混合式井下钻井钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体、刀翼、牙掌和牙轮，所述刀翼和所述牙掌均与所述钻头本体的上端固定连接，所述牙掌的下端与所述钻头本体的侧壁固定连接，所述牙轮通过轴颈与所述牙掌的上端可转动连接，所述牙轮的中轴线与所述钻头本体的中轴线之间设置有夹角，所述刀翼上设置有多个锥形齿或/和圆片剪切齿，所述牙轮上设置有多个凿形齿和平头齿。本实用新型专利技术将牙轮钻头的冲击破碎和混合布齿的刀翼结构使钻头的犁削、剪切运动相结合，实现井底预破碎，保证固定切削齿有效吃入岩石，消除钻头在一些特殊地层发生粘滑现象，降低固定切削齿的冲击载荷，减少了固定切削齿冲击损坏的几率，提高钻头切削效率和机械钻速。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于石油、天然气和地质钻井用的混合钻头，尤其涉及一种混合式井下钻井钻头。技术背景在当前的石油钻井中，遇到硬地层或硬夹层时，常用的PDC钻头，主要是通过roc齿(聚晶金刚石复合片)的剪切运动方式来实现钻进，在钻头的鼻部和肩部，由于PDC齿在钻头轮廓上的载荷分布特点，容易过早损坏，造成PDC钻头的机械钻速变得非常缓慢；而牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石，容易使岩石产生较深的破碎齿坑；但对于软硬夹层较多的地层钻井，不能使岩石产生体积破碎，故牙轮钻头切削齿的切削效率也较低。另外一方面，当钻头遇到一些软硬夹层较多的地层时，PDC金刚石钻头的固定切削齿极易受到冲击破损，为了应对这种情况，申请号为“200880016630.0”的中国专利文献公开了由牙轮钻头和PDC钻头组合而成的混合钻头，该混合钻头虽有较强的综合性能，但存在以下的不足:由于牙轮钻头具有的冲击、压碎的破岩机理，牙轮旋转带动自身多个凿形齿产生的冲击载荷能够有效破碎硬地层；而过高钻压易导致钻头固定刀翼上复合片(PDC齿)破碎，从而导致钻头机械钻速的降低；该钻头靠近钻头中心轴线的是PDC切削齿，由于该钻头roc切削齿靠近钻头轴线中心位置，回转半径小，切削线速度低，往往切削效率低；且该钻头由PDC切削齿单独切削钻头中心岩石，承受的载荷较大，在夹层钻进中易出现PDC层破碎或脱落。
技术实现思路
本技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种混合式井下钻井钻头。本技术通过以下技术方案来实现上述目的:一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体、刀翼、牙掌和牙轮，所述刀翼和所述牙掌均与所述钻头本体的上端固定连接，所述牙掌的下端与所述钻头本体的侧壁固定连接，所述牙轮通过轴颈与所述牙掌的上端可转动连接，所述牙轮的中轴线与所述钻头本体的中轴线之间设置有夹角，所述刀翼上设置有多个锥形齿或/和圆片剪切齿，所述牙轮上设置有多个凿形齿和平头齿。优选地，以所述刀翼切削时的旋转方向为前方，所有的所述刀翼中至少包括一个仅有锥形齿的刀翼，所述仅有锥形齿的刀翼包括前排锥形齿，所述仅有锥形齿的刀翼的前排锥形齿分布于所述仅有锥形齿的刀翼的轮廓的内锥、鼻部和台肩部位，所述仅有锥形齿的刀翼的前排锥形齿出露高度大于其它所述刀翼的前排圆片剪切齿出露高度，且其高度差小于2毫米。进一步，所述仅有锥形齿的刀翼还包括后排锥形齿，所述仅有锥形齿的刀翼的后排锥形齿分布于所述仅有锥形齿的刀翼的轮廓的内锥、鼻部和台肩部位，所述仅有锥形齿的刀翼的前排锥形齿和后排锥形齿之间设置有小于2毫米的高度差且该前排锥形齿高于该后排锥形齿。作为优选，所述刀翼的前排锥形齿与切削面之间设置有角度为-17°?+17°的侧倾角和角度为O?+17°的前倾角，所述后排锥形齿与切削面之间之间设置有角度为-8。?+8°的前倾角。作为优选，以所述刀翼切削时的旋转方向为前方，所有的所述刀翼中至少包括两个前排齿为圆片剪切齿、后排齿为锥形齿的刀翼，所述圆片剪切齿分布于所述刀翼轮廓的内锥、鼻部、台肩和保径部位，该刀翼后排锥形齿分布于对应所述刀翼的轮廓的内锥、鼻部和台肩部位；该刀翼的前排圆片剪切齿的出露高度比后排锥形齿的出露高度大，且其高度差小于2毫米，所述两个刀翼的中心线在所述钻头本体的圆周方向上的夹角角度为160° ?200°。进一步，所述圆片剪切齿与切削面之间设置有角度为-17°?+35°的后倾角和角度为-17°?