一种复合刮切式金刚石钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼和盘刀，钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线。本发明专利技术能够充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削区域的几何空间，同时提出固定切削齿切削轮廓的协调性设计方法，能拓宽盘刀切削齿与固定切削齿共同切削岩石的井底区域，提升钻头的破岩效率。

A Compound Scraping Diamond Bit

The invention discloses a composite scraping type diamond bit, which comprises a bit body, a fixed blade and a disc cutter. The radial width of the cutting area of at least one disc cutter and a fixed cutting tooth on the bit is not less than 1/4 of the radius of the drill bit, and the radial area of the bottom hole where the cutting contour line of the disc cutter is located is used as the cutting ring of the disc cutter and fixed. In the common cutting area of cutting teeth, the cutting contour of fixed cutting teeth in the common cutting area is designed and determined according to the principle that the shape of cutting contour of fixed cutting teeth on the drill bit coincides with or basically coincides with the shape of cutting contour of disc cutter. The invention can make full use of the structural characteristics of the blade bit, save the geometric space of the cutting area of the bit, and put forward a coordinated design method of the cutting contour of the fixed cutting teeth, which can widen the bottom hole area of rock cutting with the disc cutter and the fixed cutting teeth, and improve the rock breaking efficiency of the bit.

【技术实现步骤摘要】
一种复合刮切式金刚石钻头
本专利技术涉及一种用于地面钻进的钻头，更具体的讲，本专利技术涉及一种复合刮切式金刚石钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。三牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是当今钻井工程中使用得最多的钻头。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩。现有三牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5°，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于1，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离也很短，钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片剪切和破碎岩石。由于PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，在油气井的钻进中得到广泛使用。冠部轮廓(亦称切削轮廓)是钻头重要的结构特征之一，与钻头布齿密度、工作受力及水力结构紧密相关。目前金刚石钻头切削轮廓形状呈抛物线状，一般包括内锥、鼻部(冠顶区域)、外锥、肩部和保径五部分。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。将所有切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图。钻头切削轮廓指在井底覆盖图中，所有齿的轴面轮廓线相切的包络曲线。同样，牙轮钻头也具有独立的切削轮廓。钻头切削轮廓反映钻头在井底刮切岩石的工作状态，为提高钻头的钻进性能，研究人员对钻头的切削轮廓开展了大量的研究，取得了一定效果。中国专利“适应于钻高研磨性地层的PDC钻头”(专利号：200810139793.X)中，布置在固定刀翼上的切削齿，在钻头轴向上呈两层布置，形成平行或者近似平行的两套切削轮廓。其目的在于不降低机械钻速的基础上，延长在高研磨性地层中的使用寿命。自2009年美国贝壳休斯公司牙轮—PDC复合钻头技术的开发成功，国内外研究单位与生产企业开始对复合钻头进行研究，并开发具有自主知识产权的专利产品。贝壳休斯公司在近年来相继向美国以及世界知识产权组织提交了多份专利申请，其中美国专利“Hybridbitwithvariableexposure”(专利号：US8336646B2)中，针对牙轮切削单元的切削轮廓与固定切削单元的切削轮廓进行了几种匹配设计。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号：201010229371.9)中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮(该申请中偏移角α的范围20°≤|α|≤90°的转轮即本申请所述盘刀)上，同时也设置了装有固定切削齿的固定切削单元(包括刀翼结构)。大偏移角的安装使盘刀切削单元上的PDC齿在井底形成螺旋线的刮痕，螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式。但盘刀切削单元的切削轮廓线是一条既非圆亦非椭圆的复杂曲线，必须采用特殊的设计方法才能保障固定刀翼与盘刀在预定井底区域内共同切削岩石。该专利技术方案中并未涉及该问题，且在钻头切削结构、盘刀轴承系统等方面存在不足或缺陷，使其技术效果受到明显限制。此外，作为现有钻头技术的重要内容，钻头牙齿按照破岩机理主要分为三大类：第一类为压碎型牙齿，主要包括由硬质合金制造的球形齿、锥形齿、楔形齿、勺形齿等，多用在牙轮钻头上通过冲击压碎作用破岩；第二类为刮切型牙齿，主要包括由聚晶金刚石等超硬材料层和硬质合金基体共同构成的切削齿，其中以PDC切削齿为代表，通过切削齿工作面的刮切作用破岩；第三类为磨削型牙齿，以孕镶齿为代表，通过牙齿内部不断出露的超硬材料颗粒对岩石的磨削作用破岩。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种复合刮切式金刚石钻头，能够充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削区域的几何空间，同时提出固定切削齿切削轮廓的协调性设计方法，能拓宽盘刀切削齿与固定切削齿共同切削岩石的井底区域，提升钻头的破岩效率。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼、盘刀，还可包括独立的盘刀支座，所述固定刀翼和盘刀支座延伸自钻头体形成一体式结构，或固定在钻头体上，所述固定刀翼上布置有固定切削齿，所述盘刀设置在盘刀支座和/或固定刀翼上，并通过盘刀轴与盘刀支座或固定刀翼形成转动连接，当所有盘刀均设置在固定刀翼上时，则钻头上取消盘刀支座。盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀的轴倾角范围是0°≤|β|≤60°，盘刀上设置有由盘刀切削齿组成的盘刀切削齿圈。钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且钻头上盘刀与固定切削齿共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线依照以下方法确定：(1)根据盘刀的直径和和盘刀基准点，盘刀的偏移角、轴倾角，按照下式计算，得到盘刀的齿圈轮廓线。其中盘刀参数的确定属于现有技术，本领域技术人员可以根据需要进行设定：对于盘刀在钻头上的位置设定，若钻头主要用于夹层岩石的破碎，则盘刀应考虑设置在钻头冠顶及附近区域，对该区域的固定切削结构进行加强；若钻头主要用在硬地层或高研磨性地层中，则应考虑将盘刀设置在钻头的外锥区域。另一方面，对于盘刀的尺寸设定，若盘刀设置于钻头芯部或内锥区域，则应该取较小的半径值，若盘刀设置于钻头冠顶或外锥区域，则应取较大的半径值；式中：Rc为盘刀基准点的定位半径，Hc为为盘刀基准点的定位高度；α为盘刀的偏移角，β为盘刀的轴倾角，rc为盘刀切削齿圈轮廓线半径，(x1,y1,z1)为盘刀切削齿圈轮廓线上任意一点在位置坐标系(直角坐标系)中的坐标，(r,h)为该点在钻头坐标系(圆柱坐标系)任一钻头轴面内的坐标，ε为盘刀的外轮廓线参数方程的极角(即盘刀切削齿圈轮廓线上特定点与O1点连线与坐标轴O1R1的夹角)，如图5所示；(2)在计算得到的盘刀切削齿圈轮廓线上所选取的工作段(在确立了盘刀各项参数的基础上，根据设计要求在盘刀切削齿圈轮廓线上人为选取的一段曲线，如图7-17中所示的D或D1、D2、D3区域所对应的部分盘刀切削齿圈轮廓线)作为盘刀的切削轮廓线，将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线。上述结构中，所述盘刀的偏移角α＝tan-1(s/c)，其中s为盘刀的移轴距，c为盘刀的基准距。如图2所示，AB为钻头中心轴线，CD为盘刀中心轴线，经过盘刀轴线CD并平行于钻头轴线AB的面为盘刀极轴面A1，A2是经过钻头轴线AB且垂直于盘刀极轴面A1的平面，A3是经过钻头轴线AB且平行于盘刀极轴面A1的平面。盘刀上表征各切削齿位置坐标的点为各切削齿的定位点，圆柱形PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点，其它类型切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。一般，盘刀上的切削齿以一圈一圈的形式布置在盘刀上，同一盘刀上布置于同一圈切削齿的集合称为一个盘刀切削齿圈，同一盘刀上可以设置一个或多个齿圈，且各齿圈直径不一定相等(盘刀体形状不一定为沿自身轴线为等直径的柱体)。在本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼和盘刀，所述固定刀翼一体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述固定刀翼上布置有固定切削齿，所述盘刀通过盘刀支座安装在钻头体上，或者直接安装在固定刀翼上，并通过盘刀轴与盘刀支座或固定刀翼形成转动连接，盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀的轴倾角范围是0°≤|β|≤60°，盘刀上设置有由盘刀切削齿组成的盘刀切削齿圈，其特征在于：钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且钻头上盘刀与固定切削齿共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线依照以下方法确定：(1)根据盘刀的直径和盘刀基准点，盘刀的偏移角、轴倾角，按照下式计算，得到盘刀的切削齿圈轮廓线：

