CN113006703B - 一种耐磨的pdc-牙轮复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨的PDC‑牙轮复合钻头，包括PDC钻头和单牙轮钻头，PDC钻头长度方向开设有螺纹孔，单牙轮钻头通过螺纹安装在螺纹孔内；PDC钻头包括钻头本体，钻头本体的圆周上均布有若干刀翼，刀翼上固定嵌入有若干PDC切削齿；相邻的两片刀翼之间的钻头本体上开设有与钻头本体内部的第一主流道连通的第一辅流道；单牙轮钻头的螺纹段开设的一圈半圆形凹槽和每片刀翼上安装的与半圆形凹槽配合、用以限制PDC钻头和单牙轮钻头松动的限位机构。本方案的单牙轮钻头和PDC钻头具有连接稳定性好，流道防堵塞，耐磨性好等优点。

Description

一种耐磨的PDC-牙轮复合钻头

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻探用钻头，特别是一种耐磨的PDC-牙轮复合钻头。

背景技术

钻扩眼技术是近年来兴起的一项钻井新技术，其采用的是随钻扩眼工具边钻边扩原理，最终实现井眼尺寸比领眼钻头尺寸大，以达减小开眼尺寸，增大完井尺寸的目的。目前，为了配合膨胀管技术及非常规井深结构的应用，在国外同心随钻扩眼技术发展迅速。同心随钻扩眼能够提高钻速是由两个方面因素控制，一是扩眼台阶处岩石应力集中，容易破碎；二是领眼钻头较小，能获得足够的机械能量。

目前的同心随钻扩眼主要采用单牙轮钻头和PDC钻头组成，部分将两者设置为一体，部分将两者采用螺纹连接为一体；虽然两者连接方式都具有边钻边扩的优点，但是在使用时仍存在如下不足：

设置为一体时，扩眼时虽能够保证两者的稳定性，但是单牙轮钻头和PDC钻头中任一部件损坏后，只能整体报废，不能进行更换；螺纹连接为一体的方式，扩眼时虽能满足损坏后的可更换性，但是，单牙轮钻头和PDC钻头的稳定性欠佳，若是钻头卡紧时出现反转，很容易使两部件出现松动，影响对岩体的破碎。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种耐磨的PDC-牙轮复合钻头，其解决了现有技术中单牙轮钻头和PDC钻头连接稳定性差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种耐磨的PDC-牙轮复合钻头，包括PDC钻头和单牙轮钻头，PDC钻头长度方向开设有螺纹孔，单牙轮钻头通过螺纹安装在螺纹孔内；PDC钻头包括钻头本体，钻头本体的圆周上均布有若干刀翼，刀翼上固定嵌入有若干PDC切削齿；

相邻的两片刀翼之间的钻头本体上开设有与钻头本体内部的第一主流道连通的第一辅流道；单牙轮钻头的螺纹段开设的一圈半圆形凹槽和每片刀翼上安装的与半圆形凹槽配合、用以限制PDC钻头和单牙轮钻头松动的限位机构；

限位机构包括保径齿及刀翼与半圆形凹槽对应的位置处开设的与螺纹孔连通的台阶孔；台阶孔由外至内包括连通的第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔，且第二圆孔的直径小于第一圆孔和第三圆孔的直径；第二圆孔内活动安装有连杆，且连杆的两端延伸至第一圆孔和第三圆孔内；

连杆位于第三圆孔内的端部焊接有直径等于半圆形凹槽直径的钢珠；第一圆孔侧壁和连杆位于第一圆孔的端部均开设有旋向相反的螺纹段；保径齿内部开设有带螺纹的槽体、陷入第一圆孔的外表面开设有螺纹，保径齿通过螺纹与连杆固定在一起后，再通过螺纹与第一圆孔固定；保径齿延伸出第一圆孔的表面为弧形面。

