[實用新型]一種具有雙側(cè)支承盤刀結(jié)構(gòu)的鉆頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320069589.1
• 申請日: 2013-02-07
• 公開（公告）號: CN203201474U
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊立源
• 申請（專利權(quán)）人: 楊立源
• 主分類號: E21B10/43
• 分類號: E21B10/43
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰;錢成岑

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的講涉及一種鉆頭。

背景技術(shù)

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。三牙輪鉆頭和PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭是當(dāng)今鉆井工程中使用得最多的鉆頭。

三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖。現(xiàn)有三牙輪鉆頭的牙輪偏移角大多不超過5°，鉆頭在井底旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，輪體速比（鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比）均大于1，牙輪繞牙掌軸頸的轉(zhuǎn)動速度快，牙輪上的牙齒與井底巖石相接觸的時間很短，牙齒在井底滑移的距離也很短，鉆頭利用牙齒對巖石的沖壓作用來破巖。軸承壽命低是制約三牙輪鉆頭使用壽命的主要因素之一。

現(xiàn)今，無運(yùn)動部件、耐磨且壽命長的PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭在鉆井工程中使用得越來越多，比例越來越大。現(xiàn)有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭，作為切削元件的聚晶金剛石復(fù)合片（即PDC齒，亦簡稱齒）按照一定的規(guī)律布置并固結(jié)在鉆頭體上，構(gòu)成PDC鉆頭破碎巖石的切削結(jié)構(gòu)。為了及時將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帶至地面，同時也為了清洗鉆頭和冷卻切削齒，PDC鉆頭上還需具有水力結(jié)構(gòu)。水力結(jié)構(gòu)通常由鉆頭內(nèi)流道、外流道和噴射孔組成。噴射孔又稱噴嘴，可以是直接設(shè)置在鉆頭體上的固定式噴嘴，也可以是安裝在鉆頭上的可替換式噴嘴。為了使鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的工作效果，在設(shè)計、制造鉆頭時，通常按照一定的規(guī)律將PDC齒分成若干組，同組的PDC齒固結(jié)在同一個齒座上，每個齒座以及分布于其上的PDC齒構(gòu)成一個切削結(jié)構(gòu)單元，稱為刀翼（齒座為刀翼體或固定刀翼）。刀翼之間的溝槽就形成了鉆頭的外流道。這種鉆頭為刀翼式PDC鉆頭。刀翼式PDC鉆頭是PDC鉆頭的主要結(jié)構(gòu)類型。

在理想工作條件（即鉆頭中心線與井眼中心線重合的條件）下，鉆頭鉆進(jìn)時各切削齒所負(fù)責(zé)破碎的區(qū)域為相對固定的同心圓環(huán)帶。這種固定齒PDC鉆頭主要有四方面的缺點(diǎn)：

第一，PDC齒連續(xù)不斷地切削巖石，由于劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量會使齒達(dá)到相當(dāng)高的溫度，當(dāng)溫度超過一定界限時，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導(dǎo)致熱磨損現(xiàn)象（當(dāng)PDC齒工作溫度高于某一特定溫度時，其耐磨性明顯下降的現(xiàn)象稱為PDC齒的熱磨損現(xiàn)象）的發(fā)生。

第二，鉆頭上個別齒的失效（齒的脫落、斷裂或過度磨損等）會顯著增加失效齒井底環(huán)帶附近的PDC齒的工作負(fù)荷，加快其磨損速度，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭提前失效。

第三，鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鉆頭外部區(qū)域（特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域）的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒。

第四，增加鉆頭上的切削齒數(shù)量可以減小切削齒的工作負(fù)荷，因而能夠有效降低切削齒的磨損速度，提高鉆頭的工作壽命，但同時也會降低鉆頭的鉆巖效率。

中國專利“一種以切削方式破巖的輪式鉆頭”（專利號：201010229375.7）和“一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭”（專利號：201010229371.9）中，鉆頭上盤刀切削單元的軸承也均為單側(cè)支承結(jié)構(gòu)，軸頸為單側(cè)固定的懸臂梁結(jié)構(gòu)。這種支承結(jié)構(gòu)具有如下缺點(diǎn)：第一，需在軸承結(jié)構(gòu)中設(shè)置盤刀的軸向鎖定裝置，即便如此，仍然存在因軸向鎖定裝置失效而導(dǎo)致盤刀脫落的可能，即軸承系統(tǒng)存在由此帶來的安全性風(fēng)險。第二，盤刀及其支承結(jié)構(gòu)必須是鉆頭體上一個獨(dú)立的切削結(jié)構(gòu)單元，因此在鉆頭上占據(jù)的空間相對較大，在布齒空間極為有限的條件下，空間的浪費(fèi)在很大程度上就意味著鉆頭性能的犧牲，這對于鉆頭切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是十分不利的。第三，當(dāng)盤刀的軸向?qū)挾瘸叽绫容^緊湊時，軸承的接觸面寬度窄，軸承系統(tǒng)的受力狀態(tài)不佳，易導(dǎo)致軸承偏磨。第四，軸與軸承座之間只能選擇一體式結(jié)構(gòu)，限制了軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。上述缺點(diǎn)的存在在相當(dāng)程度上制約了鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對鉆頭的工作性能造成了不利影響。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的目的在于：提出一種具有雙側(cè)支承盤刀結(jié)構(gòu)的鉆頭，既可有效提高軸承系統(tǒng)的工作安全性，顯著減少盤刀脫落事故的發(fā)生，而且能節(jié)省鉆頭幾何空間，同時還有利于提高鉆頭軸承的使用壽命。

本實用新型目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種具有雙側(cè)支承盤刀結(jié)構(gòu)的鉆頭，包括鉆頭體、盤刀，所述盤刀通過盤刀軸與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動連接，所述盤刀上布置有盤刀切削齒，所述盤刀的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，所述鉆頭體上至少有一個由所述盤刀與其上的盤刀切削齒及盤刀軸所構(gòu)成的盤刀切削單元，至少有一個所述盤刀切削單元的盤刀軸的兩端均與鉆頭體連接，形成雙側(cè)支承的轉(zhuǎn)動連接結(jié)構(gòu)。