專(zhuān)利名稱(chēng)：一種強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種用于石油、天然氣和地質(zhì)鉆井用的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，該鉆頭適用于在硬地層和夾層地層的鉆井。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)鉆井遇到硬地層時(shí)，常用的PDC金剛石鉆頭主要是通過(guò)刮削運(yùn)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)井下鉆進(jìn)，金剛石鉆頭的鼻部和肩部上主要的固定切削齒很難有效吃入井底巖石，金剛石鉆頭的機(jī)械鉆速將變得非常緩慢；而牙輪鉆頭以沖擊壓碎方式破碎巖石，容易使巖石產(chǎn)生較深的破碎齒坑，但由于地層硬，不能使巖石產(chǎn)生體積破碎，故牙輪鉆頭切削齒的切削效率也很低。另外一方面，當(dāng)鉆頭遇到一些軟硬夾層較多的地層時(shí)，PDC金剛石鉆頭的固定切削齒極易受到?jīng)_擊破損，為了應(yīng)對(duì)這種情況，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN200880016630.0公開(kāi)了由牙輪鉆頭和PDC金剛石鉆頭組合而成的混合鉆頭，該混合鉆頭雖有較強(qiáng)的綜合性能，但存在以下的不足:由于三牙輪鉆頭特有沖擊壓碎的破巖機(jī)理，牙輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的沖擊載荷易導(dǎo)致鉆頭的固定切削齒復(fù)合片破碎，從而導(dǎo)致鉆頭機(jī)械鉆速的降低，且該鉆頭上最靠近鉆頭軸向中心的是固定切削齒，由于該固定切削齒太靠近鉆頭軸向中心，回轉(zhuǎn)半徑小，切削速度低，因而切削效率低；且該固定切削齒速度單獨(dú)切削井底軸向中心巖石，承受的載荷較大，易出現(xiàn)復(fù)合層破碎或脫落。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，它不僅綜合性能強(qiáng)，能對(duì)井底巖石進(jìn)行有效地預(yù)破碎，使得鉆頭的固定切削齒有效吃入巖石，而且能減少對(duì)固定切削齒的沖擊，增強(qiáng)鉆頭心部的切削效率和機(jī)械鉆速，從而提高鉆頭的切削效率和機(jī)械鉆速。本實(shí)用新型為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:包括有鉆頭體，鉆頭體上設(shè)置刀翼和噴嘴，刀翼輪廓從內(nèi)至外劃分為心部、內(nèi)錐、鼻部、肩部和保徑段；在刀翼上刀翼輪廓的內(nèi)錐、鼻部、肩部和保徑段安設(shè)有固定切削齒，牙掌設(shè)置于刀翼之間，所述的牙掌上端與鉆頭體聯(lián)接成一體，牙掌的下端安設(shè)牙輪，牙輪上安設(shè)有牙輪切削齒，其不同之處在于在所述的鉆頭體下端心部設(shè)置有活動(dòng)切削齒。按上述方案，所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)之外，所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)與固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)之間的距離為0.3 "5毫米。按上述方案，所述的刀翼為2 4個(gè)；所述的牙輪為2 4個(gè)。按上述方案，所述的活動(dòng)切削齒包括軸向盲孔和安設(shè)于軸向盲孔的活動(dòng)切削齒，活動(dòng)切削齒的軸線(xiàn)與鉆頭體軸線(xiàn)相偏離，偏離距為0.5 40毫米。按上述方案，所述的活動(dòng)切削齒為圓軸狀，前端部設(shè)置有花瓣形的切削齒，軸部為階梯形，前部直徑較小，活動(dòng)切削齒與鉆頭體心部設(shè)置的階梯形軸向盲孔相配置，軸向盲孔中安設(shè)有軸向擋環(huán)，擋環(huán)與鉆頭體相固聯(lián)。按上述方案，所述的活動(dòng)切削齒直徑為5 40毫米，所述的前端部花瓣形切削齒沿周向設(shè)置有2飛個(gè)切削刃。按上述方案，所述的牙輪為鑲齒牙輪，所述的活動(dòng)切削齒由硬質(zhì)合金或聚晶金剛石制成，或由硬質(zhì)合金和聚晶金剛石復(fù)合而成。按上述方案，所述的固定切削齒為金剛石復(fù)合片。按上述方案，所述的牙輪的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與鉆頭體的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)成30° 70°的夾角。