本发明的有益效果为：本方案设置半圆形凹槽和限位机构后，在单牙轮钻头通过螺纹安装到位后，将保径齿安装在连杆的端部，之后通过保径齿旋进第一圆孔，将钢珠压入半圆形凹槽中，以实现限位机构对单牙轮钻头轴向的限位，保证复合钻头不管是正转还是反转，PDC钻头和单牙轮钻头都不会出现松动。

第二圆孔小于第三圆孔的直径的独特设置，可以避免更换复合钻头时，钢珠和连杆从台阶孔中拔出，需要再次安装的问题。第一圆孔和连杆端部螺纹旋向相反的独特设置，可以避免保径齿内部和外部同步从连杆和第一圆孔中退出，而出现保径齿完全脱离第一圆孔和连杆时，钢珠却未完全重半圆形凹槽中退出，影响PDC钻头和单牙轮钻头之间的更换。

本方案限位机构的保径齿，一方面可以作为钢珠压入和旋出的启动部件，另一方面保径齿向上凸起的弧面结构与井壁接触时，可以减小复合钻头与井壁接触时受到的摩擦阻力。

附图说明

图1为耐磨的PDC-牙轮复合钻头的立体图。

图2为耐磨的PDC-牙轮复合钻头的剖视图。

图3为图2中A部的放大图。

图4为图2中B部的放大图。

图5为圆盘形切削刀的俯视图。

其中，1、PDC钻头；11、螺纹孔；12、钻头本体；13、刀翼；131、PDC切削齿；14、第一主流道；15、第一辅流道；16、限位机构；161、保径齿；162、台阶孔；1621、第三圆孔；163、连杆；164、钢珠；17、防堵机构；171、第一轴承；172、圆盘形切削刀；1721、芯轴；1722、外圈体；1723、切削刀片；

2、单牙轮钻头；21、牙轮本体；22、第二轴承；23、牙轮；24、储存腔；25、油道；26、储油机构；261、耐磨块；262、连接体；263、油囊；264、油嘴；27、半圆形凹槽；28、第二主流道；29、第二辅流道。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，本方案提供的耐磨的PDC-牙轮23复合钻头包括PDC钻头1和单牙轮23钻头2，PDC钻头1长度方向开设有螺纹孔11，单牙轮23钻头2通过螺纹安装在螺纹孔11内；PDC钻头1和单牙轮23钻头2采用螺纹进行连接，可以在两者中任一部件损坏后，进行及时更换，保证钻头的利用率。

如图2和图4所示，单牙轮钻头2包括牙轮本体21和通过第二轴承安装在牙轮本体21延伸轴上的牙轮23，牙轮23上均布有若干PDC切削齿131；牙轮本体21上开设有储存腔24和与储存腔24连通、并延伸至第二轴承22的油道25，储存腔24内安装有给第二轴承22提供润滑油的储油机构26。

复合钻头在高速旋转时，产生的向心力能够将储油机构26中的润滑油甩出，而通过油道25进入第二轴承22处，以对第二轴承22起到润到作用，从而保证牙轮23本体21自转的流畅性。

如图4所示，实施时，本方案优选储油机构26包括圆柱形的耐磨块261和外表面开设有螺纹的连接体262，连接体262的下端安装有油囊263，油囊263上的油嘴264延伸至油道25内；

耐磨块261内开设有安装槽，耐磨块261的外表面和安装槽内均开设有旋向相反的螺纹，耐磨块261通过螺纹与连接体262固定在一起后，再通过螺纹与储存腔固定；耐磨块261延伸出储存腔的表面为弧形面。

储油机构26的安装说明：首先将油囊263的油嘴264安装在油道25中，之后将耐磨块261与连接体262安装在一起，之后将油囊263完全压入安装槽中，旋动耐磨块261，使耐磨块261固定安装在安装槽中，以实现对储油机构26的安装。

其中，耐磨块261的设置主要有如下几个作用：其一方便通过旋动装入或拔出连接体262和油囊263；其二，对油囊263进行封装保护，以避免单牙轮23钻头2钻进时，产生的岩屑损坏油囊263；其三，耐磨块261可以提高牙轮23本体21未设置PDC齿处的耐磨性，以提高牙轮23本体21的使用寿命。

