CN217538586U - 一种高抗冲击防掏心混合钻头 - Google Patents

Abstract

一种高抗冲击防掏心混合钻头，刀翼的内锥段采用小尺寸、高密度的高抗冲击复合片切削齿，降低内锥段的攻击性，提升混合钻头心部抗冲击及防掏心能力，达到提高混合钻头在超硬地层抗冲击能力的目的。且内锥段与外锥段的角度平缓并经过渡段平滑相接，相当于延伸了外锥段的长度，过渡段、外锥段、肩部和保径段的高抗冲击性金刚石复合片切削齿采用双排齿设计，双倍增加切削齿数目，使得钻头更适应于超硬地层，尤其是非均质的超硬地层，大大提高钻头的切削效率及机械钻速。

Description

一种高抗冲击防掏心混合钻头

技术领域

本实用新型涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种高抗冲击防掏心混合钻头。

背景技术

在油气田开发、地质勘探的钻井过程中，钻头是钻井施工必不可取的重要工具之一，目前常用两种钻头是牙轮钻头和PDC钻头，牙轮钻头的破岩原理是冲击、压碎；PDC钻头的破岩原理是剪切破岩，混合钻头是将牙轮钻头和PDC刀翼有效组合在一起的钻头，混合钻头同时包含牙轮和PDC刀翼,将PDC钻头和牙轮钻头两者的优势结合起来，牙轮切屑齿形成不连续的齿坑，对岩石产生预破碎，PDC切屑齿通过切屑，将牙轮切屑齿形成的不连续的齿坑联通，从而形成完整的破碎环带。

但在一些超硬地层钻进过程中，由于地层岩石硬度高，现有的混合钻头心部的布齿、PDC刀翼切削齿抗冲击力性不能满足该类地层的组合钻磨，在多井应用中出现钻头“掏心”情况，即钻头的钻井过程心部磨损严重，出现严重凹陷，无法继续进行正常的钻井作业。如专利号为CN201820473699.7实用新型专利公开“一种带犁削齿的混合钻头”，包括钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼上安设有固定切削齿，牙掌安设于刀翼之间，牙掌上端与钻头体相联一体，牙掌的下端安设有牙轮，在刀翼上安设的固定切削齿包括圆形齿和犁削齿。采用犁削、剪切及冲压三种混合破岩方式来进行井底岩石破碎。这种结构不仅综合性能强，提高钻头的破岩效率，同时犁削齿结构增加了金刚石复合片的抗冲击性能；而且牙轮和刀翼固定切削齿的布齿结构合理，能减少对钻头固定切削齿的冲击，从而提高钻头的切削效率和机械钻速。但该装置钻头心部没有做强化设计，会发生“掏心”现象。专利号为CN201721106398.2的实用新型专利涉及“一种用于硬地层钻井的混合钻头”，包括钻头体，所述钻头体上设有刀翼和牙轮，所述牙轮上安装有硬质合金切削齿，所述刀翼设置有圆形切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿。该钻头具有高抗冲击力及高散热能力，能够在坚硬地层中提高钻头机械钻速和延长钻头使用寿命。但该钻头心部研磨冲击较强，钻头心部易发生“掏心”现象，且异型齿成本较高。

实用新型内容

本实用新型提供一种高抗冲击防掏心混合钻头，通过将刀翼内锥段的切削齿设计为小尺寸、高密度的高抗冲击复合片，且内锥段与外锥段的角度平缓，不仅降低内锥段的攻击性，还延伸外锥段的长度，提升混合钻头心部抗冲击及防掏心能力，达到提高混合钻头在超硬地层抗冲击能力的目的，并提高钻头的切削效率及机械钻速。

