CN116816271B - 多峰齿钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多峰齿钻头，属于石油天然气、地热、物探等钻井设备技术领域，包括钻头体和多峰齿，钻头上设置有多峰齿，多峰齿由上部齿冠和下齿体组成，多峰齿的齿冠至少设置有两个齿峰。本发明多峰齿的齿冠上有多个峰谷，峰谷结构包括弧形的凸起部及与弧形凸起部连接的弧形凹陷部，其对岩石的侵入能力明显高于常规牙轮齿；多峰齿的齿冠的横向尺寸大，保证了齿刮切岩石时的面积；多峰齿的齿冠可采用耐磨性极强的金刚石类材料，大大提高齿的耐磨性。本发明的多峰齿结构可以克服复合结构钻头中牙轮的切削齿不耐磨，侵入地层能力差、破岩效率低等问题，提高钻头的使用寿命和破岩效率。

Description

多峰齿钻头

技术领域

本申请属于石油天然气、地热、物探等钻井设备技术领域，具体涉及一种多峰齿钻头。

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。复合钻头成为一种新的破岩提速方法而得到研究与应用，适用于高研磨性、不均质地层。但复合结构钻头中的牙轮或以刮切方式破岩的牙轮钻头有明显的弱点，就是切削齿的耐磨性和侵入地层的能力均不足，特别是在复合结构钻头中，问题更加突出。由于复合结构钻头的牙轮上的切削齿在牙轮自转和钻头体公转的复合运动下与岩石互作用，牙轮上的切削齿相对井底岩石的工作（刮切）方向在不断地变化。因此，至今牙轮上一直使用钢齿、硬质合金齿或齿冠非常圆钝的圆球（冠）状切削齿，如牙轮上常用的梯形台钢齿、锥球齿、球齿、勺形齿、楔形齿等，其齿冠部的面积较大或过渡圆滑，侵入性能差。这不仅使牙轮切削齿的使用寿命及钻头的使用寿命，远不及采用金刚石类切削齿的钻头，而且导致牙轮侵入地层的能力非常弱，破岩效率低下。以上因素也是导致牙轮钻头使用比例越来越低的主要原因之一。

发明内容

本申请的目的是克服以上阐述的钻头切削齿不耐磨，侵入地层能力差、破岩效率低等问题，提供一种多峰齿钻头，提高钻头的使用寿命和破岩效率。

本申请的目的通过下述技术方案来实现：

一种多峰齿钻头，包括钻头体和多峰齿，钻头上至少设置有一颗多峰齿，多峰齿由上部齿冠和下齿体组成，多峰齿的齿冠至少设置有两个齿峰，齿峰的最大间距a不小于下齿体横向最大尺寸b的50%，即a≥0.5b；齿峰的最大高度c≥a/2n，且1mm≤c≤0.5b，其中n为齿峰数量；多峰齿的相邻齿峰的峰间空当e的范围是0.2c≤e≤3c，且1mm≤e≤0.5b；齿峰的侧角α的范围满足：4°≤α≤67.5°；多峰齿的出露高度f不大于多峰齿的总高h的60%，即f≤0.6h。

横向最大尺寸是指横向（垂直于齿的轴线方向）上的最大尺寸。

多峰齿的齿峰最大间距a是指横向上齿峰的最大尺寸（距离）。

多峰齿的齿峰高度是指齿峰顶到该齿峰邻近的峰谷谷底的轴向（沿齿的轴线方向）距离。齿峰的最大高度c是指齿峰顶到该齿峰邻近的峰谷谷底的轴向距离中，最大值者。

多峰齿的相邻齿峰的峰间空当e是指相邻齿峰二分之一齿峰高度处的横向（垂直于齿的轴线方向）最近距离。

齿峰的侧角是指齿侧面母线与齿轴线的夹角。

多峰齿的出露高度是指多峰齿装配在牙轮上或钻头体上其齿顶到牙轮或钻头体表面的距离。

作为优选，所述多峰齿的上部齿冠材料硬度不低于下齿体的材料硬度。作为优选，钻头体上设置有牙轮，牙轮上布置有多峰齿，多峰齿以齿冠远离牙轮本体朝外的方式布置在牙轮上。作为优选，钻头体上设置有固定切削结构，多峰齿以齿冠远离钻头体朝外的方式布置在钻头体上。作为进一步优选，钻头体上设置有固定切削结构和牙轮组成复合钻头结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明钻头上采用多峰齿，多峰齿的齿冠上有多个峰谷，峰谷结构包括凸起部（峰）和凹陷部（谷），多峰齿对岩石的侵入能力明显高于冠部为钝头结构或圆球形结构（如锥球齿、球齿、勺形齿、楔形齿等）的常规牙轮齿，因此本发明钻头上或钻头的牙轮上采用多峰齿能明显提高钻头侵入地层的能力。

