CN209653976U - 一种双轴支撑牙轮-pdc复合钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双轴支撑牙轮‑PDC复合钻头，包括钻头体，所述钻头体的切削装置由牙轮钻头和PDC钻头复合而成；所述牙轮钻头包括与钻头体本体固定连接的牙掌，所述牙掌可旋转设置具有牙轮切削齿的牙轮体；所述PDC钻头包括与钻头体本体固定连接的固定刀翼，所述固定刀翼上设置PDC齿；还包括内部为空心的牙轮轴，所述牙轮轴贯穿牙轮体，一端连接牙掌、另一端连接固定刀翼，所述牙轮体与牙轮轴通过键或者花键固定连接，相对钻头体转动，能够明显改善轴承的受力情况，且没有轴向锁定装置，轴承***的承载能力将大大增加，延长轴承***寿命，轴承在受力均匀的情况下能明显提升轴承的密封能力，从而提高延长钻头的使用寿命。

Description

一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头

技术领域

本实用新型属于石油天然气钻探领域，涉及一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和PDC钻头，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿)来剪切和破碎岩石，PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

美国贝克休斯公司提出的牙轮—PDC混合式钻头是在传统的PDC切削结构基础上增加牙轮切削装置而形成的。当混合钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩,因此混合钻头依靠两种方式破碎岩石，它在某些特殊地层—如砾石地层，不均质地层能获得较好的效果。

在现有的牙轮—PDC混合钻头中，牙轮体是安装在独立的牙掌上，其轴承为单支承结构，轴承的轴颈一端固接在钻头体的牙掌上，另一端为自由端，即轴颈为单端固定的悬臂梁结构，牙轮套装在牙掌的轴颈上与钻头体形成转动连接。为防止钻头工作时牙轮轴向窜动和脱落，在轴颈和牙轮体之间设置有轴向锁定装置(如滚珠锁定装置)，轴向锁定装置需在轴颈和牙轮体内加工环形槽，环形槽的存在影响了轴颈和牙轮的强度和轴承耐磨能力，减短了轴承的使用寿命；其二，即使在轴承结构中设置牙轮的轴向锁定装置，仍然存在因轴向锁定装置失效而导致牙轮脱落的可能，牙轮脱落事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响；其三为了保证牙轮切削装置的强度，其牙轮的轴承结构和牙轮体本身体积太大，占据钻头宝贵的布齿空间；其四为了保证牙轮轴承的强度就需要加大轴承的尺寸，就相应降低牙轮壳体的厚度，从而容易导致牙轮壳体的开裂，牙齿的固齿强度不够等情况的发生。上述缺点的存在将严重制约混合钻头的使用。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供了一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，解决了上述钻头中牙轮使用寿命较短的问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，包括钻头体，所述钻头体的切削装置由牙轮钻头和PDC钻头复合而成；所述牙轮钻头包括与钻头体本体固定连接的牙掌，所述牙掌可旋转设置具有牙轮切削齿的牙轮体；所述PDC钻头包括与钻头体本体固定连接的固定刀翼，所述固定刀翼上设置PDC齿；还包括内部为空心的牙轮轴，所述牙轮轴贯穿牙轮体，一端连接牙掌、另一端连接固定刀翼，所述牙轮体与牙轮轴通过键或者花键固定连接，相对钻头体转动。

采用现有设备中的牙轮PDC复合钻头，具体的，CN201720487832.X一种牙轮PDC复合钻头；这一公开实用专利中有描写，本方案不做赘述；本方案提出一种双轴支撑牙轮—PDC复合钻头，这样能结合复合钻头的结构特点，充分利用钻头切削结构区域的几何空间，牙轮轴吸收与缓冲振动，其承载能力增强，增加轴承的散热面积与润滑效果，从而延长钻头的使用寿命；采用的牙轮轴是空心轴，空心轴是指在轴体的中心设置有一通孔，轴的空心度是指空心轴中心通孔的半径与轴的半径的比值，参考图2，轴的空心度H＝R2/R1，R1为空心轴轴半径，R2为空心轴中通孔的半径；

牙轮轴两端分别与牙掌、固定刀翼连接，实现切削装置的双侧支撑，且没有轴向锁定装置，能够明显改善轴承的受力情况，轴承在受力均匀的情况下能提升轴承的密封能力，从而延长钻头的使用寿命，这样双支撑的牙轮壳体厚度将增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故，依靠牙掌和固定刀翼侧面对牙轮体起到轴向止推和限位的作用，这样能减小切削装置掉落的风险。由于轴承为双侧支撑，其承载能力大大提高，让牙轮轴变成空心轴提供了条件，空心轴的传递有效扭矩增加，刚度有所减小，但能起到吸振缓冲的作用，增加轴承的散热面积与润滑效果，从而延长钻头的使用寿命。

