专利名称：一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头的制作方法
技术领域：
本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种钻头。
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。三牙轮钻头和roc(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。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩。现有三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也很短，钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。现今，无运动部件、耐磨且寿命长的roc (聚晶金刚石复合片)钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即PDC齿，亦简称齿)按照一定的规律布置并固结在钻头体上，构成roc钻头破碎岩石的切削结构。为了及时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，同时也为了清洗钻头和冷却切削齿，PDC钻头上还需具有水力结构。水力结构通常由钻头内流道、外流道和喷射孔组成。喷射孔又称喷嘴，可以是直接设置在钻头体上的固定式喷嘴，也可以是安装在钻头上的可替换式喷嘴。为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律将PDC齿分成若干组，同组的PDC齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC齿构成一个切削结构单元,称为刀翼(齿座为刀翼体或固定刀翼)。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的外流道。这种钻头为刀翼式PDC钻头。刀翼式PDC钻头是PDC钻头的主要结构类型。在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有四方面的缺
占-
第一，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象)的发生。第二，钻头上个别齿的失效(齿的脱落、断裂或过度磨损等)会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。第三，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。第四，增加钻头上的切削齿数量可以减小切削齿的工作负荷，因而能够有效降低切削齿的磨损速度，提高钻头的工作寿命，但同时也会降低钻头的钻岩效率。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号:201010229371.9)中，钻头上既设置了装有切削齿的转轮(亦可称为盘刀)，也设置了装有固定切削齿的固定切削结构(包括刀翼结构)。这种复合式钻头结合了可旋转的转轮切削结构和装有固定切削齿的固定切削结构各自的优点，同时互补增益产生了新的效果，总体上具有极好的技术效果。但在进一步的研究中发现，这种钻头结构具有如下缺点:装有切削齿的转轮和装有固定切削齿的固定切削结构，虽然能各自独立地发挥效果，但其转轮及其支承结构必须是钻头体上一个独立的切削结构单元，因此在钻头上占据的空间相对较大，在布齿空间极为有限的条件下，空间的浪费在很大程度上就意味着钻头性能的牺牲，这对于钻头切削结构的设计是十分不利的。上述缺陷的存在阻碍了该本具有极好技术效果的方案的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于:提出一种刀翼上具有可旋转盘刀结构的钻头，能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，提高钻头的综合性能。本发明目的通过下述技术方案来实现:
一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，包括钻头体、固定刀翼、盘刀，所述钻头体上设置有固定刀翼，所述固定刀翼上布有固定切削齿，所述盘刀的偏移角α的范围是20° ( I α I <90°，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼上，所述盘刀与所述固定刀翼形成转动连接。上述结构中，所述 盘刀的偏移角a = aretan(s/c)其中s为盘刀的移轴距,c为盘刀
的基准距。如图3、图4、图5、图6、图7所示，AB为钻头中心轴线，⑶为盘刀中心轴线，经过盘刀轴线⑶并平行于钻头轴线AB的面为盘刀极轴面Al，A2是经过钻头轴线AB且垂直于盘刀极轴面Al的平面，A3是经过钻头轴线AB且平行于盘刀极轴面Al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，其它类型切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。一般，盘刀上的切削齿以一圈一圈的形式布置在盘刀上，盘刀外排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Al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
a = anSa1- , α的取值为O 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(如图6、图7)，若E点处于Α2平面的左侧，则偏移角为正(如图6所示)，反之为负(如图7所示)。若E点在A3平面上，偏移角等于0° ;gE点在Α2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。
盘刀的偏移角
权利要求
1.种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，包括钻头体(I)、固定刀翼(4)、盘刀(2)，所述钻头体(I)上设置有固定刀翼(4)，所述固定刀翼(4)上布有固定切削齿(41)，所述盘刀(2)的偏移角α的范围是20° ( I α | <90°，所述钻头体(I)上至少有一个由所述盘刀(2)与其上的盘刀切削齿(21)及盘刀轴(3)所构成的盘刀切削单元，其特征在于:至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼(4)上，所述盘刀(2)与所述固定刀翼(4)形成转动连接。
2.权利要求1所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述固定刀翼(4)上设有盘刀槽，所述盘刀(2)设置于盘刀槽内，所述盘刀轴(3)的两端或一端与固定刀翼(4)连接，所述盘刀(2)通过盘刀轴(3)与所述固定刀翼(4)形成转动连接。
3.权利要求2所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述固定刀翼(4)上，在所述盘刀(2)前和/或后分别布置至少一排所述固定切削齿(41)。
4.权利要求2所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述固定刀翼(4)上由刀翼顶端向根部方向开设有2个盘刀槽，其中一个盘刀槽位于固定切削齿(41)齿排的前方,另一个盘刀槽位于固定切削齿(41)齿排的后方,两个盘刀槽中各安装一个盘刀(2)。
5.权利要求1所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述钻头体(I)上还设置有独立的固定刀翼(4)及其固定切削齿(41)构成的独立的固定切削结构。
6.权利要求1中所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述盘刀(2)设置于固定刀翼(4)的前侧和/或后侧，所述盘刀切削单元的盘刀轴(3)的一端与盘刀(2)固定连接，另一端与固定刀翼(4)转动连接，且转动副位于固定刀翼(4)内。
7.权利要求1至6中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀(2)的偏移角与其它的盘刀(2)的偏移角不相等。
8.权利要求1至6中所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀(2)为正偏移，至少有一个盘刀(2)为负偏移。
9.权利要求1至6中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:所述盘刀切削单元至少有两个，其中至少有一个盘刀切削轮廓低于其他切削轮廓。
10.权利要求1至6中任一权利要求所述的刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，其特征在于:至少有一个盘刀切削单元的盘刀(2)上布置有至少两圈盘刀切削齿(21)。
全文摘要
本发明公开了一种刀翼上具有盘刀切削结构的复合钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括钻头体、固定刀翼、盘刀，所述钻头体上设置有固定刀翼，所述固定刀翼上布有固定切削齿，所述盘刀的偏移角α的范围是20°≤|α|≤90°，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，至少有一个所述盘刀切削单元设置在固定刀翼上，所述盘刀与所述固定刀翼形成转动连接。本发明能充分利用刀翼式钻头的结构特点，节省钻头切削结构区域的几何空间，提高钻头的综合性能。
文档编号E21B10/43GK103089156SQ20131004780
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者杨立源 申请人:杨立源