（2）本发明多峰齿的齿冠为多个齿峰，齿峰具有一定距离，即齿冠为多个较尖的凸峰，齿峰与齿峰之间为空白带（凹陷部）。钻头破岩工作时，牙齿齿冠以较小面积的多点作用在岩石上，较尖的凸峰作用面积小，比压大，易于侵入岩石。峰与峰之间留有空白带（较小的间距），多峰侵入岩石后会引起岩石的破碎、崩损和裂纹扩展，较小距离的尖峰侵入岩石，将使尖峰处、尖峰周边，以及尖峰之间发生破碎和损伤，可实现较大区域的岩石破碎效果。多峰齿多个齿峰的结构，能产生多点的点载荷侵入，实现应力集中，和破岩损伤干涉，形成体积破碎和损伤。因此，本发明多峰齿的齿形结构能明显提高切削齿侵入岩石的能力和破岩能耗，破岩效率将明显高于常规齿型。

本发明中，齿峰的最大间距a不小于下齿体横向最大尺寸b的50%，即a≥0.5b。齿峰的最大间距a较大，能保证齿冠具有较大的作用区域，较大程度提高钻头破岩效率。

本发明中，齿峰的最大高度c≥a/2n，且1mm≤c≤0.5b。齿峰高度不宜太矮，一定的齿峰高能保证齿峰出露，避免齿峰稍吃入岩石后就触及齿峰间的峰谷，减弱切削齿的整体侵入性能。齿峰高度也不宜太高，以免降低齿峰强度。

本发明中，多峰齿的相邻齿峰的峰间空当e的范围是0.2c≤e≤3c，且1mm≤e≤0.5b，相邻齿峰的峰间需要合理的空当。由于岩石具体孔隙性、不连续性、不均质性、具体一定脆性等特点，峰间空当e≥0.2c且e≥1mm，峰间留有一定的空挡空间，相近齿峰作用于岩石后，齿峰对应的岩石产生破碎坑和裂纹扩展，峰与峰之间空挡处的岩石会产生自然崩损破碎，相近齿峰作用下的岩石更易于脆崩和裂纹干涉及贯通，有利于提高破岩效率。峰间空当e≤3c且e≤0.5b，空挡不宜过大，太大的空挡使齿峰各自独立作用破碎岩石，不易发生相互干涉促进作用，发挥不出多峰协调相互增益的效果。

（3）多峰齿的齿冠上设置一定间隔的齿峰，齿峰分布有一定跨度，保证了多峰齿齿冠部与岩石互作用时，侵入地层岩石后的工作面积，一定的齿峰间距保证了切削齿破岩互作用面积，破岩效率高。因此，本发明的多峰齿齿冠结构，具有破岩面积大，侵入性能强的优势，能显著提高钻头的破岩效率和钻井速度。

（4）多峰齿以齿冠远离牙轮本体朝外的方式布置在牙轮上，齿冠与岩石接触破岩，齿冠的硬度和耐磨性决定切削齿和钻头的耐磨性和使用寿命，齿冠的下部齿柱部分与牙轮固接，切削齿工作时需要较好的强度，即下齿体要求具有更好的抗弯强度和抗冲韧性。因此，多峰齿的齿冠的材料硬度高于下齿体的材料硬度，能更好地到达齿冠硬度高耐磨性强，齿柱抗弯抗冲击性能强的效果，实现寿命长可靠性高的目的。

作为优选，钻头体上只设置有一个牙轮。作为优选，所述钻头为单牙轮钻头。作为优选，所述单牙轮钻头为球形单牙轮钻头。作为优选，所述单牙轮钻头的牙轮恒接触区上设置有多峰齿。作为优选，所述单牙轮钻头的牙轮恒接触区和交替接触区上均设置有多峰齿。作为进一步优选，所述单牙轮钻头的牙轮上的主切削齿全为多峰齿。作为优选，所述多峰齿的齿峰数为2-7个。作为优选，所述多峰齿的齿峰数为2-5个，所述齿峰排成一排。作为进一步优选，所述多峰齿的齿峰数为3或4个，所述齿峰形成三角形或四边形。作为优选，所述多峰齿的齿峰的峰顶在同一直线上或同一个圆弧上。

