[發明專利]一種混合式單牙輪鉆頭

有效

• 申請號: 201410011199.8
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103758458A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 鄧嶸;敖建章;安美;唐東;楊松;鄧清源;董偉龍
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/12
• 分類號: E21B10/12;E21B10/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及石油天然氣、礦山工程、水文和地質勘探鉆探設備領域，具體地講涉及一種混合式單牙輪鉆頭。

背景技術

鉆井中常用的鉆頭有兩類。一類是牙輪鉆頭，另一類是金剛石鉆頭。牙輪鉆頭中又有三牙輪鉆頭、兩牙輪鉆頭、單牙輪鉆頭。金剛石鉆頭中有PDC鉆頭、孕鑲鉆頭等。牙輪鉆頭通過牙齒對地層的沖擊和刮削破碎巖石，適用于軟硬交替地層，對地層適應較好，其缺點是牙齒易磨損和斷裂，壽命較低。PDC鉆頭靠金剛石復合片對地層剪切破碎巖石，切削效率高，適宜破碎均質地層，有較高的機械鉆速和壽命。由于牙輪鉆頭的的運動方式不同于PDC鉆頭，不能直接將PDC復合片安裝在牙輪上作為切削齒使用。多年來，牙輪鉆頭的結構是主切削齒安裝在牙輪上，位于牙輪小端的的切削齒破碎井底中心區域，位于牙輪大端切削齒切削井壁和井底外部區域。牙掌爪尖在井底之上，在爪尖處沒有安裝切削齒的空間，只能在牙掌上部安裝部分保徑齒，這種牙掌結構決定了牙掌只起支撐牙輪的作用，不能起到破巖作用。鉆頭設計和使用者都致力于將金剛石材料用于牙輪鉆頭上，以期待提高鉆頭的破巖效率和壽命。人們曾將牙輪上的硬質合金切削齒替換成金剛石加強的硬質合金齒，但這種齒也因質量原因和成本較高并沒有在牙輪鉆頭上普遍采用。多年來牙輪鉆頭的結構形式沒有太大的變化，限制了金剛石切削元件的牙輪鉆頭上的使用。

目前只有球形單牙輪鉆頭在油田使用。球形單牙輪鉆頭在井底依靠牙齒刮削破碎巖石，形成網狀的切削軌跡，在軟地層中有較高的機械鉆速和壽命，但在硬地層和研磨性強地層中由于硬質合金牙齒先期磨損嚴重，鉆頭的平均機械鉆速和壽命較低，影響了單牙輪鉆頭的擴大使用。

發明內容

本發明的目的在于：提出一種新的牙掌形式，與單牙輪結構相結合，形成一種混合式單牙輪鉆頭。這種鉆頭既采用了PDC鉆頭的破巖方式，又采用了牙輪鉆頭的破巖方式，從而提高了鉆頭的破巖效率和使用壽命。

本發明的技術方案如下：

一種混合式單牙輪鉆頭，包括一個牙掌和一個牙輪，牙輪表面鑲裝有用以破碎巖石的牙齒。其特征在于：牙掌掌背延長線和軸頸斜面延長線的交點P在高度上低于所有牙輪牙齒齒頂，在牙掌底部加工一布齒面，布齒面面積S的范圍為其中D為鉆頭直徑；布齒面上鑲裝或焊接切削元件，與牙輪上的牙齒共同破碎井底巖石。

本發明的特點包括：

（1）布齒面的形狀為回轉錐面或曲面，回轉軸為鉆頭旋轉中心。

（2）鉆頭運動時，牙輪小端部位的牙齒切削井底外部區域和井壁，起保徑作用；牙輪大端部位的牙齒切削井底中心區域。

（3）布齒面切削元件包絡面輪廓母線與牙輪齒頂包絡面輪廓母線相對于鉆頭軸線對稱或牙輪齒頂包絡面輪廓母線比布齒面切削元件包絡面輪廓母線低1～10mm。

作為優選，切削元件可以為PDC齒、金剛石復合齒、孕鑲金剛石齒。

本發明的有益效果：牙掌布齒面上安裝切削元件形成固定切削結構，如同PDC鉆頭樣破碎巖石，可以輔助牙輪上牙齒破碎巖石。在一個鉆頭上實現了PDC鉆頭和牙輪鉆頭兩種方式破巖。這樣既結合了兩種鉆頭的的優點又邇補了缺點。鉆頭結構簡單可靠，可靈活設計牙掌上切削元件的數目和位置，以及切削元件的出露高度和牙輪上牙齒的出露高度差，以滿足鉆進不同地層的需要，最大程度的提高破巖效率和牙齒壽命；同時，牙掌向井底延申，布齒面占據了沒有被牙輪覆蓋的井底區域，使鉆頭成為一個滿眼鉆頭，有利于提高鉆頭的穩定性。

附圖說明

圖1為本發明的混合式單牙輪鉆頭結構示意圖；

圖2為圖1所示結構沿鉆頭軸線俯視（逆鉆頭鉆進方向）時的視圖；

圖3為牙掌布齒面的示意圖；

圖4為牙掌掌背延長線和軸頸斜面延長線的交點P的示意圖；

圖5為牙齒齒頂包絡面輪廓母線與布齒面切削元件包絡面輪廓母線對稱時的示意圖；

圖6為牙齒齒頂包絡面輪廓母線比布齒面切削元件包絡面輪廓母線低H時的示意圖；

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的說明。

實施例1：

如圖1、2所示，本單牙輪鉆頭主要由牙掌1和牙輪2組成，牙掌上有鉆頭柄3，軸頸等4。牙輪2裝配在軸頸4上，并能靈活轉動。牙輪上鑲裝有能破碎巖石的牙齒5；牙掌掌背和軸頸斜面的交點P在高度上低于牙輪牙齒齒頂，在牙掌底部加工一布齒面6，在布齒面上焊接切削元件7。

布齒面6的形狀為回轉錐面，回轉軸為鉆頭旋轉中心8。