专利名称：旋切钻头与pdc刀翼形成的复合钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及由旋切钻头和PDC刀翼形成的复合钻头。
背景技术：
钻头是钻井过程中，直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。现代钻井工程中广泛使用的钻头主要有牙轮钻头、PDC钻头(Polycrystalline DiamondCompact Bits聚晶金刚石复合片钻头)。当今,牙轮钻头和PDC钻头都已发展到相当高的水平，但仍存在一些不可克服的问题。一是怕划眼和扩眼，使密封轴承的牙轮钻头，特别是roc钻头先期损坏；二是对井底中心岩石的运动小，功能不足，中心岩石不易破碎，影响钻头的机械钻速，牙轮钻头和PDC钻头中心布齿少、易磨损，也是钻头失效的主要原因。以下分别 对本实用新型的背景相关的三牙轮钻头、单牙轮钻头、PDC钻头、复合钻头特点进行分析。三牙轮钻头三牙轮钻头钻进时破岩形式为冲击压碎破岩，通过牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破碎岩石，形成井径(见图8 )。由于岩石的抗压强度远大于抗剪和抗拉强度，而三牙轮钻头利用牙齿对岩石的冲击作用来破岩，能量利用率不高。特别是在深井钻井等高钻压情况下，由于高密度的钻井液的作用，井底的岩屑压持效应明显，钻头牙齿难以冲击破碎岩石，故破岩效率相对较低。三牙轮钻头轴承寿命是制约钻头使用寿命的主要因素之一，轴承承受钻压引起的载荷，加上三牙轮钻头以冲击形式破岩，轴承受到的冲击载荷大，载荷幅值高，加之三牙轮钻头的增速效应三牙轮钻头轮体速比(钻井时牙轮转速与钻头转速之比)大于1，即钻头钻进时牙轮转速大于钻头钻速，所以轴承转速相对较快，导致三牙轮钻头的轴承寿命较短。从三牙轮钻头破岩过程和运动轨迹分析，牙轮上的牙齿与井底井壁岩石接触时间较少，牙齿在井底滑移的距离也较小，影响了钻进效率。单牙轮钻头单牙轮钻头则是依靠牙齿对地层的冲击、滚压和刮切三种方式破碎岩石，尤其是刮切运动的方向在牙轮表面的各个部位都不同，即不同排数的牙齿在井底沿不同方向的轨迹，作较长距离的滑移来切削地层，并形成网状的井底轨迹(见图9)。单牙轮钻头的特点是牙轮转速低，轴承尺寸较大，使用寿命优于三牙轮钻头，但是单牙轮钻头有无法回避的缺点单牙轮钻头的满眼结构决定其破岩过程中容易发生重复破碎，排屑困难。牙齿耐磨性严重不足，一旦发生牙齿磨钝或断齿，机械钻速急剧下降。PDC钻头PDC钻头破岩形式为刮削岩石，在钻井、地质乃至建筑工程中运用越来越广泛，在钻井工程中使用的比例越来越大。在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，钻头钻进时各切削齿的运动轨迹为相对固定的同心圆环带(见
图10)。由于其破岩机理和结构差异，PDC钻头适用于较高钻速和软至中硬地层。其不足主要有以下方面(I)井底条件要求高如果井底有异物，会导致PDC钻头产生崩齿或热摩擦现象，温度升高烧黑胎体，甚至熔化钎焊层，产生掉齿现象，影响机械钻速，加速钻头失效。(2) PDC齿失效的严重后果与牙轮钻头相比较，PDC钻头个别齿的失效(掉齿、崩齿等)会严重增加附近PDC齿的载荷，加快其磨损速度，加剧钻头失效。(3)心部破岩效率不高PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，外肩部切削岩石比例大，磨损速度快。心部PDC齿接触破岩效率低，磨损则较慢。牙轮钻头+牙轮钻头的复合钻头此类型复合钻头将牙轮钻头与牙轮钻头复合，井眼中心和井眼外围均由牙轮钻头牙齿完成。有多种复合形式，应用场合包括扩孔、非开挖中，其不足主要有(I)中心破岩效率不高由于复合钻头由牙轮钻头组成，其破岩形式仍为冲击破碎，能量利用率不高。同牙轮钻头一样，在高钻压情况下，由于高密度的钻井液的作用，井底的岩屑压持效应明显，钻头牙齿难以冲击破碎岩石，破岩效率相对较低，尤其是井眼中心部位，情况更为严重。 (2)井眼外围钻头磨损严重此类型复合钻头井眼外围附近，牙轮钻头牙轮尺寸相对较小，但钻进过程转速高，会加速钻头的磨损和失效，同时导致钻头出现磨牙背现象。(3)中心和外围牙轮寿命不等、复合钻头寿命不高基于此类型复合钻头的破岩机理和结构组成，中心破岩效率不高，而井眼外围的牙轮结构尺寸小、转速高、磨损严重，导致井眼中心和井眼外围的牙轮钻头寿命差异，难以实现复合钻头整体优化和寿命提高。刮刀钻头+牙轮钻头的复合钻头考虑牙轮钻头钻进页岩和其他塑性岩层时，压持作用易造成井底泥包，随着钻深和井底压力以及泥浆比重的增加，泥包现象会更加严重。