专利名称：一种强化心部切削功能的混合钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种用于石油、天然气和地质钻井用的强化心部切削功能的混合钻头，该钻头适用于在硬地层和夹层地层的钻井。
背景技术：
在现有技术中，当钻井遇到硬地层时，常用的PDC金刚石钻头主要是通过刮削运动方式来实现井下钻进，金刚石钻头的鼻部和肩部上主要的固定切削齿很难有效吃入井底岩石，金刚石钻头的机械钻速将变得非常缓慢；而牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石，容易使岩石产生较深的破碎齿坑，但由于地层硬，不能使岩石产生体积破碎，故牙轮钻头切削齿的切削效率也很低。另外一方面，当钻头遇到一些软硬夹层较多的地层时，PDC金刚石钻头的固定切削齿极易受到冲击破损，为了应对这种情况，中国专利文献CN200880016630. O公开了由牙轮钻头和PDC金刚石钻头组合而成的混合钻头，该混合钻头虽有较强的综合性能，但存在以下的不足由于三牙轮钻头特有冲击压碎的破岩机理，牙轮旋转产生的冲击载荷易导致钻头的固定切削齿复合片破碎，从而导致钻头机械钻速的降低，且该钻头上最靠近钻头轴向中心的是固定切削齿，由于该固定切削齿太靠近钻头轴向中心，回转半径小，切削速度低，因而切削效率低；且该固定切削齿速度单独切削井底轴向中心岩石，承受的载荷较大，易出现复合层破碎或脱落。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种强化心部切削功能的混合钻头，它不仅综合性能强，能对井底岩石进行有效地预破碎，使得钻头的固定切削齿有效吃入岩石，而且能减少对固定切削齿的冲击，增强钻头心部的切削效率和机械钻速，从而提闻钻头的切削效率和机械钻速。本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼轮廓从内至外划分为心部、内锥、鼻部、肩部和保径段；在刀翼上刀翼轮廓的内锥、鼻部、肩部和保径段安设有固定切削齿，牙掌设置于刀翼之间，所述的牙掌上端与钻头体联接成一体，牙掌的下端安设牙轮，牙轮上安设有牙轮切削齿，其不同之处在于在所述的钻头体下端心部设置有活动切削齿。按上述方案，所述的牙轮切削齿的最外轮廓包罗线在所述的固定切削齿的最外轮廓包罗线之外，所述的牙轮切削齿的最外轮廓包罗线与固定切削齿的最外轮廓包罗线之间的距离为O. 3 "5毫米。按上述方案，所述的刀翼为2 4个；所述的牙轮为2 4个。按上述方案，所述的活动切削齿包括轴向盲孔和安设于轴向盲孔的活动切削齿，活动切削齿的轴线与钻头体轴线相偏离，偏离距为O. 5 40毫米。按上述方案，所述的活动切削齿为圆轴状，前端部设置有花瓣形的切削齿，轴部为阶梯形，前部直径较小，活动切削齿与钻头体心部设置的阶梯形轴向盲孔相配置，轴向盲孔中安设有轴向挡环，挡环与钻头体相固联。按上述方案，所述的活动切削齿直径为5 40毫米，所述的前端部花瓣形切削齿沿周向设置有2飞个切削刃。按上述方案，所述的牙轮为镶齿牙轮，所述的活动切削齿由硬质合金或聚晶金刚石制成，或由硬质合金和聚晶金刚石复合而成。按上述方案，所述的固定切削齿为金刚石复合片。按上述方案，所述的牙轮的旋转轴线与钻头体的旋转轴线成30° 70°的夹角。本发明的有益效果在于1、将牙轮钻头的冲击压入和金刚石钻头的刮削运动相有机结合，实现井底预破碎，保证固定切削齿有效吃入岩石，消除钻头在一些特殊地层发生粘滑现象，降低固定切削齿的冲击载荷，减少固定切削齿冲击破损的几率，提高钻头切削效率 和机械钻速；2、钻头体心部安设的活动切削齿，由于相对于钻头体轴线偏置，因而活动切削齿相对井底岩石的运动速度较大，即活动切削齿的切削速度较大，且活动切削齿的多切削刃同时切削，强化了钻头心部的切削效率和机械钻速；3、由于牙轮切削齿的最外轮廓包罗线在所述的固定切削齿的最外轮廓包罗线之外，钻头在工作过程中产生的冲击载荷主要由牙轮切削齿承受，进一步降低了 PDC复合片的冲击载荷，减少了 PDC复合片冲击破损的几率，从而提高钻头的整体切削效率和机械钻速。
图1为本发明一个实施例倒立时的立体图。图2为本发明一个实施例倒立时的俯视图。图3为本发明的牙轮切削齿与固定切削齿的最外轮廓包罗线的投影图。图4为图2的A-A剖视图。图5为图4中的活动切削齿所在区域的局部放大图。图6为活动切削齿的立体图。图7为挡环的立体图。图8为当钻头旋转时，现有混合钻头或PDC钻头心部的固定切削齿的切削速度分布图。图9为活动切削齿自转时的切削速度分布图。图10为图8及图9中的速度合成后的切削速度分布图。