作为优选，所述多峰齿的材料为硬质合金、立方碳化硼、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石、陶瓷、金刚石复合材料、聚晶金刚石复合材料中的一种或两至三种的复合材料，或齿顶区域乃至齿冠表面用聚晶金刚石或耐磨合金做表面加强的齿材。或齿冠含有硬质合金、立方碳化硼、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石或陶瓷材料，下齿体为硬质合金。

单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿（切削齿）对岩石的挤压刮切作用破岩，牙轮上的切削齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头牙轮上的切削齿一部分（牙轮前端）始终与井底接触破岩，一部分切削齿轮换与井底接触破岩，这就把单牙轮钻头的牙轮分成了恒接触区（牙轮前端，如图6的42）和交替接触区（如图6的43）。现有单牙轮钻头上一般使用硬质合金的楔形齿、锥球齿或金刚石复合而成的锥球齿、球头齿，这些齿要么不耐磨，寿命短，要么齿冠过渡圆滑，齿顶粗钝，侵入地层性能极弱。特别是在牙轮的恒接触区上，一般采用齿冠圆钝的球头齿，提高恒接触区的耐磨性，减缓恒接触区磨损快的难题，但减弱了钻头侵入地层的能力和破岩效率。本发明的多峰齿应用在单牙轮钻头上，充分利用多峰齿的侵入能力，并采用齿冠为耐磨性极强的金刚石类材料的多峰齿，将能明显提高单牙轮钻头的钻井破岩效率和使用寿命。单牙轮钻头的牙轮恒接触区上设置多峰齿，可明显提高牙轮恒接触区侵入地层的能力和耐磨性，弥补牙轮恒接触区磨损快而易钝化减速以及使用寿命短的弱点。牙轮恒接触区和交替接触区上均使用多峰齿，将最大限度地增强钻头的攻击性和耐磨性，进而提高钻头的破岩效率和使用寿命。

附图说明

图1是本发明多峰齿钻头为复合钻头时的示意图；

图2是图1所示复合钻头沿轴线看时的视图；

图3是本发明多峰齿钻头的多峰齿为两个齿峰时的示意图；

图4是本发明多峰齿钻头的多峰齿结构示意图；

图5是本发明多峰齿钻头为单牙轮钻头时的示意图；

图6是单牙轮钻头的牙轮与井底岩石接触时的接触区域划分示意图；

图7是本发明多峰齿钻头的多峰齿为三个齿峰时的示意图；

图8是本发明多峰齿钻头的多峰齿为四个齿峰时的示意图；

图9是图7所示多峰齿从齿冠端沿齿的轴线看时的视图；

图10是本发明多峰齿钻头的多峰齿为五个齿峰时的示意图；

图11是本发明多峰齿钻头的多峰齿为六个齿峰时的示意图；

图12是本发明多峰齿钻头的多峰齿齿峰的峰顶在同一个圆弧上时的示意图；

图13是本发明多峰齿钻头的多峰齿的齿冠为柱状时的示意图；

图14是本发明多峰齿钻头的钻头上设置有固定切削结构的复合切削结构钻头Ⅰ的示意图；

图15是本发明多峰齿钻头的钻头上设置有固定切削结构的复合切削结构钻头Ⅱ的示意图；

附图标记：1-钻头体；11-钻头体的固定切削结构；2-多峰齿，21-多峰齿的上部齿冠，22-多峰齿的下齿体；3-牙轮；4-单牙轮钻头，41-单牙轮钻头的钻头体，42-恒接触区，43-交替接触区； 5-复合切削结构钻头Ⅰ，51-复合切削结构钻头Ⅰ的固定切削结构，52-复合切削结构钻头Ⅰ的牙轮；6-复合切削结构钻头Ⅱ，61-复合切削结构钻头Ⅱ的固定切削结构，62-复合切削构钻头Ⅱ的牙轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例一：参考图1、图2、图3、图4所示，一种多峰齿钻头，包括钻头体1和多峰齿2。钻头上至少设置有一颗多峰齿2，多峰齿2由多峰齿的上部齿冠21和多峰齿的下齿体22组成，多峰齿的上部齿冠21至少设置有两个齿峰，齿峰的最大间距a不小于多峰齿的下齿体22横向最大尺寸b的50%，即a≥0.5b，齿峰的最大高度c≥a/2n，且1mm≤c≤0.5b，其中n为齿峰数量，多峰齿的相邻齿峰的峰间空当e的范围是0.2c≤e≤3c，且1mm≤e≤0.5b，齿峰的侧角α的范围满足：4°≤α≤67.5°（图4），多峰齿的出露高度f不大于多峰齿的总高h的60%，即f≤0.6h；

