CN117287123A - 一种具有盘刀和可旋转切削齿的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，包括钻头体和刀翼，其特征在于，刀翼设置于钻头体上，至少一个刀翼上同时安设有旋转齿和盘刀，所述旋转齿包含中心旋转齿、衬套、旋转齿旋转轴及限位器，所述旋转齿旋转轴上设置有第一齿轮，中心旋转齿与衬套形成转动连接，旋转齿通过衬套固定于刀翼上；盘刀包括刀盘及刀盘轴，所述刀盘轴上设置有第二齿轮，盘刀与刀翼连接，盘刀旋转，旋转齿与盘刀通过齿轮啮合连接在一起。本发明大幅度提高了钻头的使用寿命，显著提高单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头钻进速度，缩短钻井周期，节约钻井成本。

Description

一种具有盘刀和可旋转切削齿的PDC钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体涉及一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头。

背景技术

聚晶金刚石齿(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。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，具有机械钻速高、寿命长和钻探安全性高等诸多优点。

近年来，随着材料及制造工艺的改进，PDC钻头对地层的适应性越来越广。传统PDC钻头的切削齿通过钎焊固定在钻头刀翼上，随着钻头的不断工作，切削齿磨损会逐渐加大，钻进机械钻速也随之降低，直至机械钻速过慢而起钻。这种传统固定的PDC切削齿钻头钻进时，只有很少部分切削刃能够接触到岩石，即切削刃的局部进行切削岩石。实际用来剪切地层岩石的切削齿边刃仅为10％-40％，而其他60％-90％的切削刃被锁定到钻头本体内不被使用，即不与地层岩石接触。剪切岩石时，相对较少的切削刃会发生一定程度的磨损，切削齿与岩石之间的摩擦作用也随之增强，导致切削齿温度升高，进而导致更大面积的磨损，钻头钻进效率大幅度降低，钻头很快失效。

盘式钻头(也称盘形钻头、碟形钻头或碟式钻头)是一种全新齿形结构的牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直或成一定螺旋角的圆环形连续或断续齿圈。盘式钻头的破岩机理不同于常规的牙轮钻头，当齿圈沿岩石磙碾时，利用大的接触应力迫使岩石破碎，形成同心圆环式的岩石破碎带。与常规三牙轮钻头相比，盘式钻头在硬、极硬、研磨性地层和深井、小井眼的钻进更为有效。

在硬地层、强塑性地层及研磨性地层中，常规的PDC齿吃入岩石困难，切削齿磨损速度快，导致钻进效率十分低下。提高PDC钻头性能的重要手段就是减轻切削齿的工作负担和形成切削齿的有效吃入。

发明内容

本发明的目的在于一方面为了降低钻头切削齿的磨损速度，提高切削齿的利用率，另一方面为了在提高切削齿吃入岩石能力的同时，降低切削齿的工作负担，提出一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，包括钻头体，包括钻头体和刀翼，刀翼设置于钻头体上，至少一个刀翼上同时安设有旋转齿和盘刀，所述旋转齿包含中心旋转齿、衬套、切削齿旋转轴及限位器，所述旋转齿旋转轴上设置有第一齿轮，中心旋转齿与衬套形成转动连接，旋转齿通过衬套固定于刀翼上；所述盘刀包括刀盘及刀盘轴，所述刀盘轴上设置有第二齿轮，盘刀与刀翼形成转动连接；旋转齿与盘刀通过齿轮啮合连接在一起。

上述方案中，盘刀在钻头扭矩的作用下做公转运动，在钻压的作用下压入岩石，同时盘刀在岩石摩擦力的作用下可绕自身轴线旋转，盘刀的旋转通过齿轮啮合带动切削齿的旋转。盘刀的自转和公转运动使盘刀以磙碾的方式破碎岩石，在井底形成环槽状破碎坑，可以对岩石形成一定的预破碎，降低岩石切削难度，从而降低PDC齿的切削效率。PDC齿的旋转运动可以使金刚石层的整个圆周都可以参与切削，以达到延长PDC齿工作寿命的目的。

作为选择，所述第一齿轮为蜗轮，所述第二齿轮为蜗杆。

上述方案中，当切削齿的旋转轴线与刀盘的旋转轴线在空间内交错时，需要用涡轮蜗杆传动，盘刀的旋转运动是驱动切削齿运动的直接动力源，即盘刀为主动件，切削齿为从动件，根据涡轮蜗杆传动的原理，在盘刀的刀盘旋转轴上设置蜗杆，在切削齿的旋转轴上设置涡轮。涡轮蜗杆传动具有传动比大，结构紧凑，传动平稳的特点。

