一种新型复合式钻头的制作方法

本发明属于一种石油、地质用的钻头，特别是一种回转钻进复合式钻头。

背景技术：

目前，在石油、地质等领域使用pdc齿作为切削齿的回转钻进钻头(简称pdc钻头)很广泛。pdc钻头具有机械钻速高，钻头寿命长等优点，也具有以下缺点：1、pdc齿是硬脆性材料，pdc钻头在钻进过程中遇到砾石或卵石夹层的时候，pdc齿受到砾石或者卵石的冲击很容崩损，影响钻头使用寿命，严重的时候可以造成钻头报废；2、在定向井段，由于pdc钻头的切削原理是断屑切削，扭矩波动大，在定向过程中工具面不稳定，严重影响钻井效率。目前各钻井公司普遍采取用牙轮钻头打定向段，牙轮钻头打定向段工具面稳定，但是存在机械钻速低，寿命短的缺点，大大浪费了时间，增加了钻井成本。

为了解决这些难题，各钻头公司和钻井公司尝试了很多方法。在含砾石和卵石夹层的地层钻进中，采取改变钻具结构，甩掉螺杆的方式、选用超级抗冲复合片和抗冲击钻头的方式、使用扭力冲击器+pdc钻头方式等，通过多年的尝试基本都以失败告终，目前把该类型的地层定义为常规pdc钻头不能打的地层，一直是没有解决的难点；在定向井段钻进时，使用扭力冲击器+pdc钻头，采用旋转导向工具等方式，虽然效果还不错，但是由于其高昂的成本，一直得不到推广。

近几年出现了一种pdc+牙轮的复合钻头,如图1、图2所示，包括钻头本体，钻头本体包括刀翼3和规径2，刀翼3上钎焊pdc齿4，在钻头本体上还焊接牙轮。这种钻头虽然解决了以上部分问题，但是又出现了新的问题：

1、该复合钻头牙轮部分是焊接到pdc钻头上面的，牙轮装配位置为牙轮轮尖5.2向里朝向钻头中心线7(如图3所示)，牙轮轮尖向里，牙轮的外锥5.1存在突变(尖点)，想要在一个钻头上同时发挥出pdc钻头部分和牙轮钻头部分的功效，就要求pdc钻头轮廓线和牙轮轮廓线5.3相匹配，也就是在外锥部分要求两者轮廓线一致,所以与之匹配的pdc钻头的外锥3.1也存在突变(尖点)(如图4所示)。但存在尖点的外锥部圆半径很小，而外锥部恰好是钻头线速度最高，受力最大的地方，所以容易造成外锥部处pdc齿崩损，缩短pdc钻头寿命，从而影响复合钻头的使用寿命。

2、该复合钻头在钻进过程中，如图5所示，牙轮受轴向力(钻压)51的作用，沿牙轮中心分解成力52和力53，力52分解成平行于牙轮轴线5.4的力55和向外的径向力54，向外径向力54容易造成牙轮脱落。

3、牙轮轮尖向里，牙轮部分的保径2.1处没有齿参与切削，规径处没有与井壁8接触(见图6)，完全没有参与工作，造成井身质量不好。

技术实现要素：

本发明要解决的问题就是针对以上不足而提供一种钻头受力更加合理，工作更加平稳的复合式钻头结构。其技术方案如下：

它包括钻头本体，钻头本体包括刀翼和规径，刀翼上钎焊pdc齿，在钻头本体上还安装牙轮，牙轮具有轴线、轮尖和外锥部。其关键技术在于牙轮是在牙轮本体上安装可旋转的单片牙轮，单片牙轮的轮尖向外安装，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角。

所述外锥部的形状为圆弧状。

所述单片牙轮在每个钻头上的数量为2～4片。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、该复合钻头牙轮轮尖向外朝向井壁安装，在钻进过程中，牙轮受轴向力(钻压)的作用，沿牙轮中心分解成不同方向的力，其中就有平行于牙轮轴线的力和向内的径向力，向内的径向力给牙轮一个向内的推力，单片牙轮在复合钻头上更稳固；

2、牙轮轮尖向外，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角，牙轮轮廓线在外锥部处用大圆弧过渡，与之匹配的pdc钻头的轮廓线在外锥部处也是大圆弧过渡，牙轮的外锥部圆半径很大(相对于pdc钻头的外锥部)，钻头线速度最高的地方恰好是外锥部，所以这种轮廓线提高了牙轮的外锥部处pdc齿的抗冲击性，从而提高复合钻头的使用寿命。