+17°的侧倾角，所述后排锥形齿与切削面之间设置有角度为-8°?+8°的前倾角。优选地，所述锥形齿和所述圆片剪切齿均为聚晶金刚石复合齿或由多晶超研磨材料制造的复合齿，所述凿形齿和所述平头齿为硬质合金齿。优选地，所述牙轮的数量至少为一个，并且其切削齿的最外轮廓包络线在所述钻头本体的固定切削齿的最外轮廓包络线之外，且两者之间的距离为0.8?2.5毫米。具体地，所述牙轮的中轴线与所述钻头本体的中轴线之间的夹角角度为25°?68。。本技术的有益效果在于:1、将牙轮钻头的冲击破碎和混合布齿的刀翼结构钻头的犁削、剪切运动相结合，实现井底预破碎，保证固定切削齿有效吃入岩石，消除钻头在一些特殊地层发生粘滑现象，降低固定切削齿的冲击载荷，减少了固定切削齿冲击损坏的几率，提高钻头切削效率和机械钻速；2、混合布齿的刀翼结构钻头，增强了钻头本体在粘塑夹层和硬塑性夹层的钻井效率和切削齿的承载能力；提尚了钻头刀翼的寿命，有利于延长混合式钻井钻头寿命；3、钻头在工作过程中产生的冲击载荷较多的由牙轮切削齿承受，进一步降低了PDC复合片的冲击载荷，减少了 PDC复合片冲击破损的几率，从而提高钻头的整体切削效率和机械钻速。【附图说明】图1是传统的混合钻头的俯视图；图2是传统的混合钻头的侧视图；图3是传统的混合钻头的切削结构分布侧视图；图4是本技术所述刀翼与牙轮布置位置的示意图；图5是本技术所述锥形齿和圆片剪切齿在刀翼轮廓的分布方法和特征的示意图；图6是本技术所述实施例一中混合式钻井钻头的俯视图；图7是本技术所述实施例一中混合式钻井钻头的侧视图；图8是本技术所述实施例二中混合式钻井钻头的俯视图；图9是本技术所述实施例三中混合式钻井钻头的俯视图；图10是本技术所述实施例三中混合式钻井钻头的侧视图；图11是本技术所述实施例四中混合式钻井钻头的俯视图；图12是本技术所述各实施例中圆片剪切齿在刀翼上的后倾角变化示意图；图13是本技术所述各实施例中锥形齿在刀翼上的前倾角变化示意图；图14是图6中刀翼13的锥形齿和刀翼32的圆片剪切齿的出露高差在同一半径位置的前后关系图。图15是描述图14中锥形齿和圆片剪切齿的出露高差示意图，反映了图6中刀翼13的锥形齿和刀翼32的圆片剪切齿钻井时的轨迹关系。图16是图8所述实施例中刀翼60上圆片剪切齿和锥形齿的出露高差在同一半径位置的前后关系图。图17是描述图16中圆片剪切齿和锥形齿的出露高差示意图，反映了图8所述实施例中刀翼60上圆片剪切齿和锥形齿的出露高差在钻井时的井底轨迹示意图。图18是图11所述实施例中在仅有锥形齿的刀翼上有后排锥形齿，描述在同一刀翼上前、后排锥形齿的出露高差在同一半径位置的前后关系图。图19是描述图18中前排锥形齿和后排锥形齿的出露高差示意图，反映了图11中在同一刀翼113上前、后排锥形齿钻井时形成的井底轨迹示意图。【具体实施方式】下面结合附图对本技术作进一步说明:图1、图2、图3所示的是申请号为200880016630.0的中国专利文献中的混合钻头，包括钻头本体5、刀翼200、牙掌300和牙轮100，刀翼200和牙掌300均与钻头本体5的上端固定连接。图1和图2以不同的方式描述了两刀翼和双牙轮组合的混合钻头；图3简化描述了牙轮上的切削齿和刀翼上剪切齿的分布方式，反映了国内外传统混合钻头特点。为了便于各实施例的描述，各实施例中各部件的标号均按照附图所示的标注进行描述，下述各实施例中的牙轮、牙掌、刀翼均与图1、图2、图3中的牙轮100、牙掌300和刀翼200对应。如图6和图7所示，本技术所述混合式井下钻井钻头包括钻头本体5、前排有圆片剪切齿的刀翼32和仅有锥形齿的刀翼13、牙掌10和牙轮11 ;其均与钻头本体5固定连接，牙掌10的下端与钻头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合式井下钻井钻头，包括钻头本体、刀翼、牙掌和牙轮，所述刀翼和所述牙掌均与所述钻头本体的上端固定连接，其特征在于：所述牙掌的下端与所述钻头本体的侧壁固定连接，所述牙轮通过轴颈与所述牙掌的上端可转动连接，所述牙轮的中轴线与所述钻头本体的中轴线之间设置有夹角，所述刀翼上设置有多个锥形齿或/和圆片剪切齿，所述牙轮上设置有多个凿形齿和平头齿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩育民，闭磊，刘志鹏，程天辉，
申请(专利权)人：成都百施特金刚石钻头有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51