盘刀上具有锥形齿的金刚石钻头的制作方法

本发明涉及一种用于钻探钻进的钻头，更具体的讲，本发明涉及一种盘刀上具有锥形齿的金刚石钻头。

背景技术：

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。牙轮钻头和PDC（聚晶金刚石复合片）钻头是当今钻井工程中使用得最多的钻头。

牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，能量利用率不高。现有牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5°，钻头在井底旋转钻进时，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，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离小。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，PDC钻头由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，在钻井工程中得到广泛使用。现有的以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件。但当钻遇硬地层时，PDC钻头的鼻部和肩部上的切削齿很难有效吃入地层，从而大大降低了机械钻速。

中国专利“一种以切削方式破岩的轮式钻头”（专利号：201010229375.7）和“一种以切削方式破岩的复合式钻头”（专利号：201010229371.9）中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮（亦称为盘刀）上，以切削的方式破岩，并实现切削齿的交替工作。大偏移角使盘刀切削单元上的PDC齿在井底形成螺旋线的刮痕，对于复合式钻头，螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式。特别是钻遇硬地层时，网状交叉的井底形貌能够形成切削齿的自然吃入，提高钻进效率。同时盘刀齿以交替刮切的方式工作，能够有效改善切削齿由于持续不断的工作而造成的失效。

但是，现有PDC切削齿的抗冲击能力较弱，特别是钻遇不均质地层或砾石层时，切削齿多以齿面脆崩、甚至断齿失效为主，限制了轮式钻头和交叉切削复合钻头的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提出一种盘刀上具有锥形齿的金刚石钻头，能提升钻头在难钻地层，特别是高硬度、高研磨性、高不均质性等地层中的工作性能和使用寿命。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种盘刀上具有锥形齿的金刚石钻头，包括钻头体和盘刀，钻头体上至少设置有一个盘刀，盘刀与钻头体形成转动连接，盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，盘刀上至少设置有一颗锥形齿。

作为选择，盘刀上的切削齿可以以齿圈的方式布置形成齿圈。

所述盘刀的偏移角α= ，其中s为盘刀的移轴距，c为盘刀的基准距。如图2、3、4所示，AB为钻头中心轴线，CD为盘刀中心轴线，经过盘刀轴线CD并平行于钻头轴线AB的面为盘刀极轴面A1，A2是经过钻头轴线AB且垂直于盘刀极轴面A1的平面，A3是经过钻头轴线AB且平行于盘刀极轴面A1的平面。盘刀上表征各切削齿位置坐标的点为各切削齿的定位点，圆柱形PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点，锥形齿的定位点设置在齿的顶点位置。一般，盘刀上的切削齿以一圈一圈的形式布置在盘刀上，盘刀齿圈上各切削齿定位点所在的平面A4为盘刀基准平面，盘刀基准平面A4与盘刀轴线CD的交点E为盘刀基准点。过点E向钻头轴线AB作垂线，垂足为F。盘刀基准距c即为盘刀基准点E到平面A2的距离，盘刀移轴距s即为钻头轴线AB与盘刀极轴面A1之间的距离。沿钻头轴线从盘刀向钻头接头螺纹方向看（即逆钻头钻进方向看）时，盘刀的偏移角α为直线EF与平面A3之间的夹角，即有偏移角α=，α的取值为0～90°之间（含0°和90°）。根据盘刀偏移方向的不同，偏移角可以是正值，也可以是负值。盘刀偏移角正负号的规定为：沿与钻头钻进相反的方向看，并使E点位于平面A3的下方，若E点处于A2平面的左侧，则偏移角为正（如图4所示），反之为负。若E点在A3平面上，偏移角等于0°；若E点在A2平面上，则偏移角等于90°（或-90°）。当偏移角的绝对值等于90°时，正偏移和负偏移的效果相同。盘刀的轴倾角β即为盘刀轴线CD与垂直于钻头轴线AB的平面之间的夹角。

钻头在钻压和扭矩的驱动下钻进时，盘刀具有公转和自转两种运动形式。当盘刀偏移角不等于零时（盘刀的移轴距S和中心臂长C均不等于零时，轴线和钻头轴线空间相交错）盘刀就不会发生纯滚动。此时，盘刀在岩石上的滚动速度（自转）变小，盘刀齿与岩石互作用过程中发生相对滑移，从而形成对岩石的刮切或切削作用。当偏移角不为零时，盘刀齿的相对滑移包括两部分：第一，径向滑移，即盘刀齿从岩石的切入点到切出点之间的径向距离。偏移角越大，径向滑移量越大。第二为周向滑移，即沿钻头圆周方向的滑移量。径向滑移和周向滑移的矢量合便形成了盘刀齿在岩石上类似螺旋线的切削轨迹。