3、牙轮轮尖向外，牙轮部分保径处有2-3颗齿参与切削，规径与井壁接触，完全参与工作，相对于现有技术，井身质量明显提高，给下一步钻井工作提供有利条件。

附图说明

图1，是现有技术复合钻头结构示意图；

图2，是图1俯视图；

图3，是现有技术单片牙轮结构示意图；

图4，是现有技术pdc钻头的冠型结构示意图；

图5，是现有技术单片牙轮工作时受力状态示意图；

图6，是现有技术单片牙轮工作状态示意图；

图7，是本发明结构示意图；

图8，是图7俯视图；

图9，是本发明单片牙轮结构示意图；

图10，是本发明pdc钻头的冠型结构示意图；

图11，是本发明单片牙轮工作时受力状态示意图；

图12，是本发明单片牙轮工作状态示意图。

具体实施方式

参见图7～图12，本发明包括钻头本体，钻头本体包括刀翼3和规径2，刀翼3上钎焊pdc齿4，在钻头本体上还安装牙轮，牙轮具有轴线5.4、轮尖5.2和外锥部5.1。其关键技术在于牙轮是在牙轮本体1上安装可旋转的单片牙轮5，单片牙轮5的轮尖5.2向外朝向井壁安装(图9所示)，单片牙轮5的轴线5.4与地平面成40～50度角，单片牙轮5上过盈装配硬质合金齿5.5。

所述单片牙轮5的外锥部5.1的形状为圆弧状(图9所示)。

所述单片牙轮5在每个钻头上的数量为2～4片，根据不同尺寸和型号可以调节数量。

所述单片牙轮5上过盈装配硬质合金齿5.5。

中6是牙轮储油囊位置，9是api扣，10是水眼。

工作时如图9～图12所示：在钻进过程中，如图11所示，牙轮受轴向力(钻压)5-1的作用，沿牙轮中心分解成力5-2和力5-3，力5-2分解成平行于牙轮轴线的力5-5和向内的径向力5-4，向内的径向力5-4给牙轮一个向内的推力，单片牙轮在复合钻头上更稳固；如图9、图10所示，牙轮轮廓线5.3在外锥部5.1处用大圆弧过渡，与之匹配的pdc钻头的轮廓线在外锥部3.1处也是大圆弧过渡，牙轮的外锥部圆半径很大(相对于pdc钻头的外锥部)，钻头线速度最高的地方恰好是外锥部，所以这种轮廓线提高了牙轮的外锥部处pdc齿的抗冲击性，从而提高复合钻头的使用寿命；如图12所示，牙轮部分保径2.1处有2-3颗齿参与切削，规径2与井壁8接触，完全参与工作。

所述pdc钻头轮廓线：是将pdc钻头上所有的单个pdc齿沿着钻头轴线旋转到同一平面上，单个pdc齿在平面上就是一个圆形，用一条曲线在相切于所有圆的外侧把所有圆包络起来，这条线就叫做pdc钻头的轮廓线；

所述牙轮轮廓线：牙轮上的齿，首先沿各自所在牙轮的轴线旋转到同一平面上，再沿着钻头轴线旋转到钻头同一平面上，用一条曲线在相切于所有齿的外侧把所有齿包络起来，这条线就叫做牙轮钻头的轮廓线。

技术特征：

技术总结
本发明属于一种石油、地质用的钻头，特别是一种回转钻进复合式钻头。它包括钻头本体，钻头本体包括刀翼和规径，刀翼上钎焊PDC齿，在钻头本体上还安装牙轮。其关键技术在于牙轮是在牙轮本体上安装可旋转的单片牙轮，单片牙轮的轮尖向外安装，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角。本发明具有的有益效果是：牙轮轮尖向外，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角，牙轮轮廓线在外锥部处用大圆弧过渡，与之匹配的PDC钻头的轮廓线在外锥部处也是大圆弧过渡，牙轮的外锥部圆半径很大(相对于PDC钻头的外锥部)，钻头线速度最高的地方恰好是外锥部，所以这种轮廓线提高了牙轮的外锥部处PDC齿的抗冲击性，从而提高复合钻头的使用寿命。

技术研发人员：宋跃;彭静涛;张鹏翔;杨佳伟
受保护的技术使用者：四川川石金刚石钻头有限公司
技术研发日：2019.01.30
技术公布日：2019.04.26