CN213510451U - 一种复合钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种复合钻头，包括：钻头基体；至少一个牙轮，各个牙轮通过一个相应的牙爪固定在所述钻头基体上；以及，设置在所述牙轮上的切削齿，所述切削齿在所述牙轮上组成多个齿圈。本实用新型的复合钻头能在不增加布齿密度的情况下，增加钻头的耐磨性和攻击性。这样不仅提高钻头破岩效率而且提高了钻头的使用寿命。同时本实用新型的复合钻头具有更强的地层适应性。

Description

一种复合钻头

技术领域

本实用新型涉及一种复合钻头。

背景技术

在石油和天然气的钻井过程中，常用的两种钻头是PDC钻头和牙轮钻头。其中，PDC钻头以刮切方式破岩，在深部硬地层以及软硬交错夹层中的适应性差。而且，PDC钻头的钻齿易受冲击而损坏，导致钻头的寿命较短。而牙轮钻头是以冲压的方式破岩，其能量利用率低，在深部地层的机械钻速慢。

而随着石油天然气的开采向深部地层发展，钻进的深度也会越来越大，地层条件也会越来越复杂。鉴于以上问题，美国休斯公司提出一种由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成的牙轮-PDC复合钻头。该钻头在钻进过程中，牙轮切削齿以冲击压碎的方式破岩，在井底造出凹坑，PDC固定切削结构在凹凸不平的井底刮切破岩。牙轮切削齿造坑的作用辅助PDC齿吃入地层，能明显提高钻头的破岩效率和钻进速度。

但是，这种符合钻头牙轮上的切削齿一般是硬质合金齿，其耐磨性远不及PDC齿。在硬地层、研磨性地层或软硬交错的地层中钻进时，牙轮切削齿往往会先被磨钝，导致牙轮的攻击性明显降低，造坑效果下降，钻头钻速降低，地层适应性也变差。同时，牙轮切削齿磨钝后钻头的钻进效率明显降低。因此，硬地层中通常通过增加布齿密度来增加钻头的耐磨性和寿命，但布齿密度太高会影响钻头的攻击性，降低钻头的钻进速度，这样在钻头寿命和钻头攻击性给钻头上的布齿密度选择带来了矛盾。

实用新型内容

针对如上所述的技术问题，本实用新型旨在提出一种复合钻头。本实用新型的复合钻头能在不增加布齿密度的情况下，增加钻头的耐磨性和攻击性。这样不仅提高钻头破岩效率而且提高了钻头的使用寿命。同时，本实用新型的复合钻头具有更强的地层适应性。

根据本实用新型的一种复合钻头，包括：钻头基体；至少一个牙轮，各个牙轮通过一个相应的牙爪固定在所述钻头基体上；以及，设置在所述牙轮上的切削齿，所述切削齿在所述牙轮上组成多个齿圈。

其中，在所述牙轮上至少有一个齿圈具有至少两种不同高度的切削齿。

在一个优选的实施例中，在同一齿圈上均匀相间地设置有较低高度的低切削齿和较高高度的高切削齿。

在一个优选的实施例中，所述高切削齿的高度设置为低切削齿高度的1.1-1.3倍。

在一个优选的实施例中，在同一齿圈内，所述高切削齿的齿数设置为总齿数的20％-80％。

在一个优选的实施例中，在同一齿圈内，所述高切削齿和低切削齿每隔一颗地或每隔两颗地相间布置。

在一个优选的实施例中，所述切削齿和切削齿设置为锥形。

在一个优选的实施例中，设置有两个径向上相对的牙轮。

在一个优选的实施例中，所述高切削齿的高度设置为低切削齿高度的1.2倍，在同一齿圈内，所述高切削齿的齿数设置为总齿数的33％。

在一个优选的实施例中，所述复合钻头还包括设置在所述钻头基体上的至少一个刀翼。

在一个优选的实施例中，在所述钻头基体上设置了相间布置的两个牙轮和两个刀翼。

附图说明

下面将参照附图对本实用新型进行说明。

图1示意显示了根据本实用新型的一种复合钻头的示意图。

图2为图1所示复合钻头的牙轮上的任意一齿圈的示意图。

在本申请中，所有附图均为示意性的附图，仅用于说明本实用新型的原理，并且未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面通过附图来对本实用新型进行介绍。

图1显示了根据本实用新型的一种复合钻头100。如图1所示，所述的复合钻头100包括钻头基体10，在所述的钻头基体10内具有连接部(未示出)，用于连接在钻具(未示出)上。

如图1所示，在所述钻头基体10上设置有至少一个牙爪15，在牙爪15的外壁上设置有圆形的连接孔25，所述连接孔用于与钻具(未示出)相连接。同时，在所述牙爪15的内壁上设置有半球状的牙轮30。在所述牙轮30径向上均匀地分布有若干齿圈35，每个齿圈35上均匀的设置有切削齿20。

同时，在所述钻头基体10上设置有至少一个刀翼40，所述刀翼40的外壁上也均匀地设置有切削齿20。

如图1所示，在所述牙轮30上，至少有一个齿圈35具有至少两种不同高度的切削齿20。在一个优选的实施例中，在所述牙轮30上具有两种不同高度的切削齿20，即具有较低高度的低切削齿21和具有较高高度的高切削齿22。在本文中，用语“切削齿的高度”指的是低切削齿21或高切削齿22从牙轮30的外表面上露出的高度。在一个优选的实施例中，所述高切削齿22的高度设置为低切削齿21高度的1.1-1.3倍。

