專利名稱：旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山開采、地質(zhì)鉆探、建筑工程、隧道工程、盾構及非開挖等技術設備領域，涉及由旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭。
背景技術：
鉆頭是鉆井過程中，直接與巖石接觸，通過切削、沖壓等作用破碎巖石的工具。 現(xiàn)代鉆井工程中廣泛使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金剛石復合片鉆頭)。當今，牙輪鉆頭和PDC鉆頭都已發(fā)展到相當高的水平，但仍存在一些不可克服的問題。一是怕劃眼和擴眼，使密封軸承的牙輪鉆頭，特別是PDC 鉆頭先期損壞；二是對井底中心巖石的運動小，功能不足，中心巖石不易破碎，影響鉆頭的機械鉆速，牙輪鉆頭和PDC鉆頭中心布齒少、易磨損，也是鉆頭失效的主要原因。以下分別對本發(fā)明的背景相關的三牙輪鉆頭、單牙輪鉆頭、PDC鉆頭、復合鉆頭特點進行分析。三牙輪鉆頭三牙輪鉆頭鉆進時破巖形式為沖擊壓碎破巖，通過牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用破碎巖石，形成井徑(見圖8 )。由于巖石的抗壓強度遠大于抗剪和抗拉強度，而三牙輪鉆頭利用牙齒對巖石的沖擊作用來破巖，能量利用率不高。特別是在深井鉆井等高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應明顯，鉆頭牙齒難以沖擊破碎巖石，故破巖效率相對較低。三牙輪鉆頭軸承壽命是制約鉆頭使用壽命的主要因素之一，軸承承受鉆壓引起的載荷，加上三牙輪鉆頭以沖擊形式破巖，軸承受到的沖擊載荷大，載荷幅值高，加之三牙輪鉆頭的增速效應三牙輪鉆頭輪體速比(鉆井時牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)大于1，即鉆頭鉆進時牙輪轉(zhuǎn)速大于鉆頭鉆速，所以軸承轉(zhuǎn)速相對較快，導致三牙輪鉆頭的軸承壽命較短。從三牙輪鉆頭破巖過程和運動軌跡分析，牙輪上的牙齒與井底井壁巖石接觸時間較少，牙齒在井底滑移的距離也較小，影響了鉆進效率。單牙輪鉆頭單牙輪鉆頭則是依靠牙齒對地層的沖擊、滾壓和刮切三種方式破碎巖石，尤其是刮切運動的方向在牙輪表面的各個部位都不同，即不同排數(shù)的牙齒在井底沿不同方向的軌跡，作較長距離的滑移來切削地層，并形成網(wǎng)狀的井底軌跡(見圖9)。單牙輪鉆頭的特點是牙輪轉(zhuǎn)速低，軸承尺寸較大，使用壽命優(yōu)于三牙輪鉆頭，但是單牙輪鉆頭有無法回避的缺點單牙輪鉆頭的滿眼結(jié)構決定其破巖過程中容易發(fā)生重復破碎，排屑困難。牙齒耐磨性嚴重不足，一旦發(fā)生牙齒磨鈍或斷齒，機械鉆速急劇下降。PDC鉆頭PDC鉆頭破巖形式為刮削巖石，在鉆井、地質(zhì)乃至建筑工程中運用越來越廣泛，在鉆井工程中使用的比例越來越大。在鉆頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鉆頭鉆進時各切削齒的運動軌跡為相對固定的同心圓環(huán)帶(見圖10)。由于其破巖機理和結(jié)構差異，PDC鉆頭適用于較高鉆速和軟至中硬地層。其不足主要有以下方面
(1)井底條件要求高如果井底有異物，會導致PDC鉆頭產(chǎn)生崩齒或熱摩擦現(xiàn)象，溫度升高燒黑胎體，甚至熔化釬焊層，產(chǎn)生掉齒現(xiàn)象，影響機械鉆速，加速鉆頭失效。(2) PDC齒失效的嚴重后果與牙輪鉆頭相比較，PDC鉆頭個別齒的失效(掉齒、崩齒等)會嚴重增加附近PDC齒的載荷，加快其磨損速度，加劇鉆頭失效。(3)心部破巖效率不高PDC鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯， 外肩部切削巖石比例大，磨損速度快。心部PDC齒接觸破巖效率低，磨損則較慢。牙輪鉆頭+牙輪鉆頭的復合鉆頭此類型復合鉆頭將牙輪鉆頭與牙輪鉆頭復合， 井眼中心和井眼外圍均由牙輪鉆頭牙齒完成。有多種復合形式，應用場合包括擴孔、非開挖中，其不足主要有
