[發(fā)明專利]一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310063996.6
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103147692A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊迎新;陳煉;徐彤;鄭家偉;程榮超;紀國棟;馮明;孫永興;付曉平;林敏;任海濤;包澤軍;張廣存
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學;中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院;寶石機械成都裝備制造分公司;中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院
• 主分類號: E21B10/16
• 分類號: E21B10/16
• 代理公司: 北京三高永信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 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，特別涉及一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭。

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,下面以美國貝克休斯公司提出的牙輪-PDC混合式鉆頭為例加以說明。

美國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），當鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進時，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程中產(chǎn)生的上下振動（縱向振動）會直接影響PDC固定切削結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性，從而導致固定切削結(jié)構(gòu)中PDC齒的非正常失效。PDC齒是一種對沖擊載荷比較敏感的切削元件，由牙輪縱向振動帶來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。因為牙輪-PDC混合式鉆頭所適用的地層一般是常規(guī)PDC鉆頭較難鉆進的地層，巖石的抗壓強度較高。在這種條件下，PDC齒更容易發(fā)生崩裂損壞。正因為牙輪-PDC混合式鉆頭具有這個天生的弱點，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)計階段。直至近年，PDC齒的抗沖擊性能有了長足的進步，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，由于縱向振動而導致PDC齒磨損加劇的問題，依然是一個制約混合鉆頭性能的重要因素。除此而外，牙輪的縱向振動還會使固定切削結(jié)構(gòu)中PDC齒的吃入深度發(fā)生頻繁變化，嚴重時甚至可能造成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，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對鉆頭固定切削齒刮切巖石過程產(chǎn)生不良影響，因而導致切削齒磨損速度快，嚴重影響鉆頭破巖效率和使用壽命的問題，本發(fā)明提供了一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭，能夠在提高鉆頭破巖效率的同時延長鉆頭使用壽命。所述技術(shù)方案如下：

一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個牙輪，所述牙輪和所述固定切削結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭體上，所述牙輪通過軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體形成轉(zhuǎn)動連接；

所述牙輪上鑲固有寬鑲齒，寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70°≤|α|≤90°，所述寬鑲齒下部鑲固部分與上部出露部分經(jīng)臺階過渡，所述寬鑲齒的臺階面與牙輪齒孔口的外表面緊密接觸，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒橫向長度L1的80%，所述寬鑲齒起碾壓、劈裂作用；

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

作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80°≤|α|≤90°，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒橫向長度的90%。

作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度等于寬鑲齒的橫向長度。

作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°。

作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的4分齒頂厚度不大于寬鑲齒橫向?qū)挾萕1的25%。

作為優(yōu)選，所述牙輪上設(shè)有至少兩排齒圈，所述牙輪中不同齒圈的寬鑲齒呈部分或全部交錯布置。

作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭上的牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的1.5%。

作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭上的牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的0.5%。

作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復合鉆頭上的牙輪的偏移值為0（即牙輪無偏移）。

作為優(yōu)選，所述牙輪設(shè)有齒圈，所述牙輪中的至少一個齒圈與其所對應(yīng)的固定切削結(jié)構(gòu)上的至少一個固定切削齒呈徑向同軌布置。

作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂輪廓線為向上凸起的弧形。