CN203640608U - 一种具有内锥的复合式单牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有内锥的复合式单牙轮钻头，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，包括钻头体（1）、牙轮（2）、牙轮前固定切削结构（3），所述牙轮（2）上布置有牙轮切削齿（5），所述牙轮前固定切削结构（3）上布置有固定切削齿（6），所述钻头体（1）上设置有轴颈（4），所述牙轮（2）与所述轴颈（4）形成转动连接，所述牙轮前固定切削结构（3）与所述轴颈（4）的前端固定连接，所述牙轮前固定切削结构（3）上设置有内锥（31）。本实用新型是一种具有内锥的复合式单牙轮钻头，提高钻头破岩效率的同时增加钻头使用寿命和钻头工作稳定性。

Description

一种具有内锥的复合式单牙轮钻头

技术领域

本实用新型属于石油天然气、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，具体的讲涉及一种具有内锥的复合式单牙轮钻头。

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。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和PDC（聚晶金刚石复合片）钻头。

牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削齿钻头。

单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压切削作用破岩，牙轮上的牙齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头牙轮上的牙齿一部分（牙轮前端）始终与井底接触破岩，一部分牙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3、图4的21）和交替接触区（如图3、图4的22）。

对于恒接触区（牙轮前端）21的切削齿来讲，其寿命往往低于交替接触区22，因为恒接触区21的切削齿始终处于工作状态（如图3、图4），牙轮前端的转动不能给其上的切削齿带来轮换的效果。同时由于单牙轮钻头主要以网状刮切形式破岩，钻头钻进过程中牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断的变化，这使单牙轮钻头上无法应用极适合于以刮切形式破岩的聚晶金刚石复合片（PDC齿）。原因在于聚晶金刚石复合片（PDC齿）是由基体和聚晶金刚石层两部分组成，对岩石起主要刮削效果的是聚晶金刚石层，如果PDC齿在工作过程中受力方向变化幅度过大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命。

因此，现有单牙轮钻头上的切削齿一般为硬质合金齿。单牙轮钻头在井底工作时，牙轮上的牙齿磨损不均匀，其恒接触区（牙轮前端）的切削齿磨损较快、最严重，这使钻头机械钻速下降，钻头寿命降低。

现今，无运动部件、耐磨且寿命长的PDC（聚晶金刚石复合片）钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片（即PDC齿）按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。在理想工作条件（即钻头中心线与井眼中心线重合的条件）下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有三方面的缺点：

第一，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象（当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象）的发生。

第二，钻头上个别齿的失效（齿的脱落、断裂或过度磨损等）会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。

第三，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域（特别是钻头半径的外1/3区域）的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种具有内锥的复合式单牙轮钻头，提高钻头破岩效率的同时增加钻头使用寿命和钻头工作稳定性。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现： 

一种具有内锥的复合式单牙轮钻头，包括钻头体、牙轮、牙轮前固定切削结构，所述牙轮上布置有牙轮切削齿，所述牙轮前固定切削结构上布置有固定切削齿，所述钻头体上设置有轴颈，所述牙轮与所述轴颈形成转动连接，所述牙轮前固定切削结构与所述轴颈的前端固定连接，所述牙轮前固定切削结构上设置有内锥。

钻头工作时，在上部钻柱的驱动下，钻头绕钻头轴线旋转运动，固定切削结构上的切削齿在钻头体的带动下，绕钻头轴线旋转刮切破岩。钻头体旋转时，牙轮绕钻头轴线公转的同时，还会绕其自身的轴线（轴颈）自转，牙轮上的切削齿在上述复合运动下与岩石互作用破碎岩石。