本实用新型技术方案如下：

一种高抗冲击防掏心混合钻头，包括钻头体(5)和在所述钻头体(5)上端面周向相互间隔120°布置的三个刀翼(2)，相邻的刀翼(2)之间的所述钻头体(7)上设有牙轮(3)、排屑槽(8)和喷嘴(1)，所述牙轮(3)通过轴承结构设于所述钻头体(5)；排屑槽(8)位于刀翼(2)与牙轮(3)之间，且每个排屑槽(8)内均设有两个所述喷嘴(1)；所述刀翼(2)从钻头体上端面的圆心向外依次延伸有内锥段(9)和外锥段(10)；垂直于所述外锥段(10)的外端面并紧贴所述钻头体(5)的外侧面向下延伸有所述刀翼(2)的保径段(12)；所述内锥段(9)与外锥段(10)经过渡段平滑相接，所述外锥段(10)与所述保径段(12)经肩部(11)平滑过渡相接；所述保径段(12)的高度S4与肩部(11)外弧长S3之和等于所述过渡段和外锥段(10)的外弧长S2与内锥段(9)的外弧长S1之和；所述刀翼(2)上布设有多个高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)为锥台形，且其切削角为-25°至-18°；所述过渡段、外锥段(10)、肩部(11)和保径段(12)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)分两列布置，且其尺寸大小相同；所述内锥段(9)布置有一列所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)且其尺寸大小为所述外锥段(10)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)的二分之一；所述牙轮(3)主锥上布设有多排硬质合金切削齿(4)，背锥上设有多个金刚石复合齿(7)。

作为优选，所述牙轮(3)的硬质合金切削齿(4)和/或金刚石复合齿(7)随所述钻头体(5)转动所形成的最大包络线圆较所述保径段(12)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)所形成最大包络线圆直径小5～10mm。

作为优选，所述牙轮(3)的硬质合金切削齿(4)和/或金刚石复合齿(7)的最低点较所述刀翼(2)高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)的最低点低2-6mm。

作为优选，所述牙轮(3)沿所述钻头体(5)的周向相互间隔120°设置，且所述牙轮(3)的形心不在相邻刀翼所确定扇形间隙的均分面上。

作为优选，所述硬质合金切削齿(4)包括锥角为40°～60°的锥形齿。

作为优选，所述金刚石复合齿(7)包括尺高为齿底直径二分之一的矮锥台形齿。

作为优选，所述内锥段(9)均匀布设有5个或6个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述过渡段和外锥段(10)均匀布设有5～7个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述肩部(11)均匀布设有4个或5个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述保径段(12)均匀布设10个或11个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述牙轮(3)主锥上布设有10-16排硬质合金切削齿(4)，背锥上设有16～18个金刚石复合齿(7)。

作为优选，所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)在内锥段(9)上的齿排列密度高于所述外锥段(10)。

作为优选，所述排屑槽(8)为加深的三角形排屑槽，深度为刀翼(2)高度的二分之一。

本实用新型相对于现有技术优势在于：本实用新型所述高抗冲击防掏心混合钻头，刀翼(2)的内锥段采用小尺寸、高密度的高抗冲击复合片切削齿，降低内锥段的攻击性，提升混合钻头心部抗冲击及防掏心能力，达到提高混合钻头在超硬地层抗冲击能力的目的。且内锥段与外锥段的角度平缓并经过渡段平滑相接，相当于延伸了外锥段的长度，所述过渡段、外锥段(10)、肩部(11)和保径段(12)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)分两列布置，也即为采用了双排齿，双倍增加切削齿数目，使得钻头更适应于超硬地层，尤其是非均质的超硬地层，大大提高钻头的切削效率及机械钻速。牙轮(3)的硬质合金切削齿(4)和/或金刚石复合齿(7)的最低点较所述刀翼(2)高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)的最低点低2-6mm，保证牙轮的硬质合金切削齿(4)和/或金刚石复合齿(7)先接触地层对地层进行预破碎，减轻刀翼(2)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)的切削负荷，提升混合钻头边部抗冲击能力。

附图说明

图1为本实用新型所述高抗冲击防掏心混合钻头一种实施方式的立体结构示意图；

图2为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头的俯视图；

图3为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的牙轮沿牙轮轴线方向的牙轮主锥结构示意图；

图4为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的牙轮沿牙轮轴线方向的牙轮背锥结构示意图；

图5为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的刀翼的主视结构示意图；

图6为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的刀翼的左视结构示意图；

图7为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的硬质合金切削齿的主视结构示意图；

图8为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的金刚石复合齿的立体结构示意图；

图9为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的高抗冲击性金刚石复合片切削齿的主视结构示意图；

图10为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中的高抗冲击性金刚石复合片切削齿的俯视结构示意图；