作为选择，所述第一齿轮和第二齿轮均为锥齿轮。

上述方案中，当切削齿的旋转轴线与刀盘的旋转轴线相交时第一齿轮和第二齿轮通过锥齿轮传递运动。

作为选择，所述盘刀的刀盘为圆盘状。

上述方案中，盘刀的刀盘为圆盘状，刀盘的滚动连续性好，可使钻头工作更平稳。刀盘持续的作用于井底岩石，在井底形成同心圆环状的破碎沟槽，对井底岩石的破碎范围大。

作为选择，所述盘刀的刀盘上开设有刃槽。

上述方案中，刀盘上开设有刃槽，可减小刀盘与井底岩石的接触面积，从而增加刀盘作用于岩石时的比压，刀盘更容易压入岩石。

本发明的有益效果在于：

第一，将PDC钻头的刮切运动和盘式牙轮钻头的磙碾运动方式相结合，盘刀在井底岩石上形成破碎沟槽的同时，可以对井底岩石进行预破碎，保证切削齿有效吃入岩石，岩石的预破碎也可以减轻切削齿的切削负担，提高钻头破岩效率和切削齿寿命。

第二，盘刀与切削齿之间通过齿轮啮合连接，盘刀在岩石摩擦力的作用下进行旋转，盘刀的旋转可以带动切削齿的旋转，这样钻头在切削地层时，旋转齿端面整个圆周的切削刃都可以参与对地层的切削，提高了切削齿金刚石层的利用率，从而大幅度提高了钻头的使用寿命，显著提高单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头钻进速度，缩短钻井周期，节约钻井成本。

本发明可以达到以下两种效果。

第一，将PDC钻头的刮切运动和盘式牙轮钻头的磙碾运动方式相结合，盘刀在井底岩石上形成破碎沟槽的同时，可以对井底岩石进行预破碎，保证切削齿有效吃入岩石，岩石的预破碎也可以减轻切削齿的切削负担，提高钻头破岩效率和切削齿寿命。

第二，盘刀与切削齿之间通过齿轮啮合连接，盘刀在岩石摩擦力的作用下进行旋转，盘刀的旋转可以带动切削齿的旋转，这样钻头在切削地层时，旋转齿端面整个圆周的切削刃都可以参与对地层的切削，提高了切削齿金刚石层的利用率，从而大幅度提高了钻头的使用寿命，显著提高单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头钻进速度，缩短钻井周期，节约钻井成本。

附图说明

图1为安装有盘刀和可旋转齿的PDC钻头；

图2为可旋转齿的分解示意图；

图3为可旋转齿的剖面示意图；

图4为盘刀结构示意图；

图5为盘刀、旋转齿在刀翼上的安装关系示意图；

图6为工作原理示意图；

图7为第一齿轮和第二齿轮为锥齿轮啮合示意图；

图8为第一齿轮和第二齿轮为蜗轮蜗杆啮合示意图；

图9为盘刀上设有刃槽示意图。

图10为盘刀、多种旋转齿在刀翼上的安装关系示意图。

附图中标记相应名称：钻头—100，钻头体—101，切削齿—103，刀翼—102，旋转齿—200，盘刀—300，中心旋转齿—210，限位器—206，定位槽—207，衬套—205，耐磨层—201，基体—202，旋转齿轴—203，第一齿轮—204，环形定位槽—206，刀盘—301，盘刀轴—302，第二齿轮—303，轴承—400，刀盘旋转轴线—500，中心旋转齿旋转轴线—600，刃槽—304。第一级盘刀轴—3021，第二级盘刀轴—3022，第一级盘刀齿轮—3031，第二级盘刀齿轮—3032。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头100，包括钻头体101，切削齿103和刀翼102，刀翼102设置于钻头体101上，至少一个刀翼101上同时安设有旋转齿200和盘刀300。