作为选择1，所述牙轮的轴倾角α的范围是45°＜α≤90°。牙轮的轴倾角α是指牙轮轴线与垂直于钻头轴线的平面之间的夹角（如图4、5、6）。

如图4所示，当牙轮的轴倾角α＜45°时，牙轮前固定切削结构将不过钻头中心；如图5所示，当牙轮的轴倾角α＞45°时，牙轮前固定切削结构将过钻头中心。

根据单牙轮钻头的结构特点。若α＜45°，牙轮前固定切削结构将不过钻头中心，钻头心部区域的岩石将由牙轮上的部分切削齿来负责破碎。由于钻头工作时牙轮会自转，其上的切削齿为非固定切削齿，牙轮上负责破碎钻头心部区域的切削齿还会参与钻头心部以外区域的岩石的破碎，这部分切削齿参与破岩的任务量最大，能覆盖到的区域也最大。而钻头心部以外区域既有固定切削齿的刮切，又有牙轮切削齿的刮切，参与心部以外区域岩石破碎的切削齿较多，且心部以外区域为高效的交叉刮切破碎方式。钻头心部只有牙轮上的部分切削齿负责破碎，这部分牙轮切削齿的磨损速度将明显快于其他切削齿，当其有较明显的磨损后，钻头心部将难以破碎，这将显著降低钻头的钻进速度。

牙轮前固定切削结构与轴颈的前端固定连接，形成固定切削结构，牙轮（轴颈）的轴倾角α的范围在45～90°。如图5所示，固定切削结构过钻头的中心，钻头心部区域由固定切削结构覆盖，钻头心部附近的岩石由固定切削结构上的固定切削齿负责破碎；心部以外（至钻头外径）区域由固定切削结构和牙轮共同覆盖、共同负责破碎。固定切削结构上处在钻头心部的区域上设置有内锥（如图6）。

作为选择2，所述牙轮的轴倾角α的范围是60°≤α＜90°。更进一步选择，所述牙轮的轴倾角α的范围是70°≤α＜90°。

作为选择3，所述牙轮前固定切削结构及轴颈内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔。喷嘴孔上可根据需要安装喷嘴。

作为选择4，所述牙轮与牙轮前固定切削结构组合为球形轮廓结构。

作为选择5，所述钻头体上设置有切削齿。钻头体上设置切削齿有利于钻头的保径。

所述牙轮切削齿、固定切削齿和钻头体上的切削齿可选为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：

（1）本实用新型的牙轮前固定切削结构上设置有内锥，如图1、6、9所示，钻头旋转工作时，钻头中心区域上的内锥将在井底钻出与内锥相吻合的井底凸锥形貌。钻头心部凸起的岩石锥体有利于钻头与井底岩石的稳定贴合，有利于钻头旋转钻进时的稳定，能减少钻头钻进工作时的振动。固定切削齿多为金刚石类切削齿，振动冲击损坏是固定切削齿损坏的主要形式之一。本实用新型内锥的存在能明显减小钻头的振动，减小切削齿的冲击损坏、牙轮壳体及牙轮轴承的冲击载荷，增强钻头的工作稳定性，并提高钻头切削齿、牙轮、轴承的使用寿命，从而提高钻头的使用寿命。

（2）本实用新型的牙轮前固定切削结构上设置有内锥（图1、6、9），其能增加钻头心部的布齿面积，能为心部提供更多的布齿空间，因此能提高钻头的切削结构的使用寿命，从而延长钻头的使用寿命。

（3）α在45～90°之间时，固定切削结构过钻头的中心，钻头心部区域由固定切削结构覆盖，钻头心部附近的岩石由固定切削结构上的固定切削齿负责破碎，心部以外（至钻头外径）区域由固定切削结构和牙轮共同覆盖、共同负责破碎，心部以外破岩任务量大的区域形成交叉刮切，钻头破岩效率高。钻头心部由耐磨性极强的金刚石类（特别是PDC）固定切削齿来破碎，心部以外由固定切削齿和牙轮切削齿形成交叉刮切共同破碎，这不仅能使钻头上的切削齿达到磨损均衡，而且还能克服因牙轮切削齿不耐磨而过快磨损或牙轮切削齿失效而引起的钻头早起失效。因为固定切削结构上的固定切削齿从钻头中心到外径均能覆盖，即使牙轮切削齿有严重磨损或部分失效，钻头仍能继续钻进。因此，取α在45～90°之间，能很好地发挥具有内锥的复合式单牙轮钻头的复合切削结构的优势。

前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案。如选择1-5间可以任意相互组合，并与在主方案进一步组合，等等，本领域技术人员在了解本实用新型方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，在此不做穷举。