(1)中心破巖效率不高由于復合鉆頭由牙輪鉆頭組成，其破巖形式仍為沖擊破碎，能量利用率不高。同牙輪鉆頭一樣，在高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應明顯，鉆頭牙齒難以沖擊破碎巖石，破巖效率相對較低，尤其是井眼中心部位， 情況更為嚴重。(2)井眼外圍鉆頭磨損嚴重此類型復合鉆頭井眼外圍附近，牙輪鉆頭牙輪尺寸相對較小，但鉆進過程轉(zhuǎn)速高，會加速鉆頭的磨損和失效，同時導致鉆頭出現(xiàn)磨牙背現(xiàn)象。(3)中心和外圍牙輪壽命不等、復合鉆頭壽命不高基于此類型復合鉆頭的破巖機理和結(jié)構組成，中心破巖效率不高，而井眼外圍的牙輪結(jié)構尺寸小、轉(zhuǎn)速高、磨損嚴重，導致井眼中心和井眼外圍的牙輪鉆頭壽命差異，難以實現(xiàn)復合鉆頭整體優(yōu)化和壽命提高。刮刀鉆頭+牙輪鉆頭的復合鉆頭考慮牙輪鉆頭鉆進頁巖和其他塑性巖層時，壓持作用易造成井底泥包，隨著鉆深和井底壓力以及泥漿比重的增加，泥包現(xiàn)象會更加嚴重。 而刮刀鉆頭或固定切削齒鉆頭受此影響較小，初期復合中將此兩種鉆頭結(jié)合，簡單地將刮刀鉆頭和牙輪鉆頭結(jié)合在一起，由于鉆頭刀翼部分會過早出現(xiàn)磨損導致機械鉆速甚至低于牙輪鉆頭，此結(jié)構最終沒有實現(xiàn)商業(yè)化。動態(tài)穩(wěn)定復合鉆頭將牙輪和PDC鉆頭結(jié)合，其設計基于四刀翼和六刀翼PDC鉆頭結(jié)構，副刀翼位置被短尺寸的牙輪替代。井眼中心位置的鉆進由位于主刀翼上的PDC切削齒完成破巖的，井眼外圍部分的鉆進由牙輪和PDC切削齒共同完成。此結(jié)構進行鉆速有一定提高(在頁巖或其他塑性地層中鉆進，鉆速比牙輪鉆頭提高2、倍。在硬質(zhì)研磨性地層中的機械鉆速約是牙輪的2倍，PDC的1.5倍)。此復合鉆頭中心破巖由刀翼完成，仍然不能改變PDC鉆頭中心破巖效率低的現(xiàn)象。同時復合鉆頭中的牙輪鉆仍然是大圈切削井眼外圍，小齒圈切削井眼中心部位，不能有效改善軸承尺寸，提高鉆頭壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設計一種由旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，復合鉆頭切削單元包括旋切鉆頭和牙輪鉆頭切削單元。。鉆進過程井眼中心部分鉆進由旋切鉆頭完成，井眼外圍由牙輪鉆頭完成。復合鉆頭中的旋切鉆頭切削齒以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，實現(xiàn)破巖， 中心破巖效率高，機械鉆速高，具有更好的動力學性能，磨損均勻，同時改進鉆頭軸承結(jié)構， 確保提高破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命，提高復合鉆頭切削能力，保徑效果好。為實現(xiàn)本發(fā)明目的，采用如下技術方案
旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，包括鉆頭主體，其特征在于由旋切鉆頭與牙輪鉆頭復合；旋切鉆頭的旋切牙輪(2)的安裝面與鉆頭主體(1)上的牙輪軸頸連接，旋切牙輪的工作面朝向井壁與井底；牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角即輪體夾角Λ的范圍為『< ,^iin。，軸頸偏移量的范圍為，其中β 為 Pυ < ρ <yus2λD^wtt頭
旋切鉆頭直徑；復合鉆頭中心由旋切鉆頭組成，井眼外圍由牙輪鉆頭組成；井眼中心位置的鉆進由旋切鉆頭切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由牙輪鉆頭切削齒完成。前述旋切牙輪工作面指牙輪上布置切屑齒的圓錐面，而安裝面是在該錐面的底面方向上。本發(fā)明的復合鉆頭結(jié)構特點包括
(1)復合鉆頭由旋切鉆頭和牙輪鉆頭形成井眼中心部分的鉆進由旋切鉆頭切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由牙輪鉆頭切削齒完成。(2)復合鉆頭中的旋切鉆頭旋切鉆頭包括主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)。所述的旋切鉆頭至少包含一個由旋切鉆頭牙輪(2)與主體(1)上牙輪軸頸所
構成的連接，其輪體夾角盧的范圍為0° <應< 90。(包含斿=βΜ及為* Α+ι )，軸頸偏移量的范圍為—(包含及)，其中，旋切鉆頭牙輪對應的輪
2Ibi - ijItl "2 ^ "i+1
