专利名称：Pdc钻头与旋切钻头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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头。
技术背景钻头是钻井过程中，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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，复合钻头切削单元包括旋切钻头和PDC钻头切削单元。钻进过程井眼中心部分钻进由PDC钻头完成。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。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，提高复合钻头切削能力，保径效果好。为实现本实用新型目，采用如下技术方案PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC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β的范围
权利要求1.PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC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#的范围为轴颈偏移量的范围为-，其中为旋切钻头直径；PDC钻头主刀翼覆盖复合钻头中心和井眼外围，旋切钻头布置于井眼外围，代替roc钻头副刀翼；井眼中心位置的钻进由位于roc钻头主刀翼上的切削齿完成，井眼外围部分的钻进由旋切钻头和PDC钻头主刀翼上的切削齿共同完成。
2.根据权利要求I所述的PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，其特征在于所述的旋切钻头由三个旋切牙轮构成，PDC钻头由三个PDC钻头主刀翼构成。
3.根据权利要求I所述的PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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由PDC钻头与旋切钻头形成的复合钻头，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PDC钻头完成。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，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，提高复合钻头切削能力，保径效果好。
文档编号E21B10/55GK202441266SQ20112048860
公开日2012年9月19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