本实用新型的有益效果：能明显提高钻头的破岩效率的同时，能延长钻头切削齿的寿命及轴承的寿命，进而延长钻头使用寿命，增强钻头的工作稳定性。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1、2为本实用新型的结构示意图。

图3为本实用新型的牙轮剖开后的结构示意图。

图4为牙轮轴倾角α＜45°时牙轮与井底接触区域的示意图。

图5为牙轮轴倾角α在45～90°之间时牙轮与井底接触区域的示意图。

图6为本实用新型牙轮轴倾角α在45～90°之间且固定切削结构上设置有内锥时，牙轮及固定切削结构与井底接触的示意图。

图7为在本实用新型固定切削结构上的固定切削齿和牙轮上的非固定切削齿共同作用下，钻头在井底刮切出的复杂交错网状刮痕示意图。

图8为图2的左视图。

图9为本实用新型沿着牙轮轴线从固定切削结构向牙轮方向看的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。

基本例：如图1、2、3、6、7、8、9所示，一种具有内锥的复合式单牙轮钻头，包括钻头体1、牙轮2、牙轮前固定切削结构3，牙轮2上布置有牙轮切削齿5，牙轮前固定切削结构3上布置有固定切削齿6，钻头体1上设置有轴颈4，牙轮2与轴颈4形成转动连接，牙轮前固定切削结构3与轴颈4的前端固定连接，牙轮前固定切削结构3上设置有内锥31。作为基本例的选择一：如图5、6所示，牙轮2的轴倾角α的范围是45°＜α≤90°。更优选，牙轮2的轴倾角α的范围是60°≤α＜90°，进一步优选，牙轮2的轴倾角α的范围是70°≤α＜90°。作为基本例的选择二：如图1、8、9所示，牙轮前固定切削结构3及轴颈4内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔9。喷嘴孔上可根据需要安装喷嘴。

牙轮前固定切削结构3及轴颈4内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔9能为固定切削结构3提供水力，有利于固定切削结构3刮切破岩时产生的岩屑的及时带走及切削齿和井底的清洗，有利于切削齿的充分冷却。喷嘴孔9上可根据需要安装喷嘴。

作为基本例的选择三：如图1、2、3、5、6、8、9所示，牙轮2与牙轮前固定切削结构3的组合为球形轮廓结构。

作为基本例的选择四：钻头体上设置有切削齿（图中未示出）。

前述本实用新型基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本实用新型可采用并要求保护的实施例。比如，如选择1-4间可以任意相互组合，并与基本例进一步组合，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有内锥的复合式单牙轮钻头，包括钻头体（1）、牙轮（2）、牙轮前固定切削结构（3），所述牙轮（2）上布置有牙轮切削齿（5），所述牙轮前固定切削结构（3）上布置有固定切削齿（6），所述钻头体（1）上设置有轴颈（4），所述牙轮（2）与所述轴颈（4）形成转动连接，其特征在于：所述牙轮前固定切削结构（3）与所述轴颈（4）的前端固定连接，所述牙轮前固定切削结构（3）上设置有内锥（31）。

2.如权利要求1所述的具有内锥的复合式单牙轮钻头，其特征在于：所述牙轮（2）的轴倾角α的范围是45°＜α≤90°。

3.如权利要求2所述的具有内锥的复合式单牙轮钻头，其特征在于：所述牙轮（2）的轴倾角α的范围是60°≤α＜90°。

4.如权利要求3所述的具有内锥的复合式单牙轮钻头，其特征在于：所述牙轮（2）的轴倾角α的范围是70°≤α＜90°。

5. 如权利要求1所述的具有内锥的复合式单牙轮钻头，其特征在于：所述牙轮前固定切削结构（3）及轴颈（4）内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔（9）。

6.如权利要求1所述的具有内锥的复合式单牙轮钻头，其特征在于：所述牙轮（2）与牙轮前固定切削结构（3）的组合为球形轮廓结构。

7.如权利要求1所述的具有内锥的复合式单牙轮钻头，其特征在于：所述钻头体（1）上设置有切削齿。

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