具体实施例方式以下结合附图进一步说明本发明的实施例。包括有钻头体I，钻头体上沿周向设置3个刀翼2和喷嘴7，刀翼的轮廓17从内至外划分为心部21、内锥22、鼻部23、肩部24和保径段25 ;刀翼上轮廓的内锥22、鼻部23、肩部24和保径段25分别安设有固定切削齿3，固定切削齿3为金刚石复合片；钻头体上各刀翼间设置有牙掌4，所述的牙掌上端与钻头体I焊接成一体，牙掌的下端设置轴颈，牙轮5套装在轴颈上并通过钢珠轴向锁定，牙轮的旋转轴线9与钻头体的旋转轴线8成45°飞0°的夹角α。牙轮上安设有牙轮切削齿6，所述的牙轮上的牙轮切削齿位于刀翼轮廓的鼻部23和肩部24位。在刀翼轮廓的心部21，亦即钻头体的下端心部设置有一轴向盲孔，轴向盲孔中安设有一活动切削齿10并由轴向挡环13轴向定位，轴向盲孔轴线亦即活动切削齿轴线11相对于钻头体轴线8偏离，偏离距为5 25毫米；所述的活动切削齿为圆轴状，直径为1(Γ30毫米，前端部设置有花瓣形的切削齿，切削齿沿周向设置有3个切削刃12，轴部为阶梯形，前部直径较小，活动切削齿与阶梯形轴向盲孔相配置，轴向盲孔中安设有轴向挡环，挡环与钻头体相固联，所述的活动切削齿由硬质合金和聚晶金刚石复合而成。所述的轴向盲孔为阶梯孔，轴向挡环13安设在下端阶梯孔中，活动切削齿10可在轴向盲孔中转动。所述的牙轮切削齿的最外轮廓包罗线19在所述的固定切削齿的最外轮廓包罗线18之外，牙轮切削齿的最外轮廓包罗线与固定切削齿的最外轮廓包罗线之间的距离C为O. 5^1毫米。当钻头体绕自身轴线8旋转时，现有混合钻头或PDC钻头心部的固定切削齿的切削速度分布图如图8所示，此时混合钻头或PDC钻头心部的固定切削齿上靠近钻头体轴线8的部分切削速度很低；活动切削齿绕自身轴线11自转时，活动切削齿的切削速度分布图如图9所示；当活动切削齿既随钻头公转，又绕自身轴线11自转时，合成的切削速度分布图 如图10所示，此时活动切削齿上靠近钻头体轴线8的部分切削速度有较大幅度提高。本发明工作时，将牙轮钻头的冲击压入和金刚石钻头的刮削运动相结合，牙轮切削齿实现井底预破碎，保证固定切削齿有效吃入岩石，消除钻头在一些特殊地层发生粘滑现象，降低固定切削齿的冲击载荷，减少固定切削齿冲击破损的几率，提高钻头切削效率和机械钻速；钻头体的中心部位安设的活动切削齿10，由于相对于钻头体轴线偏置，因而活动切削齿相对井底岩石的运动速度较大，即活动切削齿切削速度较大，且活动切削齿的多切削刃同时切削，进一步提高钻头心部的切削效率和机械钻速。
权利要求
1.一种强化心部切削功能的混合钻头，包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼轮廓从内至外划分为心部、内锥、鼻部、肩部和保径段；在刀翼上刀翼轮廓的内锥、鼻部、肩部和保径段安设有固定切削齿，牙掌设置于刀翼之间，所述的牙掌上端与钻头体联接成一体，牙掌的下端安设牙轮，牙轮上安设有牙轮切削齿，其特征在于在所述的钻头体下端心部设置有活动切削齿。
2.按权利要求1所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的牙轮切削齿的最外轮廓包罗线在所述的固定切削齿的最外轮廓包罗线之外，所述的牙轮切削齿的最外轮廓包罗线与固定切削齿的最外轮廓包罗线之间的距离为O. 3 5毫米。
3.按权利要求1或2所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的刀翼为 2 4个。
4.按权利要求3所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的牙轮为2 4个。
5.按权利要求1或2所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的活动切削齿包括轴向盲孔和安设于轴向盲孔的活动切削齿，活动切削齿的轴线与钻头体轴线相偏离，偏离距为O. 5 40毫米。
6.按权利要求5所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的活动切削齿为圆轴状，前端部设置有花瓣形的切削齿，轴部为阶梯形，前部直径较小，活动切削齿与钻头体心部设置的阶梯形轴向盲孔相配置，轴向盲孔中安设有轴向挡环，挡环与钻头体相固联。
7.按权利要求6所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的活动切削齿直径为5 40毫米，所述的前端部花瓣形切削齿沿周向设置有2飞个切削刃。
8.按权利要求6或7所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的牙轮为镶齿牙轮，所述的活动切削齿由硬质合金或聚晶金刚石制成，或由硬质合金和聚晶金刚石見合而成。
9.按权利要求1或2所述的强化心部切削功能的混合钻头，其特征在于所述的牙轮的旋转轴线与钻头体的旋转轴线成30° 70°夹角。
全文摘要
本发明涉及到一种用于石油、天然气和地质钻井用的强化心部切削功能的混合钻头，包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼轮廓从内至外划分为心部、内锥、鼻部、肩部和保径段；在刀翼上刀翼轮廓的内锥、鼻部、肩部和保径段安设有固定切削齿，牙掌设置于刀翼之间，所述的牙掌上端与钻头体联接成一体，牙掌的下端安设牙轮，牙轮上安设有牙轮切削齿，其特征在于在所述的钻头体下端心部设置有活动切削齿。本发明不仅综合性能强，能对井底岩石进行有效地预破碎，使得钻头的固定切削齿有效吃入岩石，而且能减少对固定切削齿的冲击，增强钻头心部的切削效率和机械钻速，从而提高钻头整体的切削效率和机械钻速。
文档编号E21B10/52GK103015899SQ20121055255
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者樊孝兵, 刘强, 程永, 宋满华, 吴素婷, 刘聪 申请人:江汉石油钻头股份有限公司