【技术特征摘要】
2017.05.12 CN 20171033384411.一种复合刮切式金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼和盘刀，所述固定刀翼一体延伸自钻头体或固定在钻头体上，所述固定刀翼上布置有固定切削齿，所述盘刀通过盘刀支座安装在钻头体上，或者直接安装在固定刀翼上，并通过盘刀轴与盘刀支座或固定刀翼形成转动连接，盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀的轴倾角范围是0°≤|β|≤60°，盘刀上设置有由盘刀切削齿组成的盘刀切削齿圈，其特征在于：钻头上至少有一个盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/4，且钻头上盘刀与固定切削齿共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线依照以下方法确定：(1)根据盘刀的直径和盘刀基准点，盘刀的偏移角、轴倾角，按照下式计算，得到盘刀的切削齿圈轮廓线：式中：Rc为盘刀基准点的定位半径，Hc为为盘刀基准点的定位高度；α为盘刀的偏移角，β为盘刀的轴倾角，rc为盘刀切削齿圈轮廓线上任意一点在位置坐标系中的坐标，(r,h)为该点在钻头坐标系内任一钻头轴面内的坐标，ε为盘刀的外轮廓线参数方程的极角参数；(2)在计算得到的盘刀切削齿圈轮廓线上所选取的工作段作为盘刀的切削轮廓线，将盘刀切削轮廓线所在的井底径向区域作为盘刀切削齿圈与固定切削齿的共同切削区域，按照钻头上固定切削齿切削轮廓线形状与盘刀切削轮廓线形状相吻合或基本吻合的原则，设计、确定共同切削区域的固定切削齿切削轮廓线。2.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：至少有一个盘刀的直径不小于钻头半径的50％，其工作区域角不小于90°，该盘刀与固定切削齿共同切削区域的径向宽度不小于钻头半径的1/3，且钻头的冠顶区域包含在该共同切削区域之内。3.如权利要求1所述的复合刮切式金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有至少两个直径和径向位置相同或基本相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，戚清亮，张春亮，黄奎林，王吉，牛世伟，林敏，陈炼，任海涛，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51