如图2和图3所示，为本发明中所提供的旋转齿结构示意图和剖面示意图。本发明所提供的旋转齿200包括中心旋转齿210，限位器206及衬套205，中心旋转齿210包括耐磨层(一般为聚晶金刚石)201，基体(一般为硬质合金)202，旋转齿轴203及第一齿轮204，基体202上设置有环形定位槽206，齿轮204固定连接于旋转齿轴203上，如通过键、花键、过盈配合或在轴203上直接加工。旋转轴203通过键、花键、过盈配合或在基体202上直接加工与基体形成固定连接。衬套205为中空圆柱状，内表面加工有定位槽206。限位器206放置于定位槽206内，使衬套205与中心旋转齿210形成转动连接。

如图4所示，为本发明中所提供的盘刀结构示意图。本发明所提供的盘刀300包括刀盘301，盘刀轴302，盘刀轴302上安设有第二齿轮303。盘刀轴302通过键、花键、过盈配合或在刀盘301上直接加工与刀盘301形成固定连接。第二齿轮303通过键、花键、过盈配合或在盘刀轴302上直接加工与刀盘301形成固定连接。

盘刀300、旋转齿210在刀翼102上的安装关系如图5所示。旋转齿200通过衬套205固定连接于刀翼102上，第一齿轮204与第二齿轮303之间啮合连接，盘刀轴302与轴承400连接，轴承400固定于刀翼102上，盘刀轴302与轴承400形成转动连接。

本发明的工作过程如图6所示。刀盘301与岩石400接触，在钻头钻压和旋转扭矩的作用下，中心旋转齿210及刀盘301压入岩石400并绕钻头轴线做旋转运动。刀盘301与岩石400相互作用，刀盘301在岩石400的摩擦力的作用下进行旋转，从而带动第一齿轮303的旋转。第一齿轮204与第二齿轮303之间相互啮合，即第二齿轮303的旋转可以驱动第一齿轮204旋转，第一齿轮204固接在中心旋转齿210上，从而带动中心旋转齿的旋转，也就实现了切削齿在切削岩石的同时，还可以绕自身轴线旋转。

如图7所示，当刀盘301的旋转轴线500与中心旋转齿210的旋转轴线600相交时，第一齿轮204和第二齿轮303采用锥齿轮啮合方式。

如图8所示，当刀盘301的旋转轴线500与中心旋转齿210的旋转轴线600不相交时，第一齿轮204和第二齿轮303采用蜗轮蜗杆的啮合方式。其中第一齿轮204为蜗轮，第二齿轮303为蜗杆。

为了提高刀盘301吃入岩石的能力，可以在刀盘301上开设刃槽304，如图9所示。

一个牙轮至少和一个旋转齿通过齿轮啮合连接。如图10所示，盘刀上有两套齿轮，第一级牙轮齿轮3031和第二级牙轮齿轮3032，分别设置于盘刀上的第一级盘刀轴3021和第二级盘刀轴3022。第一级盘刀轴3021和第二级盘刀轴3022可以为直轴、挠性轴或它们的组合。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用于限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的同等变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，包括钻头体和刀翼，其特征在于，刀翼设置于钻头体上，至少一个刀翼上同时安设有旋转齿和盘刀，所述旋转齿包含中心旋转齿、衬套、旋转齿旋转轴及限位器，所述旋转齿旋转轴上设置有第一齿轮，中心旋转齿与衬套形成转动连接，旋转齿通过衬套固定于刀翼上；盘刀包括刀盘及刀盘轴，所述刀盘轴上设置有第二齿轮，盘刀与刀翼连接，盘刀旋转，旋转齿与盘刀通过齿轮啮合连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，所述第一齿轮为蜗轮，所述第二齿轮为蜗杆。

3.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，所述第一齿轮和第二齿轮均为锥齿轮。

4.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，旋转齿的旋转轴线与刀盘的旋转轴线相交时第一齿轮和第二齿轮通过锥齿轮传递运动。

5.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，所述盘刀的刀盘为圆盘状。

6.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，所述盘刀的刀盘上开设有刃槽。

7.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，中心旋转齿包括耐磨层，基体，旋转齿轴及第一齿轮，基体上设置有环形定位槽，第一齿轮204固定连接于旋转齿轴上，旋转轴与基体形成固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，旋转轴203通过键、花键、过盈配合或在基体202上直接加工与基体形成固定连接。

9.根据权利要求7所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，耐磨层为聚晶金刚石，基体为硬质合金。

10.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，其特征在于，衬套为中空圆柱状，内表面加工有定位槽，限位器放置于定位槽内，使衬套与中心旋转齿形成转动连接。