本實(shí)用新型的有益效果在于:1、將牙輪鉆頭的沖擊壓入和金剛石鉆頭的刮削運(yùn)動(dòng)相有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井底預(yù)破碎，保證固定切削齒有效吃入巖石，消除鉆頭在一些特殊地層發(fā)生粘滑現(xiàn)象，降低固定切削齒的沖擊載荷，減少固定切削齒沖擊破損的幾率，提高鉆頭切削效率和機(jī)械鉆速；2、鉆頭體心部安設(shè)的活動(dòng)切削齒，由于相對(duì)于鉆頭體軸線(xiàn)偏置，因而活動(dòng)切削齒相對(duì)井底巖石的運(yùn)動(dòng)速度較大，即活動(dòng)切削齒的切削速度較大，且活動(dòng)切削齒的多切削刃同時(shí)切削，強(qiáng)化了鉆頭心部的切削效率和機(jī)械鉆速；3、由于牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)之外，鉆頭在工作過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊載荷主要由牙輪切削齒承受，進(jìn)一步降低了 PDC復(fù)合片的沖擊載荷，減少了 PDC復(fù)合片沖擊破損的幾率，從而提高鉆頭的整體切削效率和機(jī)械鉆速。

圖1為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例倒立時(shí)的立體圖。圖2為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例倒立時(shí)的俯視圖。圖3為本實(shí)用新型的牙輪切削齒與固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)的投影圖。圖4為圖2的A-A剖視圖。圖5為圖4中的活動(dòng)切削齒所在區(qū)域的局部放大圖。圖6為活動(dòng)切削齒的立體圖。圖7為擋環(huán)的立體圖。圖8為當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，現(xiàn)有混合鉆頭或PDC鉆頭心部的固定切削齒的切削速度分布圖。圖9為活動(dòng)切削齒自轉(zhuǎn)時(shí)的切削速度分布圖。圖10為圖8及圖9中的速度合成后的切削速度分布圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施例。包括有鉆頭體I，鉆頭體上沿周向設(shè)置3個(gè)刀翼2和噴嘴7，刀翼的輪廓17從內(nèi)至外劃分為心部21、內(nèi)錐22、鼻部23、肩部24和保徑段25 ;刀翼上輪廓的內(nèi)錐22、鼻部23、肩部24和保徑段25分別安設(shè)有固定切削齒3，固定切削齒3為金剛石復(fù)合片；鉆頭體上各刀翼間設(shè)置有牙掌4，所述的牙掌上端與鉆頭體I焊接成一體，牙掌的下端設(shè)置軸頸，牙輪5套裝在軸頸上并通過(guò)鋼珠軸向鎖定，牙輪的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)9與鉆頭體的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)8成45°飛0°的夾角α。牙輪上安設(shè)有牙輪切削齒6，所述的牙輪上的牙輪切削齒位于刀翼輪廓的鼻部23和肩部24位。在刀翼輪廓的心部21，亦即鉆頭體的下端心部設(shè)置有一軸向盲孔，軸向盲孔中安設(shè)有一活動(dòng)切削齒10并由軸向擋環(huán)13軸向定位，軸向盲孔軸線(xiàn)亦即活動(dòng)切削齒軸線(xiàn)11相對(duì)于鉆頭體軸線(xiàn)8偏離，偏離距為5 25毫米；所述的活動(dòng)切削齒為圓軸狀，直徑為1(Γ30毫米，前端部設(shè)置有花瓣形的切削齒，切削齒沿周向設(shè)置有3個(gè)切削刃12，軸部為階梯形，前部直徑較小，活動(dòng)切削齒與階梯形軸向盲孔相配置，軸向盲孔中安設(shè)有軸向擋環(huán)，擋環(huán)與鉆頭體相固聯(lián)，所述的活動(dòng)切削齒由硬質(zhì)合金和聚晶金剛石復(fù)合而成。所述的軸向盲孔為階梯孔，軸向擋環(huán)13安設(shè)在下端階梯孔中，活動(dòng)切削齒10可在軸向盲孔中轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)19在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)18之外，牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)與固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)之間的距離C為0.5^1毫米。當(dāng)鉆頭體繞自身軸線(xiàn)8旋轉(zhuǎn)時(shí)，現(xiàn)有混合鉆頭或PDC鉆頭心部的固定切削齒的切削速度分布圖如圖8所示，此時(shí)混合鉆頭或PDC鉆頭心部的固定切削齒上靠近鉆頭體軸線(xiàn)8的部分切削速度很低；活動(dòng)切削齒繞自身軸線(xiàn)11自轉(zhuǎn)時(shí)，活動(dòng)切削齒的切削速度分布圖如圖9所示；當(dāng)活動(dòng)切削齒既隨鉆頭公轉(zhuǎn)，又繞自身軸線(xiàn)11自轉(zhuǎn)時(shí)，合成的切削速度分布圖如圖10所示，此時(shí)活動(dòng)切削齒上靠近鉆頭體軸線(xiàn)8的部分切削速度有較大幅度提高。本實(shí)用新型工作時(shí)，將牙輪鉆頭的沖擊壓入和金剛石鉆頭的刮削運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，牙輪切削齒實(shí)現(xiàn)井底預(yù)破碎，保證固定切削齒有效吃入巖石，消除鉆頭在一些特殊地層發(fā)生粘滑現(xiàn)象，降低固定切削齒的沖擊載荷，減少固定切削齒沖擊破損的幾率，提高鉆頭切削效率和機(jī)械鉆速；鉆頭體的中心部位安設(shè)的活動(dòng)切削齒10，由于相對(duì)于鉆頭體軸線(xiàn)偏置，因而活動(dòng)切削齒相對(duì)井底巖石的運(yùn)動(dòng)速度較大，即活動(dòng)切削齒切削速度較大，且活動(dòng)切削齒的多切削刃同時(shí)切削， 進(jìn)一步提高鉆頭心部的切削效率和機(jī)械鉆速。