而刮刀钻头或固定切削齿钻头受此影响较小，初期复合中将此两种钻头结合，简单地将刮刀钻头和牙轮钻头结合在一起，由于钻头刀翼部分会过早出现磨损导致机械钻速甚至低于牙轮钻头，此结构最终没有实现商业化。动态稳定复合钻头将牙轮和PDC钻头结合，其设计基于四刀翼和六刀翼roc钻头结构，副刀翼位置被短尺寸的牙轮替代。井眼中心位置的钻进由位于主刀翼上的PDC切削齿完成破岩的，井眼外围部分的钻进由牙轮和PDC切削齿共同完成。此结构进行钻速有一定提高(在页岩或其他塑性地层中钻进，钻速比牙轮钻头提高2 4倍。在硬质研磨性地层中的机械钻速约是牙轮的2倍，PDC的I. 5倍)。此复合钻头中心破岩由刀翼完成，仍然不能改变PDC钻头中心破岩效率低的现象。同时复合钻头中的牙轮钻仍然是大圈切削井眼外围，小齿圈切削井眼中心部位，不能有效改善轴承尺寸，提高钻头寿命。
实用新型内容本实用新型设计一种由旋切钻头和PDC刀翼形成的复合钻头，复合钻头切削单元包括旋切钻头和PDC钻头切削单元。复合钻头中的旋切钻头切削齿以旋切方式冲击、压碎、切削岩石，实现破岩，中心破岩效率高，机械钻速高，具有更好的动力学性能，磨损均匀，同时改进钻头轴承结构，确保提高破岩效率的同时增加钻头使用寿命。钻进过程井眼外围由旋切钻头和PDC钻头切削齿完成，提高复合钻头切削能力，保径效果好。为实现本实用新型目的，采用技术方案如下旋切钻头和roc刀翼形成的复合钻头，包括钻头主体，其特征在于由旋切钻头与PDC钻头复合；复合钻头基于旋切钻头结构，旋切钻头的旋切牙轮(2)的安装面与钻头主体
(I)上的牙轮轴颈连接，旋切牙轮的工作面朝向井壁与井底；牙轮轴颈平面与钻头轴线夹角即轮体夹角卢的范围为O。<卢<90°，轴颈偏移量的范围为，其
s22
中4 ^为旋切钻头直径；旋切钻头覆盖复合钻头中心和井眼外围，PDC钻头是在井眼外
围范围在旋切钻头的旋切牙轮间设置的PDC钻头副刀翼；井眼中心位置的钻进由旋切钻头切削齿完成，井眼外围部分的钻进由旋切钻头和PDC钻头副刀翼的切削齿共同完成。前述旋切牙轮工作面指牙轮上布置切屑齿的圆锥面，而安装面是在该锥面的底面方向上。所述的旋切钻头由两个旋切牙轮构成，PDC钻头由两个PDC钻头副刀翼构成。本实用新型的复合钻头结构特点包括 (I)复合钻头由旋切钻头和PDC刀翼形成井眼中心部分的钻进由旋切钻头切削齿完成，井眼外围部分的钻进由旋切钻头和PDC钻头切削齿共同完成。(2)复合钻头中的旋切钻头旋切钻头包括王体(I )、旋切钻头牙轮(2)、旋切钻头切削齿(3)。所述的旋切钻头至少包含一个由旋切钻头牙轮(2)与主体(I)上牙轮轴颈所
构成的连接，其轮体夹角多的范围为0° < # < 90° (包含Pi = Α+1 Α+ι )，轴颈偏移量s
的范围为-< s <(包含Si = sul Rsi* si+l )，其中，旋切钻头牙轮对应的轮
Zi
体夹角为4，轮:对应的轴颈偏移量为巧，dM哪.为旋切钻头直径。(3)旋切钻头牙轮旋切钻头牙轮(2)为钢件、钢体与金属粉末的烧结体；所述的旋切钻头牙轮(2)结构有铣齿牙轮、镶齿牙轮、钢体与金属粉末的烧结牙轮；所述的旋切钻头牙轮(2)数目> I。(4)旋切钻头切削齿旋切钻头切削齿(3)形状包括勺形齿、楔形齿、锥球齿、球形齿、锥台齿、圆柱截头齿、棱锥齿；所述的旋切钻头切削齿(3)材质包括硬质合金、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、天然金刚石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的切削齿；所述的旋切钻头切削齿(3)齿圈数目> I。(5)PDC刀翼PDC刀翼(4)为钢件、钢体与金属粉末的烧结体；所述的PDC刀翼(4)数目彡I。(6)PDC切削齿PDC切削齿(5)形状包括勺形齿、楔形齿、锥球齿、球形齿、锥台齿、圆柱截头齿、棱锥齿；所述的PDC切削齿(5)材质包括硬质合金、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、天然金刚石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的切削齿；所述的PDC切削齿(5)数目> I。(7)钻头主体钻头主体(I)为钢件、钢材组焊件、钢体与金属粉末的烧结体；所述钻头主体(I)上有扶正块，扶正块表面敷焊有耐磨合金或镶嵌有硬质合金、聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、天然金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料。(8)复合方式复合钻头的复合方式包括整体加工、组焊、丝扣连接等。本实用新型复合钻头中的旋切钻头将牙轮朝向井壁或井底，破岩过程中，牙轮内排齿(即大圈齿)可切削井底中心，提高中心破岩效率；牙轮上的每圈齿都能以旋切方式冲击压碎切削井底和井壁岩石。根据上述实用新型，已于2010年9月试制出了旋切模拟钻头，并在台架上进行了试验。旋切钻头钻出的井底轮廓(见图7)与三牙轮钻头和PDC钻头钻出的井底轮廓完全不同。三牙轮钻头和PDC钻头的破碎带都是同心圆(见图8和
