CN105113995A - 一种强化心部破岩能力的复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化心部破岩能力的复合钻头，包括钻头体，在钻头体头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼和三个短刀翼，每个长刀翼从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区，每个短刀翼仅设置有内锥区；所有长刀翼及短刀翼上均安装有固定切削齿；在三个短刀翼径向外侧分别对应设置有一个牙轮，在每个长刀翼后方与相邻牙轮之间的空位对应设置有一组喷嘴；牙轮套接在牙爪上，牙爪与钻头体固定连接为一体，牙轮外表面均布有牙轮切削齿。本发明的装置，提高钻头总进尺和纯钻时间，特别适合在诸如含石英砂岩的研磨性地层钻进作业。

Description

一种强化心部破岩能力的复合钻头

技术领域

本发明属于机械设备技术领域，涉及一种强化心部破岩能力的复合钻头。

背景技术

目前，在石油、天然气和其他探矿钻井作业中，主要运用牙轮钻头与PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。当钻遇研磨性地层时(如含石英砂岩地层)，牙轮钻头外排齿、轮背和爪尖部位磨损很快，容易导致轴承失效和井身缩径；PDC钻头难以吃入地层，或吃入地层后极易磨损，从而导致钻头进尺低和钻头肩部、保径区域失效。

现有的一种牙轮和PDC复合钻头(公开号CN104024557A)，与常规PDC钻头相比，其减少刀翼数量便于安装牙轮切削结构，牙轮及其切削齿仅覆盖在PDC钻头上固定切削齿最易发生磨损的肩部和保径区域，只依靠牙轮无法对井底岩石形成全面破碎，尤其是在钻头心部(内锥区域)，其切削能力十分薄弱，在研磨性地层钻进中，容易发生心部剧烈磨损导致钻头失效。

因此，急需研制一种新的钻头，克服上述的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种强化心部破岩能力的复合钻头，解决了现有技术中存在的钻头心部(内锥区域)切削能力薄弱，在研磨性地层钻进中，容易发生心部剧烈磨损，导致钻头失效的问题。

本发明所采用的技术方案是，

第一种，一种强化心部破岩能力的复合钻头，包括钻头体，在钻头体头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼和三个短刀翼，每个长刀翼从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区，每个短刀翼仅设置有内锥区；所有长刀翼及短刀翼上均安装有固定切削齿；

在三个短刀翼径向外侧分别对应设置有一个牙轮，在每个长刀翼后方与相邻牙轮之间的空位对应设置有一组喷嘴；牙轮套接在牙爪上，牙爪与钻头体固定连接为一体，牙轮外表面均布有牙轮切削齿。

第二种，一种强化心部破岩能力的复合钻头，在钻头体头部设置有四个长刀翼和两个短刀翼，两个短刀翼和四个长刀翼一起沿圆周均匀设置，两个短刀翼沿直径对称设置；在两个短刀翼两边分别对称设置两个长刀翼，在两个短刀翼径向外侧分别设置有一个牙轮，牙轮安装在牙爪上，牙爪固定安装在钻头体上，在每个长刀翼后方位置均设置有一个喷嘴。

本发明的强化心部破岩能力的复合钻头，其特征还在于：

牙轮的外表面为球形或多锥面形。

牙轮的轴承中心线与所对应短刀翼主切削面的周向夹角范围为-45°～+45°。

短刀翼和长刀翼的内锥区均布置硬质合金齿，其形状为锥形齿或球形齿。

本发明的有益效果是，针对现有复合钻头心部破岩能力薄弱而创新的一种心部强化结构，能有效解决复合钻头内锥区域刀翼数量少、固定切削齿覆盖间隙大、破岩能力不足的问题，提高钻头总进尺和纯钻时间，特别适合在诸如含石英砂岩的研磨性地层钻进作业，具体包括：

1)具有金刚石钻头切削破岩以及牙轮钻头地层适应性强的优点，通过牙轮切削齿冲击预破碎，辅助刀翼上的固定切削齿有效吃入岩石。2)通过长刀翼和短刀翼相结合的方式，提高钻头内锥区域布齿密度，强化复合钻头心部破岩能力和抗磨损能力，显著提高钻头破岩效率。

附图说明

图1为本发明装置实施例1的结构示意图；

图2为本发明装置实施例1的工具面俯视图；

图3为本发明装置实施例1的布齿示意图；

图4为本发明装置实施例2的结构示意图；

图5为本发明装置实施例2的工具面俯视图；

图6为本发明装置硬质合金齿12的分布示意图。

图中，1.钻头体，2.长刀翼，3.固定切削齿，4.牙轮，5.牙轮切削齿，6.短刀翼，7.喷嘴，8.牙爪，9.钢球，10.包络线一，11.包络线二，12.硬质合金齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

参照图1、图2、图3，本发明复合钻头的第一种结构是，包括钻头体1，在钻头体1头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼2和三个短刀翼6，每个长刀翼2从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区，每个短刀翼6仅设置有内锥区；所有长刀翼2及短刀翼6上均安装有固定切削齿3，固定切削齿3选用聚晶金刚石复合片；