權(quán)利要求1.一種強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，包括有鉆頭體，鉆頭體上設(shè)置刀翼和噴嘴，刀翼輪廓從內(nèi)至外劃分為心部、內(nèi)錐、鼻部、肩部和保徑段；在刀翼上刀翼輪廓的內(nèi)錐、鼻部、肩部和保徑段安設(shè)有固定切削齒，牙掌設(shè)置于刀翼之間，所述的牙掌上端與鉆頭體聯(lián)接成一體，牙掌的下端安設(shè)牙輪，牙輪上安設(shè)有牙輪切削齒，其特征在于在所述的鉆頭體下端心部設(shè)置有活動(dòng)切削齒。
2.按權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)在所述的固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)之外，所述的牙輪切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)與固定切削齒的最外輪廓包羅線(xiàn)之間的距離為0.3 5毫米。
3.按權(quán)利要求1或2所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的刀翼為2 4個(gè)。
4.按權(quán)利要求3所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的牙輪為2 4個(gè)。
5.按權(quán)利要求1或2所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的活動(dòng)切削齒包括軸向盲孔和安設(shè)于軸向盲孔的活動(dòng)切削齒，活動(dòng)切削齒的軸線(xiàn)與鉆頭體軸線(xiàn)相偏離，偏離距為0.5 40毫米。
6.按權(quán)利要求5所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的活動(dòng)切削齒為圓軸狀，前端部設(shè)置有花瓣形的切削齒，軸部為階梯形，前部直徑較小，活動(dòng)切削齒與鉆頭體心部設(shè)置的階梯形軸向盲孔相配置，軸向盲孔中安設(shè)有軸向擋環(huán)，擋環(huán)與鉆頭體相固聯(lián)。
7.按權(quán)利要求6所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的活動(dòng)切削齒直徑為5 40毫米，所述的前端部花瓣形切削齒沿周向設(shè)置有2飛個(gè)切削刃。
8.按權(quán)利要求6或7所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的牙輪為鑲齒牙輪，所述的活動(dòng)切削齒由硬質(zhì)合金或聚晶金剛石制成，或由硬質(zhì)合金和聚晶金剛石見(jiàn)合而成。
9.按權(quán)利要求1或2所述的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，其特征在于所述的牙輪的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與鉆頭體的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)成30° 70°夾角。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及到一種用于石油、天然氣和地質(zhì)鉆井用的強(qiáng)化心部切削功能的混合鉆頭，包括有鉆頭體，鉆頭體上設(shè)置刀翼和噴嘴，刀翼輪廓從內(nèi)至外劃分為心部、內(nèi)錐、鼻部、肩部和保徑段；在刀翼上刀翼輪廓的內(nèi)錐、鼻部、肩部和保徑段安設(shè)有固定切削齒，牙掌設(shè)置于刀翼之間，所述的牙掌上端與鉆頭體聯(lián)接成一體，牙掌的下端安設(shè)牙輪，牙輪上安設(shè)有牙輪切削齒，其特征在于在所述的鉆頭體下端心部設(shè)置有活動(dòng)切削齒。本實(shí)用新型不僅綜合性能強(qiáng)，能對(duì)井底巖石進(jìn)行有效地預(yù)破碎，使得鉆頭的固定切削齒有效吃入巖石，而且能減少對(duì)固定切削齒的沖擊，增強(qiáng)鉆頭心部的切削效率和機(jī)械鉆速，從而提高鉆頭整體的切削效率和機(jī)械鉆速。
文檔編號(hào)E21B10/16GK202990861SQ20122070352
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者樊孝兵, 劉強(qiáng), 程永, 宋滿(mǎn)華, 吳素婷, 劉聰 申請(qǐng)人:江漢石油鉆頭股份有限公司