并且，所述高切削齿22与低切削齿21相间地布置，使得牙轮30与岩石的互相作用更为均衡，进而保证牙轮30的受力均衡。在这一标准下，本领域的设计人员可根据复合钻头的尺寸和地层环境来自由设计本实用新型的复合钻头100的切削齿的布齿密度和高度。

在一个优选的实施例中，在所述钻头基体10上设置有两个所述的牙爪15和刀翼40，其沿周向均匀相间地分布在所述钻头基体10上。

图2为图1所示复合钻头100的牙轮20上任意一齿圈25的示意图。如图2所示，在同一齿圈25内，所述低切削齿21和低切削齿21均匀地相间排列。并且，所述高切削齿22的齿数设置为同一齿圈总齿数的20％-80％。用语“相间排列”例如包含高切削齿22与低切削齿21每隔一颗相间布置的情况，以及高切削齿22与低切削齿21每隔两颗相间布置的情况。例如，在图2所示的具体实施例中，该齿圈25包括4个低切削齿21和8个高切削齿22。

在一个优选的实施例中，所述高切削齿22的高度设置为低切削齿21高度的1.2倍。在同一齿圈35内，所述高切削齿22的齿数设置为总齿数的33％，其与低切削齿21每隔两颗相间布置。试验结果证明，这种布齿方式能够显著提高复合钻头100的使用寿命和钻进效率。

以下简述根据本实用新型的复合钻头100的使用过程。

根据本实用新型的复合钻头100通过连接孔25连接在钻具上，在钻具的带动下进行旋转钻进作业。在复合钻头100的牙轮30滚动破岩的过程中，由于同一齿圈35上的切削齿20具有不同的高度，因此当高切削齿22以正常的吃深钻进时，低切削齿21只是部分与地层接触或不与地层接触，处于不受力或少受力状态。在这种钻进状态下，相较于高切削齿22，这部分低切削齿21的磨损得以减缓，从而处于储备状态。

随着钻进过程的进行，当以正常的吃深钻进的高切削齿22被磨损后，其高度降低，此时其与处于储备状态的低切削齿21具有相近似的高度。这时，低切削齿21才参与工作，弥补高切削齿22的钝化，使牙轮保持较强的攻击性。通过这种方式，减缓钻头的钝化速度，延长钻头的使用寿命。

并且，这种高低布齿的结构能更好地适应软硬夹层。即，当钻进较硬的地层时，由牙轮上的高切削齿22冲压地层岩石，部分低切削齿21由于接触不到底层，因此不参与破岩或以较小的吃深来破岩。这样，能够提高牙轮牙齿对地层的压入能力，增强牙轮及钻头对硬地层的攻击性，进而提高钻头在硬地层的钻进效率。而当钻进软地层时，由于地层较软可以变形，因此高切削齿22和低切削齿21可以同时与地层相接触进行破岩工作。而此时高切削齿22压入更深，这样能够提高破岩效率。

除此以外，本实用新型的这种高低布齿的结构可以在牙轮30的滚动过程中，使牙轮30上高度不同的切削齿20压入井底岩石时的凹坑深浅不一致。这样就能增加井底岩石与牙轮30接触面的凹凸不规则性。因此，在破岩的过程中，能够更好的释放岩石内应力，进而有利于切削齿20的吃入刮切，提高破岩效率。

最后应说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施方案而已，并不构成对本实用新型的任何限制。尽管参照前述实施方案对本实用新型进行了详细的说明，但是对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合钻头，其特征在于，包括：

钻头基体(10)；

至少一个牙轮(30)，各个牙轮(30)通过一个相应的牙爪(15)固定在所述钻头基体(10)上；以及，

设置在所述牙轮(30)上的切削齿(20)，所述切削齿(20)在所述牙轮(30)上组成多个齿圈(35)；

其中，在所述牙轮(30)上至少有一个齿圈(35)具有至少两种不同高度的切削齿(20)。

2.根据权利要求1所述的复合钻头，其特征在于，在同一齿圈(35)上均匀相间地设置有较低高度的低切削齿(21)和较高高度的高切削齿(22)。

3.根据权利要求2所述的复合钻头，其特征在于，所述高切削齿(22)的高度设置为低切削齿(21)高度的1.1-1.3倍。

4.根据权利要求2所述的复合钻头，其特征在于，在同一齿圈(35)内，所述高切削齿(22)的齿数设置为总齿数的20％-80％。

5.根据权利要求2所述的复合钻头，其特征在于，在同一齿圈(35)内，所述高切削齿(22)和低切削齿(21)每隔一颗地或每隔两颗地相间布置。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的复合钻头，其特征在于，所述切削齿(20)设置为锥形。

7.根据权利要求1到5中任一项所述的复合钻头，其特征在于，设置有两个径向上相对的牙轮(30)。

8.根据权利要求2所述的复合钻头，其特征在于，所述高切削齿(22)的高度设置为低切削齿(21)高度的1.2倍，在同一齿圈(35)内，所述高切削齿(22)的齿数设置为总齿数的33％。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的复合钻头，其特征在于，还包括设置在所述钻头基体(10)上的至少一个刀翼(40)。

10.根据权利要求9所述的复合钻头，其特征在于，在所述钻头基体(10)上设置了相间布置的两个牙轮(30)和两个刀翼(40)。

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