體夾角力，輪對應的軸頸偏移量為巧， 嫩為旋切鉆頭直徑。(3)旋切鉆頭牙輪旋切鉆頭牙輪(2)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的旋切鉆頭牙輪(2)結(jié)構有銑齒牙輪、鑲齒牙輪、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)牙輪；所述的旋切鉆頭牙輪(2)數(shù)目> 1。(4)旋切鉆頭切削齒旋切鉆頭切削齒(3)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒、棱錐齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)齒圈數(shù)目> 1。(5)牙輪鉆頭牙輪牙輪鉆頭牙輪(4)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的 PDC刀翼(4)數(shù)目彡1。(6)牙輪鉆頭切削齒牙輪鉆頭切削齒(5)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒、棱錐齒；所述的牙輪鉆頭切削齒(5)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的牙輪鉆頭切削齒(5)數(shù)目> 1。(7)鉆頭主體鉆頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述鉆頭主體(1)上有扶正塊，扶正塊表面敷焊有耐磨合金或鑲嵌有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料。(8)復合方式復合鉆頭的復合方式包括整體加工、組焊、絲扣連接等。本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭將牙輪朝向井壁或井底，破巖過程中，牙輪內(nèi)排齒 (即大圈齒)可切削井底中心，提高中心破巖效率；牙輪上的每圈齒都能以旋切方式?jīng)_擊壓碎切削井底和井壁巖石。根據(jù)上述發(fā)明，已于2010年9月試制出了旋切模擬鉆頭，并在臺架上進行了試驗。 旋切鉆頭鉆出的井底輪廓(見圖7)與三牙輪鉆頭和PDC鉆頭鉆出的井底輪廓完全不同。三牙輪鉆頭和PDC鉆頭的破碎帶都是同心圓(見圖8和圖10)，而本發(fā)明復合鉆頭中的的旋切鉆頭的破碎帶是成菊狀的螺旋線。螺旋線在井壁處密集并消失，充分證明了牙輪上各排齒都能切削井底和井壁，形成井徑。內(nèi)排齒破碎帶螺旋線長，外排齒破碎帶螺旋線短，可使內(nèi)外排齒的工作負載比較均勻。螺旋線的破碎帶，說明旋切鉆頭破巖機理，每排齒既有沖擊壓碎作用，又能切削巖石。同時提高中心破巖效率，從而提高鉆頭機械鉆速。由于旋切鉆頭破巖方式特點，所以能適應各種鉆井需要，在側(cè)鉆和水平井鉆井中比現(xiàn)有牙輪鉆頭和金剛石鉆頭更為優(yōu)越。根據(jù)以上分析，軸頸偏移值S增大，會增大切削齒在井底的徑向滑移和周向滑移， 即增大切削齒在井底的總的滑移量。輪體夾角盧取值范圍為於<535°，軸頸偏移值s
ηη
取值范圍為能更好地實現(xiàn)切削齒以旋切方式破巖。優(yōu)化和力， 44s P
可達到增大牙輪切削齒在井底和井壁滑移量，降低輪體速比的目的。本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭的性能特點包括
(1)旋切方式破巖本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭鉆進過程中，主體(1)上的牙輪軸頸指向井壁或井底，與旋切鉆頭軸線交一夾角又偏移鉆頭軸線(即於，)時，旋切鉆頭牙輪(2)以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，實現(xiàn)破巖鉆進。鉆進過程旋切鉆頭切削齒(3) 不僅隨著牙輪滾動，形成對地層的壓碎，同時通過其在井底的滑移過程切削地層，破巖效率高。根據(jù)不同的鉆井需求，改變輪體夾角於、軸頸偏移值以及牙輪(2)尺寸和形狀，可以使牙輪(2)上的各排切削齒(3)都切削到對應的井眼中心、井眼邊緣及井壁，還能鉆出要求的井底形狀。(2)中心破巖性能高鉆進過程中，旋切鉆頭對應的井眼中心位置由大圈齒完成， 由于旋切鉆頭切削齒圈中大齒圈直徑最大，齒數(shù)多(可比三牙輪鉆頭中央布齒多6倍以上)， 相對切削速度高，可以從根本上解決現(xiàn)在三牙輪鉆頭和PDC鉆頭心部破巖效率低的問題。