一种固定切削结构-牙轮复合钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种固定切削结构‑牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，牙轮和固定切削结构布置在所述钻头体上，牙轮通过轴承结构与钻头体形成转动连接，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La≤πR/3，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb≤πR/3。本发明专利技术牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，牙轮与固定切削结构之间的空白间隙小，切削结构之间过渡平稳，钻头工作稳定性高，导向性能好，有利于提高钻头破岩效率，延长钻头使用寿命。且本发明专利技术钻出的井眼规整，井壁质量好。

A fixed cutting structure cone composite bit

【技术实现步骤摘要】
一种固定切削结构-牙轮复合钻头
本专利技术属于石油天然气、矿山工程、地热、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备
，尤其涉及一种复合钻头。
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。钻头的切削结构决定钻头的性能，影响钻头的破岩效率和使用寿命。PDC钻头和三牙轮钻头是钻井工程中常用的钻头。PDC钻头以刮切方式破碎岩石，PDC齿侵入岩石后在钻头体的旋转带动下，对岩石形成切削作用使岩石破碎。当钻头工作振动大，工作稳定性差时，PDC钻头的切削齿（PDC齿）极易崩损失效。PDC钻头在定向钻进时也易引起钻头的切削齿失效，降低钻头的钻进能力，减短钻头使用寿命。三牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破岩，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。美国贝克休斯公司提出一种混合钻头（在美国及其他国家均提出了专利申请，如PTCWO2010/132232等），该钻头由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成。钻头旋转钻进时，固定切削结构（固定刀翼）上的PDC齿以刮切方式破岩；混合钻头的牙轮切削结构与牙轮钻头类似，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩。由于两种切削结构的破岩工作原理不同，钻头结构特殊，混合钻头工作时钻头受力复杂，钻头工况复杂。混合钻头的工作稳定性常常影响钻头的使用寿命和性能。混合钻头的复杂工况带来的钻头不稳定工作常常引起钻头上PDC齿的崩损等非正常失效，明显降低钻头的钻进速度和使用寿命，并带来井下动力钻具及钻柱的损坏等安全问题。另外，混合钻头在定向钻井中也具有良好的导向性能，但由于钻头上的PDC与牙轮切削结构之间的过渡和空间上的不连续，会带来钻头定向钻进时的不稳定，制成钻头切削结构的损坏，也影响钻头工具面的频繁变化，不易控制，严重影响钻头的定向性能，降低钻头导向钻进的效率和经济性。同时，PDC与牙轮切削结构之间的过渡不连续也影响了牙轮的受力，牙轮与PDC切削结构之间有较大的空当，钻头破碎岩石时从PDC过渡到牙轮使牙轮受载突变，冲击较大，影响了牙轮的使用寿命和安全性。特别是在定向钻井和不均质地层的钻进中，问题更加突出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种固定切削结构与牙轮过渡较连续，钻头工作稳定性高的固定切削结构-牙轮复合钻头，解决现有技术的钻头工作稳定性差及定向性能低的问题，提高钻头的工作稳定性、钻进效率和使用寿命。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种固定切削结构-牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，牙轮和固定切削结构布置在所述钻头体上，牙轮通过轴承结构与钻头体形成转动连接，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/3，即La≤πR/3，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb小于等于πR/3，即Lb≤πR/3，R为钻头半径。本专利所述固定切削结构的前侧面，是指钻头旋转钻进时固定切削结构的前侧表面，即切削结构相对岩石运动时的前作用面（如图1、2的固定切削结构的前侧表面21），与金属切削中刀具切削金属时的前刀面意义类似。本专利所述固定切削结构的后侧面，是指固定切削结构的背部表面，即前侧面的背面（如图1、2的固定切削结构的后侧表面22）。本专利所述牙轮的最外齿，是指牙轮上最靠外（最远离钻头中心）的切削齿，牙轮上的切削齿常常以一圈圈的形式布置在牙轮上，此时牙轮的最外齿也就是牙轮的最外排齿圈上的齿（如图1、2的牙轮上的最外排齿圈上的齿31）。牙轮的背锥是指牙轮背部锥面（如图2牙轮的背锥32）。钻头钻进工作时，在钻压的作用下通过钻柱的旋转带动钻头旋转来破碎岩石。由于排岩屑等的需要，钻头上的切削结构之间一般会设置有流道，在周向上钻头的切削结构并不连续。由于切削结构周向不连续，使钻头在井底破岩工作时易产生振动，加剧钻头的工作不稳定性。钻头切削结构之间的空白间隙越大钻头的工作稳定性越差，钻头切削结构上的切削齿在钻头的不稳定工作及振动下越易损坏。