进一步地，所述固定刀翼与牙掌数量相同。现有的常用数量为3。

进一步地，所述固定刀翼与牙掌通过牙轮轴连接，且牙轮轴的中点位于钻头体的中心线上。当牙轮轴的中点位于钻头体的中心线上时，表明了连接方式是对角连接，而不是相邻连接，对角连接效果更好，减小应力作用。

进一步地，所述牙掌的固定块上设置多个牙轮切削齿，与钻头体通过螺栓或者焊接的方式固定。牙掌上设置牙轮切削齿可以在下井使用的时候，提高切削效率。

进一步地，所述牙掌与牙轮体的连接处设置密封圈，延长设备的使用寿命。

进一步地，所述牙轮轴与牙掌为一体式结构。这样的结构有利于钻头的加工、制造与装配，增强了牙轮轴的稳定性，其中牙掌上的牙轮体相对牙轮轴转动只形成的一套轴承副，方便加工与制造。牙轮体与牙轮轴相对转动，且牙轮轴相对钻头体转动。牙轮体、牙轮轴、钻头体两两相互转动，形成多个转动副，即使其中一个转动副失效，其他转动副也能正常工作，能延长轴承***的寿命。

进一步地，所述与固定刀翼相连接的牙轮轴上设置有滚珠轴向锁定结构。滚珠轴向锁定设置非承载区域的牙轮轴上，不会减小轴承的承载能力，同时防止牙轮与牙掌掉落井底。

进一步地，所述牙轮轴与固定刀翼连接的一端设置螺纹，螺纹设置非承载区域的牙轮轴上，不会减小轴承的承载能力，同时防止牙轮与牙掌掉落井底。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型中一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，能够明显改善轴承的受力情况，且没有轴向锁定装置，轴承***的承载能力将大大增加，延长轴承***寿命，轴承在受力均匀的情况下能明显提升轴承的密封能力，从而提高延长钻头的使用寿命；

2.本实用新型中一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，依靠牙掌能对牙轮体起到轴向止推和限位的作用，这样能显著减小牙轮掉落的风险；

3.本实用新型中一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，牙轮壳体厚度将大大增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故。

4.本实用新型中一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，空心轴的传递有效扭矩增加，刚度有所减小，但能起到吸振缓冲的作用，增加轴承的散热面积与润滑效果，从而延长钻头的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1为本实用新型的牙轮-PDC复合钻头剖视图

图2为空心轴剖视图

图3为本实用新型牙轮-PDC复合钻头示意图

图4为图3的俯视图

图5为现有牙轮轴承结构示意图

图6为牙轮与牙轮轴通过键连接示意图

图7为牙掌与牙轮轴固定连接示意图

图8牙轮、牙轮轴、钻头两两相互转动示意图

图9为与刀翼连接的牙轮轴端设置有滚珠轴向装置示意图

图10为与刀翼连接的牙轮轴与轴孔设置有螺纹示意图；

图中标记：1-钻头体，21-固定刀翼，22-PDC齿，31-牙轮体，32-牙轮切削齿，33-牙掌，34-牙轮轴，35-螺纹，4-水孔，5-密封圈，6-条形焊缝，61-平面焊缝，7-滚珠，8-键，9-堵头。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

结合图1-图10，本实用新型的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，包括钻头体1，所述钻头体1的切削装置由牙轮钻头和PDC钻头复合而成；所述牙轮钻头包括与钻头体1本体固定连接的牙掌33，所述牙掌33可旋转设置具有牙轮切削齿32的牙轮体31；所述PDC钻头包括与钻头体1本体固定连接的固定刀翼21，所述固定刀翼21上设置PDC齿22；还包括内部为空心的牙轮轴34，所述牙轮轴34贯穿牙轮体31，一端连接牙掌33、另一端连接固定刀翼21，所述牙轮体31与牙轮轴34通过键8或者花键固定连接，相对钻头体1转动。

