[實(shí)用新型]一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320697549.1
• 申請(qǐng)日: 2013-11-07
• 公開（公告）號(hào): CN203640608U
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳煉;楊迎新;任海濤;林敏;周春曉;張偉峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B10/16
• 分類號(hào): E21B10/16
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)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(shí)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，具體的講涉及一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭。

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。現(xiàn)今鉆井工程中所使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭和PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭。

牙輪鉆頭上的牙輪通過(guò)軸承系統(tǒng)與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，鉆頭工作時(shí)，鉆頭體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)牙輪繞鉆頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，牙輪還會(huì)繞自身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，牙輪上的切削齒在上述兩種運(yùn)動(dòng)的合成下作復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，牙輪鉆頭屬非固定切削齒鉆頭。

單牙輪鉆頭是牙輪鉆頭中的一種，是鉆井工程中使用的主要破巖工具之一，特別是在深井超深井的小井眼鉆井中發(fā)揮著重要的作用。單牙輪鉆頭主要利用牙輪上的牙齒對(duì)巖石的擠壓切削作用破巖，牙輪上的牙齒在井底以網(wǎng)狀形式刮切巖石。單牙輪鉆頭牙輪上的牙齒一部分（牙輪前端）始終與井底接觸破巖，一部分牙齒輪換與井底接觸破巖,這就把單牙輪鉆頭的牙輪分成了恒接觸區(qū)（牙輪前端，如圖3、圖4的21）和交替接觸區(qū)（如圖3、圖4的22）。

對(duì)于恒接觸區(qū)（牙輪前端）21的切削齒來(lái)講，其壽命往往低于交替接觸區(qū)22，因?yàn)楹憬佑|區(qū)21的切削齒始終處于工作狀態(tài)（如圖3、圖4），牙輪前端的轉(zhuǎn)動(dòng)不能給其上的切削齒帶來(lái)輪換的效果。同時(shí)由于單牙輪鉆頭主要以網(wǎng)狀刮切形式破巖，鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中牙輪上的切削齒相對(duì)井底巖石的刮切方向在不斷的變化，這使單牙輪鉆頭上無(wú)法應(yīng)用極適合于以刮切形式破巖的聚晶金剛石復(fù)合片（PDC齒）。原因在于聚晶金剛石復(fù)合片（PDC齒）是由基體和聚晶金剛石層兩部分組成，對(duì)巖石起主要刮削效果的是聚晶金剛石層，如果PDC齒在工作過(guò)程中受力方向變化幅度過(guò)大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金剛石層的崩裂，嚴(yán)重降低PDC齒的工作壽命。

因此，現(xiàn)有單牙輪鉆頭上的切削齒一般為硬質(zhì)合金齒。單牙輪鉆頭在井底工作時(shí)，牙輪上的牙齒磨損不均勻，其恒接觸區(qū)（牙輪前端）的切削齒磨損較快、最嚴(yán)重，這使鉆頭機(jī)械鉆速下降，鉆頭壽命降低。

現(xiàn)今，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、耐磨且壽命長(zhǎng)的PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭在鉆井工程中使用得越來(lái)越多，比例越來(lái)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）按照一定的規(guī)律布置并固結(jié)在鉆頭本體上，構(gòu)成PDC鉆頭破碎巖石的切削結(jié)構(gòu)。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(shí)各切削齒所負(fù)責(zé)破碎的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)固定的同心圓環(huán)帶。這種固定齒PDC鉆頭主要有三方面的缺點(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(huì)使齒達(dá)到相當(dāng)高的溫度，當(dāng)溫度超過(guò)一定界限時(shí)，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(shí)，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(gè)別齒的失效（齒的脫落、斷裂或過(guò)度磨損等）會(huì)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。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的在于：提供一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，提高鉆頭破巖效率的同時(shí)增加鉆頭使用壽命和鉆頭工作穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：?

一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，包括鉆頭體、牙輪、牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)，所述牙輪上布置有牙輪切削齒，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)上布置有固定切削齒，所述鉆頭體上設(shè)置有軸頸，所述牙輪與所述軸頸形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)與所述軸頸的前端固定連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有內(nèi)錐。

鉆頭工作時(shí)，在上部鉆柱的驅(qū)動(dòng)下，鉆頭繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒在鉆頭體的帶動(dòng)下，繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)刮切破巖。鉆頭體旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪繞鉆頭軸線公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還會(huì)繞其自身的軸線（軸頸）自轉(zhuǎn)，牙輪上的切削齒在上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)下與巖石互作用破碎巖石。

作為選擇1，所述牙輪的軸傾角α的范圍是45°＜α≤90°。牙輪的軸傾角α是指牙輪軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角（如圖4、5、6）。

如圖4所示，當(dāng)牙輪的軸傾角α＜45°時(shí)，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)將不過(guò)鉆頭中心；如圖5所示，當(dāng)牙輪的軸傾角α＞45°時(shí)，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)將過(guò)鉆頭中心。