(3)機械鉆速提高旋切鉆頭的結(jié)構(關鍵參數(shù)包含輪體夾角岸和軸頸偏移值S) 決定了其破巖形式為沖擊、擊碎、切削作用，同時對應的井眼中心破巖效率和進取性高，避免了滿眼問題和重復破碎現(xiàn)象，利于排屑，提高鉆頭機械鉆速。(4)更好的動力學性能與牙輪鉆頭沖擊形式破巖相比，旋切鉆頭的破巖形式為沖擊、擊碎、切削作用，連續(xù)的切削作用使鉆頭受到的沖擊載荷小，載荷幅值降低。同時旋切鉆頭輪體速比(牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)小于1，即鉆頭鉆進時牙輪轉(zhuǎn)速小于鉆頭鉆速，所以軸承轉(zhuǎn)速相對較慢，旋切鉆頭振動沖擊減小。與普通PDC鉆頭相比，旋切鉆頭扭轉(zhuǎn)振蕩減小，低轉(zhuǎn)速下的粘滑和高轉(zhuǎn)速下的井眼螺旋現(xiàn)象減少。在本發(fā)明進行的臺架實驗結(jié)果，也證明了與同尺寸、同工況條件下的牙輪鉆頭、PDC鉆頭相比，旋切鉆頭具備上述特點。更好的動力學性能使旋切鉆頭具有更大的適用范圍和更好的控制能力。(5)輪體速比小于1、軸承壽命條件改善、旋切鉆頭壽命提高旋切鉆頭的輪體速比小于1，而且牙輪的軸頸尺寸能比同規(guī)格的三牙輪鉆頭設計得更大，在軸頸的強度和鉆頭使用壽命方面比牙輪鉆頭有明顯優(yōu)勢。本發(fā)明復合鉆頭的旋切鉆頭在破巖過程中，井底和井壁對鉆頭產(chǎn)生的合力推動牙輪緊貼軸頸平面，這有利于改善軸承密封性能，提高軸承使用壽命，基于軸承壽命對于鉆頭的重要意義，從而實現(xiàn)旋切鉆頭壽命的提高。
(6)保徑作用旋切鉆頭所有切削齒圈都能切削井底和井壁，形成井徑。如果最先切削井壁的那圈齒磨損變短，第二圈齒就會接替第一圈齒的工作，實現(xiàn)保徑，不致鉆孔越來越小。如果第二圈齒也磨損失效，第三圈齒仍可實現(xiàn)保徑，以此類推。由于本發(fā)明復合鉆頭的旋切鉆頭具有所有齒圈都能切削旋切鉆頭對應井徑的特點，使其具有三牙輪鉆頭所不及的保徑和側(cè)鉆能力，保徑效果好。本發(fā)明中復合鉆頭由旋切鉆頭和牙輪鉆頭形成，鉆進過程中，井眼中心位置的鉆進由旋切鉆頭切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由牙輪鉆頭切削齒完成，具有以下特點
(1)提高破巖效率和機械鉆速旋切鉆頭以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，旋切鉆頭的破碎帶是成菊狀的螺旋線，螺旋線在井壁處密集并消失。旋切鉆頭和牙輪鉆頭兩種切削軌跡的作用，有效提高鉆頭的破巖效率。(2)切削齒磨損均勻本結(jié)構中旋切鉆頭切削齒能對牙輪鉆頭切削齒的易磨損和失效區(qū)域起到特殊加強作用，本復合鉆頭結(jié)構實現(xiàn)旋切鉆頭和牙輪鉆頭切削齒的磨損均勻的同時，顯著提高復合鉆頭的工作壽命。(3)提高鉆頭壽命
對旋切鉆頭而言，由于旋切鉆頭所需鉆壓相對較小，鉆壓波動幅度較??；輪體速比小于 1 ；軸承尺寸條件改善，牙輪的軸頸尺寸能比同規(guī)格的三牙輪鉆頭設計得更大；井底和井壁對鉆頭產(chǎn)生的合力推動牙輪緊貼軸頸平面，有利于改善軸承密封性能，提高軸承使用壽命， 因而復合型鉆頭可以達到比三牙輪鉆頭更高的軸承壽命。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明復合鉆頭井眼中心部分鉆進由旋切鉆頭完成，井眼外圍由牙輪鉆頭完成。復合鉆頭中的旋切鉆頭以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，中心破巖效率高，機械鉆速高，具有更好的動力學性能，磨損均勻，同時改進鉆頭軸承結(jié)構，確保提高破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命，提高復合鉆頭切削能力。復合鉆頭中不同的復合結(jié)構可實現(xiàn)中心破巖性能高、機械鉆速高的效果。


本發(fā)明

如下