作为选择，钻头体上还设置有固定切削结构。

作为选择，钻头体上的固定切削结构为刀翼状的固定切削结构，其上布置有固定切削齿。

该方案中，固定切削结构上的切削齿形成同心圆状的运动轨迹，而盘刀上的切削齿形成螺旋线状的切痕，两种切削结构共同对井底岩石进行交叉切削，形成网状交叉的井底模式。交叉切削的主要优势：①交叉切削破岩能耗低；②盘刀切削齿交替工作，磨损速度慢；③切削齿能自然形成对岩石的吃入；④固定刀翼上个别齿的失效不易导致钻头的快速失效。

作为选择，钻头体上设有独立轮掌，盘刀与轮掌形成转动连接。

作为选择，盘刀转动连接在固定切削结构上。作为进一步优选，盘刀设置在刀翼前端或/和后端。

该方案中，将盘刀切削单元直接结合到固定刀翼上，节省了盘刀原本的支承结构。此外由于直接采用了固定刀翼作为支承结构，现有的盘刀轴和盘刀的结构及其结合形式都将发生巨大的变化。轴承转动副可以直接设于固定刀翼内，盘刀的体积（特别是厚度）可以大大缩小。

作为选择，固定切削结构（如刀翼）上开设有盘刀槽，盘刀通过转动连接安装在盘刀槽内形成双侧支撑。

该方案中，形成双支持结构，在节省了钻头空间的基础上，能够提高轴承的承载能力，同时盘刀轴的受力更均衡。因此，本专利盘刀轴承系统与现有同等尺寸的轴承系统相比可靠性和安全性更高，寿命更长。

作为选择，盘刀上设置有锥形齿和PDC齿，锥形齿与PDC齿相间布置或部分相间布置。

作为选择，盘刀上设置有至少两个盘刀齿圈。

在一个盘刀上布置有至少两圈切削齿，一圈齿在前，一圈齿在后。其有两种实施方式和益处：第一，两圈齿均为盘刀上的主切削齿，两圈齿在圆周方向交错布置，显著增加了盘刀切削齿在井底工作区域内的覆盖密度，利于切除井底上凸起的岩脊，可提高钻头的破岩效率。第二，两圈齿中的一圈为盘刀上的主切削齿，另一圈为后备切削齿，这样便于在高布齿密度条件下实现同一盘刀上的主切削结构和后备切削结构的设置，使钻头在难钻地层有更持久的工作能力。

作为选择，盘刀的偏移角α的范围是30°≤|α|≤90°。作为进一步选择，盘刀的偏移角α的范围是45°≤|α|≤90°，作为进一步优选，盘刀的偏移角α的范围是60°≤|α|≤90°。大的偏移角使盘刀齿的工作时间变长，即滑移量增加，交叉效果越好。

作为选择，盘刀上的锥形齿的轴线与盘刀的轴线的夹角的范围是30°≤φ≤90°。

作为选择，当盘刀将其上的锥形齿旋转到最低点时，锥形齿的轴线与垂直于钻头轴线的平面之间的夹角θ的范围是0°＜θ≤90°。

盘刀上的齿旋转到最低点是指，盘刀旋转使其上的齿在钻头钻进方向处在最低处的位置点。

作为选择，固定切削结构上设置有锥形齿，如刀翼上设置锥形齿。

本专利的有益效果：

与现有技术相比，本专利的有益效果在于：对于复杂夹层或含砾石岩层而言，现有钻头技术中的切削齿，特别是PDC切削齿容易发生齿面脆崩或断齿失效。而锥形齿具有较好抗冲击能力，有锥形齿的存在，当钻头在钻软硬频繁交错地层、极不均值地层、含砾石层等在复杂难钻地层时，其能提高切削齿的抗冲击性，且能保护其他切削齿免受较大冲击，提高钻头的抗冲击损坏能力。本专利钻头，能够在提高切削齿抗冲击能力的同时，增强钻头的使用寿命和可持续钻进能力。