特别是在定向钻进中，由于钻头被推向/指向井壁的某一方向，钻头偏离井眼中心对井壁及井底与井壁的过渡区域进行侧切钻进，钻头从一切削结构过渡到另一切削结构侧切井壁时，切削结构之间的空白间隙使切削结构上的切削齿产生冲击。切削结构之间的空白间隙越大，切削齿所受冲击越大，切削齿越容易损坏，钻头寿命越短。由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成的复合钻头，其破岩既有固定切削结构上切削齿的刮切破岩又有牙轮的冲压破岩，两种破岩方式的联合，使复合钻头的工作力学和工况更加复杂，其不同于常规PDC钻头的工作特性和工况，也不同于普通三牙轮钻头的工作特性和工况。复合钻头相当于在PDC钻头上引入了牙轮，牙轮有辅助PDC齿破岩的效果，但同时也使PDC齿及钻头的工况更加复杂，从牙轮的冲压破岩过渡到PDC齿的刮切破岩过程中，常常会带来PDC齿的损坏。特别是在定向钻井中，钻头侧切井壁时，有牙轮的冲压侧切转变为PDC齿的刮切侧切，突然的转化会带来PDC齿的冲击损坏。定向钻井中，钻头的外肩部及保径损坏，是复合钻头的一种常见失效形式，也是复合钻头的弱点之一。另一方面，牙轮是相对钻头本体能转动的非固定切削结构，牙轮内有轴承和密封系统。从固定切削结构的刮切过渡到牙轮的冲压，使牙轮的工况和载荷发生变化，牙轮和固定切削结构之间的距离和空白间隙（空当）越大，牙轮所受的载荷和冲击变化越大，牙轮上的切削齿和牙轮内的轴承密封系统的工况越复杂恶劣，寿命也就越低。为克服复合钻头的弱点，本专利提出牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La≤πR/3，牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb≤πR/3，R为钻头半径。这明显减小了牙轮到其前/后的固定切削结构的距离，减小牙轮与固定切削结构之间的空白间隙（空当）。本专利较现有技术的有益效果是：1、牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，牙轮与固定切削结构之间的空白间隙小，使牙轮向固定切削结构过渡时更平稳，钻头工作稳定性高，减少钻头破岩钻进时的振动，钻头工作平稳，减少钻头切削齿冲击损坏。因此本专利能延长钻头的使用寿命。2、钻头定向钻进时，较小的牙轮与固定切削结构距离，能提高牙轮向固定切削结构间的切削（破岩）过渡，减小切削结构间过渡时的冲击和切削突变，不仅有利于减少切削齿的损坏，而且有利于钻头定向工具面的控制。切削结构间过渡的距离越小，钻头工作扭矩波动越小，工具面越易控制，钻头导向性能越好。因此，本专利能明显提高钻头的定向性能及定向使用寿命。3、牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，牙轮与固定切削结构之间的过渡间距小，钻头切削结构间的破岩过渡平稳，有利于减弱牙轮牙齿及轴承的受载和冲击，能明显提高钻头牙轮的使用寿命和钻头的使用寿命。4、牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，能提高钻头工作稳定性，钻头钻出的井眼更规整，井壁质量好，能明显提高钻井安全性，且能为后续的测井、固井等施工提供良好条件。作为选择，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述固定切削齿可以为聚晶金刚石复合片、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定切削结构-牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，所述牙轮和所述固定切削结构布置在所述钻头体上，所述牙轮通过轴承结构与所述钻头体形成转动连接，其特征在于：至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/3，即La≤πR/3，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb小于等于πR/3，即Lb≤πR/3，R为钻头半径。/n

【技术特征摘要】
1.一种固定切削结构-牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，所述牙轮和所述固定切削结构布置在所述钻头体上，所述牙轮通过轴承结构与所述钻头体形成转动连接，其特征在于：至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/3，即La≤πR/3，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb小于等于πR/3，即Lb≤πR/3，R为钻头半径。


2.根据权利要求1所述的固定切削结构-牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/4，即La≤πR/4。


3.根据权利要求1所述的固定切削结构-牙轮复合钻头，其特征在于：所述牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/5，即La≤πR/5。


4.根据权利要求1、2或3所述的固定切削结构-牙轮复合钻头，其特征在于：所述前侧面到牙轮的最外齿或背锥的距离小于等于πR/3、πR/4或πR/5的固定切削结构的切...

【专利技术属性】
技术研发人员：况雨春，王勤，陈炼，石志明，
申请(专利权)人：成都海锐能源科技有限公司，西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51