[發(fā)明專利]一種復(fù)合鉆頭

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310063815.X
• 申請(qǐng)日: 2013-02-28
• 公開（公告）號(hào): CN103147691A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊迎新;陳煉;徐彤;鄭家偉;程榮超;紀(jì)國(guó)棟;馮明;孫永興;付曉平;林敏;任海濤;包澤軍;董博
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué);中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院;寶石機(jī)械成都裝備制造分公司;中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): E21B10/16
• 分類號(hào): E21B10/16
• 代理公司: 北京三高永信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11138
• 代理人: 王惠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合鉆頭。

背景技術(shù)

在石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)及水文鉆井工程中，通常使用鉆頭破碎巖石，鉆頭是破碎巖石形成井筒的破巖工具。目前鉆井工程中使用的鉆頭主要有三牙輪鉆頭和PDC鉆頭，其中，三牙輪鉆頭包括鋼齒鉆頭（又稱銑齒鉆頭）和硬質(zhì)合金齒鉆頭（又稱鑲齒鉆頭）。近年，美國(guó)貝克休斯公司推出一種牙輪-PDC混合式鉆頭新產(chǎn)品,下面以美國(guó)貝克休斯公司提出的牙輪-PDC混合式鉆頭為例加以說(shuō)明。

美國(guó)貝克休斯公司提出的牙輪-PDC混合式鉆頭是在傳統(tǒng)的PDC切削結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加牙輪切削結(jié)構(gòu)而形成的，具體由固定切削結(jié)構(gòu)和牙輪切削結(jié)構(gòu)組合而成。其中，牙輪-PDC混合式鉆頭的固定切削結(jié)構(gòu)是由若干PDC固定刀翼（也稱固定翼）組成，固定刀翼上布置有固定切削齒（一般為PDC齒），當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖；牙輪-PDC混合式鉆頭的牙輪切削結(jié)構(gòu)與牙輪鉆頭類似，牙輪上的牙齒主要以沖擊壓碎的方式破巖。

實(shí)際上，牙輪-PDC混合式鉆頭的基本理念早在1985年以前就已經(jīng)提出，然而卻長(zhǎng)期沒有形成工業(yè)化應(yīng)用。其根本原因在于：由于混合鉆頭上的牙輪是以沖擊壓碎的方式破巖，牙輪上的牙齒在交替工作過(guò)程中產(chǎn)生的上下振動(dòng)（縱向振動(dòng)）會(huì)直接影響PDC固定切削結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致固定切削結(jié)構(gòu)中PDC齒的非正常失效。PDC齒是一種對(duì)沖擊載荷比較敏感的切削元件，由牙輪縱向振動(dòng)帶來(lái)的沖擊載荷容易引起PDC齒聚晶金剛石層的脆性崩裂損壞，減短鉆頭的使用壽命。因?yàn)檠垒?PDC混合式鉆頭所適用的地層一般是常規(guī)PDC鉆頭較難鉆進(jìn)的地層，巖石的抗壓強(qiáng)度較高。在這種條件下，PDC齒更容易發(fā)生崩裂損壞。正因?yàn)檠垒?PDC混合式鉆頭具有這個(gè)天生的弱點(diǎn)，加以早期的PDC齒產(chǎn)品的抗沖擊能力很差，所以，這種混合鉆頭才一直停留在概念設(shè)計(jì)階段。直至近年，PDC齒的抗沖擊性能有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，才使這種技術(shù)發(fā)展成為一種新的鉆頭產(chǎn)品，逐步在鉆井工程中得到應(yīng)用。然而，由于縱向振動(dòng)而導(dǎo)致PDC齒磨損加劇的問(wèn)題，依然是一個(gè)制約混合鉆頭性能的重要因素。除此而外，牙輪的縱向振動(dòng)還會(huì)使固定切削結(jié)構(gòu)中PDC齒的吃入深度發(fā)生頻繁變化，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成PDC齒頻繁脫離井底，因而可在一定程度上降低鉆頭的破巖效率。顯然，如果能夠顯著地減小甚至消除這種縱向振動(dòng)，將使鉆頭的綜合性能得到顯著提升。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中牙輪-PDC混合式鉆頭存在的牙輪縱向振動(dòng)對(duì)鉆頭固定切削齒刮切巖石過(guò)程產(chǎn)生不良影響，因而導(dǎo)致切削齒磨損速度快，嚴(yán)重影響鉆頭破巖效率和使用壽命的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種復(fù)合鉆頭，能夠在提高鉆頭破巖效率的同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。所述技術(shù)方案如下：

一種復(fù)合鉆頭，所述復(fù)合鉆頭包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)牙輪，所述牙輪和所述固定切削結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭體上，所述牙輪通過(guò)軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；

所述牙輪上鑲固有橫鑲牙齒，橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70°≤|α|≤90°，所述橫鑲牙齒的4分齒頂寬度W不小于橫鑲牙齒鑲固部分圓柱直徑D的80%，所述橫鑲牙齒起碾壓、劈裂作用；

所述固定切削結(jié)構(gòu)包括多個(gè)固定切削齒，所述多個(gè)固定切削齒起刮切作用。

作為優(yōu)選，所述牙輪上橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80°≤|α|≤90°，所述橫鑲牙齒的4分齒頂寬度W不小于橫鑲牙齒鑲固部分圓柱直徑D的90%。

作為優(yōu)選，所述牙輪上的橫鑲牙齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°。

作為優(yōu)選，所述牙輪上橫鑲牙齒的4分齒頂厚度不大于橫鑲牙齒鑲固部分圓柱直徑D的25%。

作為優(yōu)選，所述牙輪設(shè)有至少兩排齒圈，每排齒圈包括多個(gè)所述橫鑲牙齒，所述牙輪中不同齒圈的橫鑲牙齒呈部分或全部交錯(cuò)布置。

作為優(yōu)選，所述復(fù)合鉆頭上的每個(gè)牙輪的偏移值不大于所述復(fù)合鉆頭直徑的1.5%。

作為優(yōu)選，所述復(fù)合鉆頭上的牙輪的偏移值不大于所述復(fù)合鉆頭直徑的0.5%。

作為優(yōu)選，所述復(fù)合鉆頭上的牙輪的偏移值為0（即牙輪無(wú)偏移）。

作為優(yōu)選，所述牙輪設(shè)有齒圈，所述齒圈包括多個(gè)所述橫鑲牙齒，所述牙輪中的至少一個(gè)齒圈與其所對(duì)應(yīng)的固定切削結(jié)構(gòu)上的至少一個(gè)固定切削齒呈徑向同軌布置。

作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的齒頂輪廓線為向上凸起的弧形。

作為優(yōu)選，所述橫鑲牙齒的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿所述橫鑲牙齒的軸線方向的投影為圓弧形。