼4的保径面间隔设有保径齿6，在固定刀翼4的中心设有轴孔Ⅰ7、在轴孔Ⅰ7的内环周设有环形凸棱Ⅰ20使固定刀翼4的后面和前面分别同轴心形成螺帽槽19和插座槽8，如图4所示；所述的活动刀翼5为轮盘式，中心设有轴孔Ⅱ9，如图5所示，活动刀翼5的后面的环形插头20插于插座槽8内，连接轴10穿过轴孔Ⅱ9、轴孔Ⅰ7将活动刀翼5与固定刀翼4同轴活动安装，螺帽24套在连接轴10的尾端与其固定连接、并置于螺帽槽19内，使活动刀翼5在受力的情况下可绕连接轴10旋转，如图3所示。

所述的活动刀翼5的前面为环周翘起的碟形切削部，其上翘的角度为a<90º，在切削部的环周设有环形安装孔Ⅱ12，在环形安装孔Ⅱ12内设有环形凸棱Ⅱ使两侧分别形成限位槽Ⅰ21和安装槽Ⅱ22，如图5所示；环形安装孔Ⅱ12内装有切削齿11和传动轮13；所述的传动轮13可选用齿轮或链轮，由环形筒23和齿圈14构成、且环形筒23的内孔为方孔；所述的切削齿11尾端设有旋转轴18且为方轴。

安装时，如图6所示，切削齿11置于安装槽Ⅱ22内，其旋转轴18穿过限位槽Ⅰ并延伸至外面，传动轮13的环形筒23套在旋转轴18上、而齿圈14置于限位槽Ⅰ21中将其与活动刀翼5安装，旋转轴18的尾端上设有卡槽、通过弹性挡圈15将其与传动轮13轴向固定。旋转轴上的卡簧使传动轮13与旋转轴固定不动，达到对对切削齿的轴向限位，从而实现了切削齿既能旋转，又轴向不掉落下去。

本装置在轮盘式活动刀翼5的外圆全部均匀布置聚晶金刚石复合片（亦即PDC切削齿），成数倍地增加了切削齿数量，设置轮盘式活动刀翼5可以绕着到连接轴10自转，所有的PDC切削齿机会均等地切削破碎岩石，实现相等的PDC切削齿磨削消耗量、相等的PDC切削齿工作寿命。

同时，在固定刀翼4的环周设有限位滑道16与活动刀翼5环周翘起的碟形切削部相配合，在限位滑道16的内侧环周间隔设有传动齿17，传动齿17与传动轮13的齿圈14相啮合，使得切削齿可以自转。从而使得每个切削齿实现三个方向转动：围绕钻头主体中心线旋转；围绕活动刀翼中心线旋转；围绕切削齿中心线旋转。

本装置当钻头切削工作时，刀翼和切削齿主要随着钻头转动。当钻头起钻、下钻时，活动刀翼外环面在井壁摩擦力作用以连接轴为中心旋转，使活动刀翼环周的切削齿交替切削；同时，切削齿的齿轮（或者链轮）在固定刀翼上的传动齿反作用力驱动下转动，使切削齿在环形安装孔内旋转，进而使切削齿接触岩石的接触面发生改变，达到切削齿的齿刃替换切削。当钻头接触井底，又开始了新一轮的切削工作。实现了刀翼全角度旋转、切削齿全角度旋转，可显著降低或消除固定切削齿边刃的严重偏磨，延长金刚石材料和切削齿的使用寿命。

本装置中的活动刀翼与切削齿共存于一个钻头之中的结构:既相对常规钻头增加切削齿的数量，又使用了切削齿全部的圆弧刀刃，而不是常规钻头的一小部分圆弧刀刃。

Claims

1.活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，是由连接部（1）、钻头主体（2）、喷嘴（3）和刀翼构成，在钻头主体（2）外表面上间隔设有喷嘴（3），其特征是在钻头主体（2）的前端至少设有一个旋转刀翼，所述的旋转刀翼是由固定刀翼（4）和活动刀翼（5）组合构成；在钻头主体（2）上固定了与其成一体的固定刀翼（4），在固定刀翼（4）的保径面间隔设有保径齿（6），在固定刀翼（4）的中心设有轴孔Ⅰ（7）、在轴孔Ⅰ（7）的内环周设有环形凸棱Ⅰ（20）使固定刀翼（4）的后面和前面分别同轴心形成螺帽槽（19）和插座槽（8），轮盘式活动刀翼（5）的中心设有轴孔Ⅱ（9），轮盘式活动刀翼（5）后面的插头（20）插于插座槽（8）内，连接轴（10）穿过轴孔Ⅱ（9）、轴孔Ⅰ（7）将活动刀翼（5）与固定刀翼（4）同轴安装，螺帽（24）套在连接轴（10）的尾端与其固定连接、并置于螺帽槽（19）内，在活动刀翼（5）的环周间隔安装有切削齿（11）。

2.如权利要求1所述的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，其特征是在活动刀翼（5）的环周间隔设有环形安装孔Ⅱ（12），切削齿（7）置于环形安装孔Ⅱ（12）内与其配合安装。

3.如权利要求1或2所述的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，其特征在于活动刀翼（5）的前面为环周翘起的碟形切削部，在切削部的环周设有环形安装孔Ⅱ（12），在环形安装孔Ⅱ（12）内设有环形凸棱Ⅱ使两侧分别形成限位槽Ⅰ（21）和安装槽Ⅱ（22），切削齿（11）置于安装槽Ⅱ（22）内，传动轮（13）的环形筒套在切削齿（11）尾部的旋转轴（18）上、且齿圈（14）置于限位槽Ⅰ（21）中将其与活动刀翼（5）安装，旋转轴（18）的尾端上设有卡槽、通过弹性挡圈（15）将其与传动轮（13）轴向固定。

4.如权利要求3所述的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，其特征在于所述的传动轮（13）为齿轮或链轮。

5.如权利要求4所述的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，其特征在于在固定刀翼（4）的环周设有限位滑道（16）与活动刀翼（5）环周翘起的碟形切削部相配合，在限位滑道（16）的内侧环周间隔设有传动齿（17），传动齿（17）与传动轮（13）的齿圈（14）相啮合。

6.如权利要求3或4所述的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，其特征在于活动刀翼（5）的前端为环周翘起的角度为a<90º。

7.如权利要求3所述的活动刀翼和活动切削齿组合联动的旋转钻头，其特征在于链轮（13）的环形筒其内为方孔、旋转轴（18）为方轴，二者相配合安装。