PDC钻头1包括钻头本体12，钻头本体12的圆周上均布有若干刀翼13，刀翼13上固定嵌入有若干PDC切削齿131；相邻的两片刀翼13之间的钻头本体12上开设有与钻头本体12内部的第一主流道14连通的第一辅流道15。

单牙轮23钻头2的螺纹段开设的一圈半圆形凹槽27和每片刀翼13上安装的与半圆形凹槽27配合、用以限制PDC钻头1和单牙轮23钻头2松动的限位机构16。限位机构16的设置，可以保证复合钻头不管是正转还是反转，PDC钻头1和单牙轮23钻头2都不会出现松动。

如图2和图3所示，限位机构16包括保径齿161及刀翼13与半圆形凹槽27对应的位置处开设的与螺纹孔11连通的台阶孔162；台阶孔162由外至内包括连通的第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔1621，且第二圆孔的直径小于第一圆孔和第三圆孔1621的直径；第二圆孔内活动安装有连杆163，且连杆163的两端延伸至第一圆孔和第三圆孔1621内。

第二圆孔小于第三圆孔1621的直径，可以避免更换复合钻头时，钢珠164和连杆163从台阶孔162中拔出，需要再次安装的问题。第二圆孔小于第一圆孔的直径，可以保证保径齿161的顺利安装。

连杆163位于第三圆孔1621内的端部焊接有直径等于半圆形凹槽27直径的钢珠164；第一圆孔侧壁和连杆163位于第一圆孔的端部均开设有旋向相反的螺纹段；保径齿161内部开设有带螺纹的槽体、陷入第一圆孔的外表面开设有螺纹，保径齿161通过螺纹与连杆163固定在一起后，再通过螺纹与第一圆孔固定；保径齿161延伸出第一圆孔的表面为弧形面。

限位机构16的安装说明：将钢珠164和连杆163的焊接结构从螺纹孔11放入台阶孔162，并使连杆163伸入第一圆孔中；之后拉动连接杆，使连接杆的螺纹段位于第三圆孔1621外，将保径齿161安装在连杆163的端部；在保证钢珠164完全位于第三圆孔1621后，将单牙轮23钻头2固定安装在PDC钻头1的螺纹孔11中，之后旋动保径齿161，使保径齿161进入第一圆孔中，旋入保径齿161时使得钢珠164完全进入半圆形凹槽27，实现对PDC钻头1和单牙轮23钻头2的限位。

如图2和图3所示，单牙轮23钻头2上还包括与的第一主流道14连通的第二主流道28，第二主流道28与单牙轮23钻头2上的第二辅流道29连通，且第二辅流道29的延线相交。单牙轮23钻头2通过第二轴承22自转时，从第二辅流道29快速流出的液体，能够对牙轮23表面进行冲刷，以避免碎屑卡在牙轮23表面，影响牙轮23的钻进速度。

如图3所示，第一辅流道15和第二辅流道29的末端均安装有防堵机构17，防堵机构17包括与第一辅流道15/第二辅流道29过盈配合的第一轴承171，第一轴承171内圈焊接有圆盘形切削刀172，且圆盘形切削刀172上具有供流体穿过的通道。

安装防堵机构17后，从第一主流道14快速进入的第一辅流道15和第二辅流道29的流体会带动圆盘形切削刀172旋转，圆盘形切削刀172快速旋转时能够对进入的岩屑进行切割，以避免岩屑堵住流道，影响液体流出，进而影响复合钻头的散热，从而保证复合钻头的钻进速度。

如图5所示，圆盘形切削刀172包括芯轴1721和与轴承内圈焊接的外圈体1722，外圈体1722和芯轴1721之间连接有切削刀片1723，通道为相邻切削刀片1723之间的间隙；所有通道在外圈体1722圆面上的投影和大于等于所有切削刀片1723在外圈体1722圆面上的投影和。

圆盘形切削刀172可以一体成型，比如压铸的方式成型；通道和切削刀片1723投影的独特设置，可以使流体顺利通过通道的同时，具有足够大的流速，以保证带动叶轮的快速转动。