作为优选，多峰齿的上部齿冠21的材料硬度高于多峰齿的下齿体22的材料硬度；

作为优选，多峰齿的上部齿冠21材料为硬质合金、立方碳化硼、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石或陶瓷材料，或多峰齿的上部齿冠21含有硬质合金、立方碳化硼、聚晶金刚石、热稳定聚晶金刚石或陶瓷材料，多峰齿的下齿体22为硬质合金；

作为优选，钻头体1上设置有牙轮3，牙轮3上布置有多峰齿2，多峰齿的上部齿冠21以远离牙轮3本体朝外的方式布置在牙轮3上；

作为优选，钻头体1上设置有钻头体的固定切削结构11，多峰齿的上部齿冠21以远离钻头体1朝外的方式布置在钻头体1上；

作为进一步优选，钻头体1上设置有钻头体的固定切削结构11和牙轮3组成复合钻头结构（图1、图2）。

实施例二：参考图5、图6所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：钻头体上只设置有一个单牙轮钻头的钻头体41；

作为优选，钻头为单牙轮钻头4；

作为优选，单牙轮钻头4为球形单牙轮钻头；

作为优选，单牙轮钻头4的牙轮恒接触区42上设置有多峰齿2；

作为优选，单牙轮钻头的牙轮恒接触区42和交替接触区43上均设置有多峰齿2；

作为进一步优选，单牙轮钻头的钻头体41上的主切削齿全为多峰齿2（图5）。

实施例三：参考图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：多峰齿2的齿峰数为2-7个（图7、图8、图9、图10、图11）；

作为优选，多峰齿2的齿峰数为2-5个，所述齿峰排成一排；

作为优选，多峰齿2的齿峰数为3或4个，所述齿峰形成三角形或四边形（图8、图9）；

作为优选，多峰齿2的齿峰的峰顶在同一直线上或同一个圆弧上（图12）；

作为优选，多峰齿的上部齿冠21为锥台或柱体（图13）。

实施例四：参考图14、图15所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：钻头体上设置有复合切削结构钻头Ⅰ的固定切削结构51，其与复合切削结构钻头Ⅰ的牙轮52形成复合切削结构钻头Ⅰ5（图14）；

作为优选，钻头体上设置有复合切削结构钻头Ⅱ的固定切削结构61，复合切削结构钻头Ⅱ6上设置有2个复合切削构钻头Ⅱ的牙轮62（图15）。

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 (8)

1.一种多峰齿钻头，包括钻头体和多峰齿，其特征在于：钻头上至少设置有一颗多峰齿，所述多峰齿由上部齿冠和下齿体组成，所述多峰齿的齿冠至少设置有两个齿峰；

所述多峰齿的齿冠为多个齿峰，齿峰具有一定距离，齿冠为多个较尖的凸峰，齿峰与齿峰之间为空白带；

所述多峰齿的齿峰的最大间距a不小于下齿体横向最大尺寸b的50%，即a≥0.5b；

所述多峰齿的齿峰的最大高度c≥a/2n，且1mm≤c≤0.5b，其中n为齿峰数量；

所述多峰齿的相邻齿峰的峰间空当e的范围是0.2c≤e≤3c，且1mm≤e≤0.5b；

所述多峰齿的齿峰的侧角α的范围满足：4°≤α≤67.5°；

所述多峰齿的出露高度f不大于多峰齿的总高h的60%，即f≤0.6h；

所述钻头体上设置有牙轮，所述牙轮上布置有多峰齿，所述多峰齿以齿冠远离牙轮本体朝外的方式布置在牙轮上；或所述钻头体上设置有固定切削结构，所述多峰齿以齿冠远离钻头体朝外的方式布置在钻头体上。

2.根据权利要求1所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述多峰齿的上部齿冠的材料硬度不低于下齿体的材料硬度。

3.根据权利要求1所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述钻头体上设置有固定切削结构和牙轮组成复合钻头结构。

4.根据权利要求1所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述钻头体上只设置有一个牙轮。

5.根据权利要求1所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述多峰齿的齿峰数为2-7个。

6.根据权利要求5所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述多峰齿的齿峰数为2-5个，所述齿峰排成一排。

7.根据权利要求5所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述多峰齿的齿峰数为3或4个，所述齿峰形成三角形或四边形。

8.根据权利要求6所述的多峰齿钻头，其特征在于：所述多峰齿的齿峰的峰顶在同一直线上或同一个圆弧上。