图11为图1所示高抗冲击防掏心混合钻头中牙轮硬质合金切削齿和/或金刚石复合齿与刀翼高抗冲击性金刚石复合片切削齿的切削轮廓包络线的投影示意图。

图中各标号为：1-喷嘴，2-刀翼，3-牙轮，4-硬质合金切削齿，5-钻头体，6-高抗冲击性金刚石复合片切削齿，7-金刚石复合齿，8-排屑槽，9-内锥段，10-外锥段，11-肩部，12-保径段，13-牙掌。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。

参见图1-11，一种高抗冲击防掏心混合钻头，包括钻头体5、刀翼2、牙轮3、排屑槽8和喷嘴1，所述喷嘴1在每个刀翼2与牙轮3间布置两个，所述钻头体5通过设于其内部的轴承结构连接旋转机构。

所述刀翼2在周向绕所述钻头体(5)上固定设有三个，各刀翼2相互间隔120°布置。

刀翼2从内至外依次延伸有内锥段9、外锥段10、肩部11和保径段12。所述保径段12与肩部11长度等于内锥段9到外锥段10的长度，也即为(保径段12的高度S4)+(肩部11外弧长S3)＝(过渡段和外锥段10的外弧长S2)+(内锥段9的外弧长S1)。

所述外锥段10与内锥段9的角度平缓且通过过渡段平滑相连，各刀翼2上分别布设有22～27个高抗冲击性金刚石复合片切削齿6，所述刀翼2上布设的高抗冲击性金刚石复合片切削齿6齿形为锥台形，高抗冲击性金刚石复合片切削齿6的切削角为-25°至-18°，所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿6在内锥段9布设3个或4个、外锥段10布设5～7个、肩部11布设4或5个、保径段12布设10或11个。所述过渡段、外锥段10、肩部11和保径段12的高抗冲击性金刚石复合片切削齿6分两列布置，且其尺寸大小相同。刀翼内锥段9与外锥段10角度平缓，相当于延伸了外锥段10的长度，因外锥段10采用双排齿，双倍增加外锥上的切削齿数目，使得钻头更适应于超硬地层，尤其是非均质的超硬地层，大大提高钻头的切削效率及机械钻速。

所述内锥段9布置有一列所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿6且其尺寸大小为所述外锥段10的高抗冲击性金刚石复合片切削齿6的二分之一，同时，所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿6在内锥段9上的齿排列密度高于所述外锥段，降低了内锥的攻击性，提升混合钻头心部抗冲击及防掏心能力，达到提高混合钻头在超硬地层抗冲击能力的目的。

所述牙轮3也设计有三个，各牙轮3相互间隔120°绕钻头体5布置在三个刀翼2之间偏右侧，每个牙轮(3)均通过轴承结构安装在钻头体5的牙掌13上。各牙轮3主锥上布设有12～16排硬质合金切削齿4，牙轮背锥上设有16～18个金刚石复合齿7，所述硬质合金切削齿4为锥形齿，锥角为40°～60°，牙轮3背锥的金刚石复合齿7为矮圆锥台形齿，尺高h为底部齿(大径端)直径d的二分之一。所述三个牙轮3所形成的外周直径较三个刀翼2保径段12所围外周直径小5～10mm，牙轮3切削轨迹最低点的齿中心线略深于刀翼2切削齿的齿中心线。保证牙轮切削齿先接触地层对地层进行预破碎，减轻PDC切削齿切削负荷，提升混合钻头边部抗冲击能力。