图10)，而本实用新型复合钻头中的的旋切钻头的破碎带是成菊状的螺旋线。螺旋线在井壁处密集并消失，充分证明了牙轮上各排齿都能切削井底和井壁，形成井径。内排齿破碎带螺旋线长，外排齿破碎带螺旋线短，可使内外排齿的工作负载比较均匀。螺旋线的破碎带，说明旋切钻头破岩机理，每排齿既有冲击压碎作用，又能切削岩石。同时提闻中心破岩效率，从而提闻钻头机械钻速。由于旋切钻头破岩方式特点，所以能适应各种钻井需要，在侧钻和水平井钻井中比现有牙轮钻头和金刚石钻头更为优越。根据以上分析，轴颈偏移值增大，会增大切削齿在井底的径向滑移和周向滑移，即增大切削齿在井底的总的滑移量。轮体夹角卢取值范围为轴颈偏移值
取值范围为
权利要求1.旋切钻头和PDC刀翼形成的复合钻头，包括钻头主体，其特征在于由旋切钻头与PDC钻头复合；复合钻头基于旋切钻头结构，旋切钻头的旋切牙轮(2)的安装面与钻头主体(I)上的牙轮轴颈连接，旋切牙轮的工作面朝向井壁与井底；牙轮轴颈平面与钻头轴线夹角nD .即轮体夹角的范围为(^<彡<90°,轴颈偏移量的范围为--< g < —-,其中4 ^为旋切钻头直径；旋切钻头覆盖复合钻头中心和井眼外围，PDC钻头是在井眼外围范围在旋切钻头的旋切牙轮间设置的PDC钻头副刀翼；井眼中心位置的钻进由旋切钻头切削齿完成，井眼外围部分的钻进由旋切钻头和PDC钻头副刀翼的切削齿共同完成。
2.根据权利要求I所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述的旋切钻头由两个旋切牙轮构成，PDC钻头由两个PDC钻头副刀翼构成。
3.根据权利要求I所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述的旋切钻头牙轮(2)结构有铣齿牙轮、镶齿牙轮；所述的旋切钻头牙轮(2)数目> I。
4.根据权利要求I或3所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述的旋切钻头的切削齿(3)形状包括勺形齿、楔形齿、锥球齿、球形齿、锥台齿、圆柱截头齿或棱锥齿；所述的旋切钻头切削齿(3)齿圈数目> I。
5.根据权利要求I所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述的PDC刀翼(4)数目彡I。
6.根据权利要求I或5所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述PDC钻头副刀翼的切削齿(5)形状包括勺形齿、楔形齿、锥球齿、球形齿、锥台齿、圆柱截头齿、棱锥齿；所述的PDC切削齿(5)数目> I。
7.根据权利要求I所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述钻头主体(I)上有扶正块。
8.根据权利要求I所述的旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，其特征在于所述的复合钻头的复合方式包括整体加工、组焊、丝扣连接。
专利摘要本实用新型公开了一种旋切钻头与PDC刀翼形成的复合钻头，包括主体(1)、旋切钻头牙轮(2)、旋切钻头切削齿(3)、PDC刀翼(4)、PDC切削齿(5)、储油囊(6)、喷嘴(7)。钻头主体(1)包括牙轮轴颈、扶正快、高压泥浆通道和连接丝扣。本实用新型的特点复合钻头切削单元包括旋切钻头和PDC钻头切削单元。钻进过程井眼中心部分钻进由旋切钻头完成，复合钻头中的旋切钻头以旋切方式冲击、压碎、切削岩石，中心破岩效率高，机械钻速高，具有更好的动力学性能，磨损均匀，同时改进钻头轴承结构，确保提高破岩效率的同时增加钻头使用寿命。钻进过程井眼外围线速度高，由旋切钻头和PDC钻头切削单元完成，提高复合钻头切削能力，保径效果好。
文档编号E21B10/00GK202493219SQ20112048870
公开日2012年10月17日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者曾德发, 李舒, 杨琳, 田家林 申请人:四川深远石油钻井工具有限公司