工作时：充分利用钻头体1切削装置结构区域的几何空间，牙轮轴34吸收与缓冲振动，其承载能力增强，增加轴承的散热面积与润滑效果，从而延长钻头的使用寿命；采用的牙轮轴34是空心轴，空心轴是指在轴体的中心设置有一通孔，轴的空心度是指空心轴中心通孔的半径与轴的半径的比值，参考图2，轴的空心度H＝R2/R1R1为空心轴轴半径，R2为空心轴中通孔的半径；牙轮轴34两端分别与牙掌33、固定刀翼21连接，实现切削装置的双侧支撑，且没有轴向锁定装置，能够明显改善轴承的受力情况，轴承在受力均匀的情况下能提升轴承的密封能力，从而延长钻头的使用寿命，这样双支撑的牙轮壳体厚度将增加，有效减少现有牙轮钻头因牙轮壳体开裂或破损等引起牙轮脱落掉入井底而产生井下事故，依靠牙掌33和固定刀翼2侧面对牙轮体31起到轴向止推和限位的作用，这样能减小切削装置掉落的风险。由于轴承为双侧支撑，其承载能力大大提高，让牙轮轴34变成空心轴提供了条件，空心轴的传递有效扭矩增加，刚度有所减小，但能起到吸振缓冲的作用，增加轴承的散热面积与润滑效果，从而延长钻头的使用寿命。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，

进一步地，作为优选方案；所述固定刀翼21与牙掌33数量相同。现有的常用数量为3，还包括水孔4，水孔4位于固定刀翼21和牙掌33之间，设置在钻头体1本体上。

进一步地，作为优选方案；所述固定刀翼21与牙掌33通过牙轮轴34连接，且牙轮轴34的中点位于钻头体1的中心线上。固定刀翼21与钻头体1焊接连接，形成条形焊缝6；当牙轮轴的中点位于钻头体的中心线上时，表明了连接方式是对角连接，而不是相邻连接，对角连接效果更好，减小应力作用。

进一步地，作为优选方案；所述牙掌33的固定块上设置多个牙轮切削齿32，与钻头体1通过螺栓或者焊接的方式固定。牙掌上设置牙轮切削齿可以在下井使用的时候，提高切削效率。

进一步地，作为优选方案；所述牙掌33与牙轮体31的连接处设置密封圈5。延长设备的使用寿命。牙掌33内部与钻头体1连接处设置堵头9，所述牙轮轴34在堵头9的位置与钻头体1焊接，形成堵头9形状的平面焊缝61。

进一步地，作为优选方案；所述牙轮轴34与牙掌33为一体式结构。这样的结构有利于钻头的加工、制造与装配，增强了牙轮轴的稳定性，其中牙掌上的牙轮体相对牙轮轴转动只形成的一套轴承副，方便加工与制造。牙轮体与牙轮轴相对转动，且牙轮轴相对钻头体转动。牙轮体、牙轮轴、钻头体两两相互转动，形成多个转动副，即使其中一个转动副失效，其他转动副也能正常工作，能延长轴承***的寿命。

进一步地，作为优选方案；所述与固定刀翼21相连接的牙轮轴34上设置有滚珠7轴向锁定结构。滚珠轴向锁定设置非承载区域的牙轮轴上，不会减小轴承的承载能力，同时防止牙轮与牙掌掉落井底。

进一步地，作为优选方案；所述牙轮轴34与固定刀翼21连接的一端设置螺纹35，螺纹设置非承载区域的牙轮轴上，不会减小轴承的承载能力，同时防止牙轮与牙掌掉落井底。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，包括钻头体(1)，所述钻头体(1)的切削装置由牙轮钻头和PDC钻头复合而成；所述牙轮钻头包括与钻头体(1)本体固定连接的牙掌(33)，所述牙掌(33)可旋转设置具有牙轮切削齿(32)的牙轮体(31)；所述PDC钻头包括与钻头体(1)本体固定连接的固定刀翼(21)，所述固定刀翼(21)上设置PDC齿(22)；其特征在于：还包括内部为空心的牙轮轴(34)，所述牙轮轴(34)贯穿牙轮体(31)，一端连接牙掌(33)、另一端连接固定刀翼(21)，所述牙轮体(31)与牙轮轴(34)通过键(8)或者花键固定连接，相对钻头体(1)转动。

2.根据权利要求1所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述固定刀翼(21)与牙掌(33)数量相同。

3.根据权利要求2所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述固定刀翼(21)与牙掌(33)通过牙轮轴(34)连接，且牙轮轴(34)的中点位于钻头体(1)的中心线上。

4.根据权利要求1所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述牙掌(33)的固定块上设置多个牙轮切削齿(32)，与钻头体(1)通过螺栓或者焊接的方式固定。

5.根据权利要求1所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述牙掌(33)与牙轮体(31)的连接处设置密封圈(5)。

6.根据权利要求1所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述牙轮轴(34)与牙掌(33)为一体式结构。

7.根据权利要求1所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述与固定刀翼(21)相连接的牙轮轴(34)上设置有滚珠(7)轴向锁定结构。

8.根据权利要求1所述的一种双轴支撑牙轮-PDC复合钻头，其特征在于：所述牙轮轴(34)与固定刀翼(21)连接的一端设置螺纹(35)。