在三个短刀翼6径向外侧分别对应设置有一个牙轮4，在每个长刀翼2后方与相邻牙轮4之间的空位对应设置有一组喷嘴7(一组为两个，三组总共六个)；牙轮4内孔通过轴承套接在牙爪8上并采用钢球9锁紧，牙爪8与钻头体1固定连接为一体，牙轮4的外表面为球形，牙轮4外表面均布有牙轮切削齿5，牙轮切削齿5为硬质合金锥形齿；

参照图3，牙轮切削齿5与长刀翼2上的鼻部区和肩部区的固定切削齿3位置对应，且牙轮切削齿5在运动方向位于所对应的固定切削齿3前方，牙轮切削齿5的齿顶形成的包络线一10在所对应固定切削齿3齿顶(加强布齿区域)形成的包络线二11之外，包络线一10与包络线二11的法向距离为h，h取值范围为0.5毫米～0.8毫米，保证牙轮切削齿5的冲击预破碎作用。

在长刀翼2和短刀翼6的内锥区为加强布齿区域，即加强布齿密度，以便提高整个复合钻头的刚度。

实施例2

参照图4、图5，本发明复合钻头的第二种结构是，在钻头体1头部设置有四个长刀翼2和两个短刀翼6，两个短刀翼6和四个长刀翼2一起沿圆周均匀设置，两个短刀翼6沿直径对称设置，在两个短刀翼6两边分别对称设置两个长刀翼2，在两个短刀翼6径向外侧分别设置有一个牙轮4，牙轮4安装在牙爪8上，牙爪8固定安装在钻头体1上，在每个长刀翼2后方位置均设置有一个喷嘴7(总共四个)。

参照图6，本发明复合钻头的第三种结构是，基于上述实施例1和2的结构，短刀翼6和长刀翼2的内锥区均布置硬质合金齿12，其形状为锥形齿或球形齿，用于提高钻头心部抗磨性能。

牙轮4的外形还可以选用多锥面形，牙轮4上固定安装的牙轮切削齿5的形状可以选用锥形齿、楔形齿、勺形齿或球形齿。牙轮4的轴承中心线与所对应短刀翼6主切削面的周向夹角范围为：-45°～+45°。

本发明在钻头心部进行多刀翼设计，通过牙轮切削齿冲击预破碎，帮助刀翼上的固定切削齿有效吃入岩石；通过长刀翼和短刀翼相结合的方式，提高钻头内锥区域布齿密度，以实现增加心部布齿密度的目的。这种结构在保证钻头稳定钻进的同时，能够提高心部破岩效率，增强其抗磨损能力，从而提高钻头破岩效率，从而提高钻头寿命。

Claims (7)

1.一种强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：包括钻头体(1)，在钻头体(1)头部围绕轴心间隔设置有三个长刀翼(2)和三个短刀翼(6)，每个长刀翼(2)从内至外依次设置为内锥区、鼻部区、肩部区和保径区，每个短刀翼(6)仅设置有内锥区；所有长刀翼(2)及短刀翼(6)上均安装有固定切削齿(3)；

在三个短刀翼(6)径向外侧分别对应设置有一个牙轮(4)，在每个长刀翼(2)后方与相邻牙轮(4)之间的空位对应设置有一组喷嘴(7)；牙轮(4)套接在牙爪(8)上，牙爪(8)与钻头体(1)固定连接为一体，牙轮(4)外表面均布有牙轮切削齿(5)。

2.根据权利要求1所述的强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：所述的牙轮切削齿(5)与长刀翼(2)上的鼻部区和肩部区的固定切削齿(3)位置对应，且牙轮切削齿(5)在运动方向位于所对应的固定切削齿(3)前方，牙轮切削齿(5)的齿顶形成的包络线一(10)在所对应固定切削齿(3)齿顶形成的包络线二(11)之外，包络线一(10)与包络线二(11)的法向距离范围为0.5毫米～0.8毫米。

3.根据权利要求1或2所述的强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：所述的牙轮切削齿(5)的形状选用锥形齿、楔形齿、勺形齿或球形齿。

4.一种强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：在钻头体(1)头部设置有四个长刀翼(2)和两个短刀翼(6)，两个短刀翼(6)和四个长刀翼(2)一起沿圆周均匀设置，两个短刀翼(6)沿直径对称设置；在两个短刀翼(6)两边分别对称设置两个长刀翼(2)，在两个短刀翼(6)径向外侧分别设置有一个牙轮(4)，牙轮(4)安装在牙爪(8)上，牙爪(8)固定安装在钻头体(1)上，在每个长刀翼(2)后方位置均设置有一个喷嘴(7)。

5.根据权利要求1或4所述的强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：所述的牙轮(4)的外表面为球形或多锥面形。

6.根据权利要求1或4所述的强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：所述的牙轮(4)的轴承中心线与所对应短刀翼(6)主切削面的周向夹角范围为-45°～+45°。

7.根据权利要求1或4所述的强化心部破岩能力的复合钻头，其特征在于：所述的短刀翼(6)和长刀翼(2)的内锥区均布置硬质合金齿(12)，其形状为锥形齿或球形齿。