附图说明

图1为本专利实施例一的钻头结构示意图，其中盘刀安装在独立牙掌上。

图2为本专利中盘刀的移轴距s、基准距c、偏移角α和轴倾角β等几何位置参数的示意图。

图3为本专利实施例一中盘刀与轮掌形成转动连接的结构示意图。

图4为本专利沿钻头轴线俯视时盘刀在钻头上的相对几何位置示意图。

图5为本专利实施例一中盘刀与盘刀轴为一体，并与轮掌（或钻头体，或刀翼）形成转动连接的结构示意图。

图6为本专利实施例一中盘刀的双侧支撑的结构示意图。

图7为本专利实施例二的钻头结构示意图。

图8为本专利实施例三的钻头结构示意图，其中盘刀设置在刀翼前端。

图9为本专利实施例三的钻头结构示意图，其中盘刀设置在刀翼后端。

图10为本专利实施例三的钻头结构示意图，其中盘刀设置在刀翼前端和后端。

图11为本专利实施例四的钻头结构示意图，盘刀安装在固定翼上的盘刀槽中，其中盘刀齿均为锥形齿。

图12为本专利实施例四的钻头结构示意图，盘刀安装在固定翼上的盘刀槽中，其中盘刀齿为锥形齿和圆柱形齿相间布置。

图13为本专利实施例五钻头的盘刀上设置有两个盘刀齿圈，前排齿圈中为锥形齿。

图14为本专利实施例五钻头的盘刀上设置有两个盘刀齿圈，后排齿圈中为锥形齿。

图15为本专利实施例一钻头结构中，盘刀上的锥形齿的轴线与盘刀的轴线垂直（=90°）。

图16为本专利实施例一钻头结构中，盘刀上的锥形齿的轴线与盘刀的轴线的夹角为大于等于30°的锐角。

图17为本专利实施例六钻头的固定刀翼上设置锥形齿的结构示意图。

其中，1为钻头本体、2为盘刀、3为固定切削结构，4为盘刀齿、41为固定齿、5为轮掌、6为盘刀槽。

具体实施方式

下列非限制实施例用于说明本专利。

实施例一

如图1、2、3、4所示，一种盘刀上具有锥形齿的金刚石钻头，包括钻头体1和盘刀2，盘刀2与钻头体1形成转动连接，盘刀2的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，钻头体1上至少设置有一个盘刀2，盘刀2上至少设置有一个锥形齿。如图1所示，作为选择，盘刀2通过设置的独立轮掌5与钻头体1形成转动连接，锥形齿以齿圈的形式布置在盘刀2上形成齿圈。锥形齿可以为聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿或包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。此外，盘刀2与轮掌5的转动连接，有其他多种方式，盘刀2与盘刀轴设置为一体，与轮掌5形成转动连接，如图5所示。盘刀2的安装形式也可以是双侧支撑，如图6所示。作为选择，盘刀2上的锥形齿的轴线与盘刀2的轴线的夹角的范围是30°≤φ≤90°。如图15所示，盘刀2上的锥形齿的轴线与盘刀2的轴线垂直，即=90°。如图16所示，锥形齿的轴线与盘刀2的轴线之间的夹角为大于等于30°的锐角。作为进一步选择，当盘刀2将其上的锥形齿旋转到最低点时，锥形齿的轴线与垂直于钻头轴线的平面之间的夹角θ的范围是0°＜θ≤90°。锥形齿在盘刀2将其旋转到最低点时，锥形齿的轴线与垂直于钻头轴线的平面之间的夹角为锐角或垂直，便于锥形齿的锥尖锥入（侵入）岩石，有利于锥形齿的刮切破岩。只有当锥形齿的轴线以锐角或垂直的方式侵入岩石时，锥形齿的侵入及刮切破碎岩石的效果最好，最能发挥锥形齿的破岩效果。

钻进时盘刀2上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩，并在井底形成螺旋线的刮痕。盘刀齿4的交替工作，利于切削齿的清洗，减少热磨损，延长钻头的工作寿命。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，其区别在于：钻头体1上还设置有固定切削结构3，如图7所示，固定切削结构3为刀翼状，固定切削结构3上设置有固定切削齿41。

钻进时盘刀2上的切削齿以缓慢交替的形式轮流刮切破岩，并在井底形成螺旋线的刮痕，而设置在固定切削结构3上的切削齿在井底形成同心圆状的刮痕，两套刮痕在井底共同形成交叉网状的井底模式，有利用切削齿吃入地层，提高破岩效率。因此，本专利盘刀2与固定切削结构3相复合的钻头结构在延长钻头的使用寿命的同时，能提高破岩效率。

实施例三：

如图8所示，本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于，轮掌5和固定切削结构3（刀翼）为一体。盘刀2直接固定在刀翼上（刀翼即为轮掌），且设置在刀翼的前侧面。本实施例中，盘刀2直接设置在刀翼上，节约了钻头宝贵的空间。正如本领域的研究人员所熟知的，盘刀2还可以设置在刀翼的后侧面，如图9；以及在刀翼的前后侧面均设置盘刀2，如图10。

实施例四

本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于，固定切削结构3（刀翼）上开设有盘刀槽6，盘刀2设置在盘刀槽6中，形成双侧支撑，如图11。该结构下，盘刀切削单元所占的空间体积大大缩小，双侧支撑盘刀有利于保障轴承的可靠性，并延长轴承使用寿命。同等尺寸的该结构轴承比现有结构轴承的寿命更长，可靠性和安全性更高。盘刀齿4也可以为锥形齿和圆柱型切削齿相间布置，如图12所示。

实施例五

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，盘刀2上设置有两个盘刀齿圈，如图13所示，前排齿圈为锥形齿，后排齿圈为圆柱形切削齿。如图14所示，后排齿圈为锥形齿，前排为圆柱形切削齿。同样的，两个齿圈均可以同时为锥形齿组成，两个齿圈亦可以锥形齿和圆柱形齿相间隔布置。

实施例六

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，固定切削结构3（刀翼）上设置锥形齿，如图17所示，固定刀翼上亦可以设置锥形齿。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。