圖1為本發(fā)明復合鉆頭的結(jié)構示意圖，包括主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)、牙輪鉆頭牙輪(4)、牙輪鉆頭切削齒(5)、儲油囊(6)、噴嘴(7)。鉆頭主體(1)包括牙輪軸頸、扶正塊、高壓泥漿通道和連接絲扣。鉆進過程中，井眼中心部分的鉆進由旋切鉆頭切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由牙輪鉆頭切削齒完成。圖2為本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭結(jié)構示意圖，包括鉆頭主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)。鉆頭主體(1)包括牙輪軸頸、扶正塊、高壓泥漿通道和連接絲扣。牙輪(2)的大端到小端布置多圈切削齒。圖3為本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭的切削原理及主要設計參數(shù)輪體夾角軸頸偏移值S、旋切鉆頭直徑仏》^的關系示意圖4為本發(fā)明復合鉆頭中旋切鉆頭牙輪數(shù)目為3，輪體夾角於= °，軸頸偏移值
，且一個切心部，一個不切心部，牙輪鉆頭為三牙輪結(jié)構時的復合鉆頭仰視圖；圖5為圖4對應的復合鉆頭的牙輪齒圈投影示意圖6為本發(fā)明復合鉆頭中旋切鉆頭牙輪數(shù)目為1，輪體夾角於= °，軸頸偏移值
η
牙輪鉆頭為兩牙輪結(jié)構時，復合鉆頭的結(jié)構示意圖7為本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭牙輪數(shù)目為2，鉆頭直徑D= 4乂_，輪體夾角
#:3()。，軸頸偏移值5 = $罾1的試驗鉆頭進行模擬試驗及鉆出的井底輪廓；
圖8為三牙輪鉆頭直徑D = 4 M"鉆出的井底輪廓； 圖9為單牙輪鉆頭直徑D= 鉆出的井底輪廓； 圖10為PDC鉆頭直徑D = 4M"鉆出的井底輪廓。
具體實施例方式如圖1 圖7所示旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，包括主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)、旋切鉆頭牙輪(4)、旋切鉆頭切削齒(5)、儲油囊(6)、 噴嘴(7)。鉆頭主體(1)包括牙輪軸頸、扶正快、高壓泥漿通道和連接絲扣。主體(1)
輪體夾角應的范圍為<彡< 90° (包含爲=Α+ι β- Pui )，軸頸偏移量s的范圍為 ηη
—一(包含。_ 及)，其中，旋切鉆頭牙輪對應的輪體夾角為
雞，輪 對應的軸頸偏移量為巧，[、搬.為旋切鉆頭直徑。實施例1
當本發(fā)明的旋切鉆頭的A %。，s =，直徑β —43/,鉆速為 ,
ρ =20-^t ΑΜ = IoUfpm
時，實驗用材料分別選用洪雅石225x200X150 #33，青砂石150x 150xl00 3 ,實驗過
程收集巖屑，分析破巖難易程度及振動情況，檢查切削齒磨痕及方向，計算牙輪和鉆頭的輪體速比。實施例結(jié)果和理論計算同時表明實施例1對應參數(shù)條件下，輪體速比小于1，本實施例中小于0. 55 ；巖性越硬，牙輪轉(zhuǎn)速越高，輪體速比越高。實施例2
當牙輪2的$，直徑_43/",鉆速為w 1Rnmw，實驗用材
P = Ju20jjSk^ia3^ - q Λη - IdUrpm
料分別為洪雅石:225χ200χ 150臓3，青砂石150χ 150χIOC^ot3 ,實驗過程收集巖屑，分析破巖難易程度及振動情況，檢查切削齒磨痕及方向，計算牙輪和鉆頭的輪體速比。實施例結(jié)果和理論計算同時表明對應s=-^^時，巖性越硬，牙輪轉(zhuǎn)速降低，輪體速比小于實施例1對應的值。
8
綜合對比分析上述實施結(jié)果可得本發(fā)明復合鉆頭中的旋切鉆頭切削齒以旋切方式破巖，具有更好的動力學性能，磨損均勻，軸承工作條件改善，鉆頭使用壽命長，保徑效果好；優(yōu)化輪體夾角於和軸頸偏移值S，可達到增大牙輪切削齒在井底和井壁滑移量、降低輪體速比的目的，提高旋切鉆頭的破巖效率和機械鉆速。不同的復合鉆頭結(jié)構可實現(xiàn)不同的性能特點。
權利要求
1.旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，包括鉆頭主體，其特征在于由旋切鉆頭與牙輪鉆頭復合；旋切鉆頭的旋切牙輪(2)的安裝面與鉆頭主體(1)上的牙輪軸頸連接，旋切牙輪的工作面朝向井壁與井底；牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角即輪體夾角巧的范圍為『< ^一如。，軸頸偏移量的范圍為，其中β 為Pυ < ρ < yus22以》-叻貼旋切鉆頭直徑；復合鉆頭中心由旋切鉆頭組成，井眼外圍由牙輪鉆頭組成；井眼中心位置的鉆進由旋切鉆頭切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由牙輪鉆頭切削齒完成。