实施时，本方案优选单牙轮23钻头2未安装于螺纹孔11内部分的外表面采用物理气相沉积工艺沉积有一层碳化钛涂层。碳化钛涂层的引入，可以保证单牙轮23钻头2在钻进时的耐磨性能，从而保证其使用寿命。

综上所述，本方案的单牙轮23钻头2和PDC钻头1具有连接稳定性好，流道防堵塞，耐磨性好等优点。

Claims (4)

1.一种耐磨的PDC-牙轮复合钻头，包括PDC钻头和单牙轮钻头，所述PDC钻头长度方向开设有螺纹孔，所述单牙轮钻头通过螺纹安装在所述螺纹孔内；所述PDC钻头包括钻头本体，所述钻头本体的圆周上均布有若干刀翼，所述刀翼上固定嵌入有若干PDC切削齿；

相邻的两片刀翼之间的钻头本体上开设有与钻头本体内部的第一主流道连通的第一辅流道；其特征在于，所述单牙轮钻头的螺纹段开设的一圈半圆形凹槽和每片刀翼上安装的与半圆形凹槽配合、用以限制PDC钻头和单牙轮钻头松动的限位机构；

所述限位机构包括保径齿及刀翼与半圆形凹槽对应的位置处开设的与所述螺纹孔连通的台阶孔；所述台阶孔由外至内包括连通的第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔，且所述第二圆孔的直径小于第一圆孔和第三圆孔的直径；所述第二圆孔内活动安装有连杆，且连杆的两端延伸至第一圆孔和第三圆孔内；

连杆位于第三圆孔内的端部焊接有直径等于半圆形凹槽直径的钢珠；所述第一圆孔侧壁和连杆位于第一圆孔的端部均开设有旋向相反的螺纹段；所述保径齿内部开设有带螺纹的槽体、陷入第一圆孔的外表面开设有螺纹，所述保径齿通过螺纹与连杆固定在一起后，再通过螺纹与第一圆孔固定；所述保径齿延伸出第一圆孔的表面为弧形面；

所述单牙轮钻头上还包括与所述的第一主流道连通的第二主流道，所述第二主流道与单牙轮钻头上的第二辅流道连通，且与所述第二辅流道的延线相交；第二辅流道流出的液体，能够对牙轮表面进行冲刷；所述第一辅流道和第二辅流道的末端均安装有防堵机构，所述防堵机构包括与第一辅流道/第二辅流道过盈配合的第一轴承，所述第一轴承内圈焊接有圆盘形切削刀，且所述圆盘形切削刀上具有供流体穿过的通道；

所述单牙轮钻头包括牙轮本体和通过第二轴承安装在牙轮本体延伸轴上的牙轮，所述牙轮本体上开设有储存腔和与储存腔连通、并延伸至第二轴承的油道，所述储存腔内安装有给所述第二轴承提供润滑油的储油机构。

2.根据权利要求1所述的耐磨的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述圆盘形切削刀包括芯轴和与轴承内圈焊接的外圈体，所述外圈体和芯轴之间连接有切削刀片，通道为相邻切削刀片之间的间隙；所有通道在外圈体圆面上的投影和大于等于所有切削刀片在外圈体圆面上的投影和。

3.根据权利要求1所述的耐磨的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述储油机构包括圆柱形的耐磨块和外表面开设有螺纹的连接体，所述连接体的下端安装有油囊，所述油囊上的油嘴延伸至所述油道内；

所述耐磨块内开设有安装槽，所述耐磨块的外表面和所述安装槽内均开设有旋向相反的螺纹，所述耐磨块通过螺纹与连接体固定在一起后，再通过螺纹与储存腔固定；所述耐磨块延伸出储存腔的表面为弧形面。

4.根据权利要求1-3任一所述的耐磨的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述单牙轮钻头未安装于所述螺纹孔内部分的外表面采用物理气相沉积工艺沉积有一层碳化钛涂层。