进一步，所述排屑槽8采用加深三角柱形排屑槽，排屑槽8深度为刀翼2高度的二分之一。

进一步，所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿6在刀翼2上表面，沿刀翼2延伸的方向布置。

高抗冲击防掏心混合钻头中牙轮硬质合金切削齿和/或金刚石复合齿与刀翼高抗冲击性金刚石复合片切削齿的切削轮廓包络线的投影示意图如图11所示，其中，

号为刀翼上高抗冲击性金刚石复合片切削齿6，分别布置于三个刀翼2上。其中，

号为位于内锥段的小尺寸高抗冲击性金刚石复合片切削齿，

为位于外锥段和肩部的高抗冲击性金刚石复合片切削齿，

号为位于保径段的高抗冲击性金刚石复合片切削齿。内锥切削齿

号的高抗冲击性金刚石复合片切削齿6，布齿密度高于

号高抗冲击性金刚石复合片切削齿的布齿密度。

为位于牙轮3上的切削齿，分布在三个牙轮3上，其中，

为硬质合金切削齿4，

号为牙轮背锥的金刚石复合齿7。图示实线是刀翼2上的高抗冲击性金刚石复合片切削齿包络线投影图，图示单点画线为牙轮3上的硬质合金切削齿4和/或金刚石复合齿7的包络线投影图。刀翼2上的高抗冲击性金刚石复合片包络线较牙轮牙轮3上的硬质合金切削齿4和/或金刚石复合齿7的包络线长，但刀翼2上的高抗冲击性金刚石复合片包络线在牙轮硬质合金切削齿4和/或金刚石复合齿7包络线上方。由此可见，牙轮的硬质合金切削齿4和/或金刚石复合齿7先接触地层对地层进行预破碎，进而可以减轻刀翼2的高抗冲击性金刚石复合片切削齿6的切削负荷，提升混合钻头边部抗冲击能力。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本实用新型专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，包括钻头体(5)和在所述钻头体(5)上端面周向相互间隔120°布置的三个刀翼(2)，相邻的刀翼(2)之间的所述钻头体(5)上设有牙轮(3)、排屑槽(8)和喷嘴(1)，所述牙轮(3)通过轴承结构设于所述钻头体(5)；排屑槽(8)位于刀翼(2)与牙轮(3)之间，且每个排屑槽(8)内均设有两个所述喷嘴(1)；所述刀翼(2)从钻头体上端面的圆心向外依次延伸有内锥段(9)和外锥段(10)；垂直于所述外锥段(10)的外端面并紧贴所述钻头体(5)的外侧面向下延伸有所述刀翼(2)的保径段(12)；

所述内锥段(9)与外锥段(10)经过渡段平滑相接，所述外锥段(10)与所述保径段(12)经肩部(11)平滑过渡相接；所述保径段(12)的高度S4与肩部(11)外弧长S3之和等于所述过渡段和外锥段(10)的外弧长S2与内锥段(9)的外弧长S1之和；

所述刀翼(2)上布设有多个高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)为锥台形，且其切削角为-25°至-18°；所述过渡段、外锥段(10)、肩部(11)和保径段(12)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)分两列布置，且其尺寸大小相同；所述内锥段(9)布置有一列所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)且其尺寸大小为所述外锥段(10)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)的二分之一；

所述牙轮(3)主锥上布设有多排硬质合金切削齿(4)，背锥上设有多个金刚石复合齿(7)。

2.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述牙轮(3)的硬质合金切削齿(4)和/或金刚石复合齿(7)随所述钻头体(5)转动所形成的最大包络线圆较所述保径段(12)的高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)所形成最大包络线圆直径小5～10mm。

3.根据权利要求1或2所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述牙轮(3)的硬质合金切削齿(4)和/或金刚石复合齿(7)的最低点较所述刀翼(2)高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)的最低点低2-6mm。

4.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述牙轮(3)沿所述钻头体(5)的周向相互间隔120°设置，且所述牙轮(3)的形心不在相邻刀翼所确定扇形间隙的均分面上。

5.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述硬质合金切削齿(4)包括锥角为40°～60°的锥形齿。

6.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述金刚石复合齿(7)包括尺高为齿底直径二分之一的矮锥台形齿。

7.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述内锥段(9)均匀布设有5个或6个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述过渡段和外锥段(10)均匀布设有5～7个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述肩部(11)均匀布设有4个或5个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述保径段(12)均匀布设10个或11个所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)；所述牙轮(3)主锥上布设有10-16排硬质合金切削齿(4)，背锥上设有16～18个金刚石复合齿(7)。

8.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述高抗冲击性金刚石复合片切削齿(6)在内锥段(9)上的齿排列密度高于所述外锥段(10)。

9.根据权利要求1所述高抗冲击防掏心混合钻头，其特征在于，所述排屑槽(8)为加深的三角形排屑槽，深度为刀翼(2)高度的二分之一。

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