2.根據(jù)權利要求1所述的旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，其特征在于所述的旋切鉆頭牙輪(2)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的旋切鉆頭牙輪(2)結(jié)構有銑齒牙輪、鑲齒牙輪、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)牙輪；所述的旋切鉆頭牙輪(2)數(shù)目> 1。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，其特征在于所述旋切鉆頭的削齒(3)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒、棱錐齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)齒圈數(shù)目> 1。
4.根據(jù)權利要求1所述的旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，其特征在于所述牙輪鉆頭的牙輪(4)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的牙輪鉆頭牙輪(4)數(shù)目> 1。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，其特征在于所述牙輪鉆頭的削齒(5)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒、棱錐齒；所述的牙輪鉆頭切削齒(5)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的牙輪鉆頭切削齒(5)數(shù)目> 1。
6.根據(jù)權利要求1所述的旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，其特征在于所述鉆頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述鉆頭主體(1)上有扶正塊， 扶正塊表面敷焊有耐磨合金或鑲嵌有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料。
7.根據(jù)權利要求1所述的旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，其特征在于所述的復合鉆頭的復合方式包括整體加工、組焊、絲扣連接等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由旋切鉆頭與牙輪鉆頭形成的復合鉆頭，包括主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)、牙輪鉆頭牙輪(4)、牙輪鉆頭切削齒(5)、儲油囊(6)、噴嘴(7)。鉆頭主體(1)包括牙輪軸頸、扶正快、高壓泥漿通道和連接絲扣。本發(fā)明的特點復合鉆頭切削單元包括旋切鉆頭和牙輪鉆頭切削單元。鉆進過程井眼中心部分鉆進由旋切鉆頭完成，井眼外圍由牙輪鉆頭完成。復合鉆頭中的旋切鉆頭以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，中心破巖效率高，機械鉆速高，具有更好的動力學性能，磨損均勻，同時改進鉆頭軸承結(jié)構，確保提高破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命，保徑效果好。復合鉆頭中不同的復合結(jié)構可實現(xiàn)中心破巖性能高、機械鉆速高的效果。
文檔編號E21B10/43GK102400646SQ20111039002
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權日2011年11月30日
發(fā)明者曾德發(fā), 李舒, 楊琳, 田家林 申請人:四川深遠石油鉆井工具有限公司