一种心部具有独立切削结构的复合钻头的制作方法

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种心部具有独立切削结构的复合钻头。

背景技术：

目前，在石油、天然气和其他探矿钻井作业中，主要运用牙轮钻头与pdc(聚晶金刚石复合片)钻头。当钻遇软硬交错、含砾石层等地层时，牙轮钻头机械钻速慢、进尺低、寿命短；pdc钻头复合片容易受到较大的冲击载荷导致复合片失效，从而影响钻头机械钻速，钻头因pdc切削齿的过早损坏而失效。专利《混合式钻头及其钻进方法》(申请号：2008800166300，申请日：2008.4.4，公开号：101765695，公开日：2010.6.30)公开的一种牙轮和pdc复合钻头，每个牙轮都单独布置在独立的牙掌上，通过牙轮切削齿冲击预破碎岩石，帮助固定刀翼上的固定切削齿有效吃入岩石，提高破岩效率。但是由于现阶段使用的复合钻头，因为结构设计原因和现场应用还处于探索阶段，在应用过程中很容易因心部的固定切削齿的磨损、冲击等原因而失效，在心部形成一个圆形的凹槽，文中统称为“掏心”现象，最终导致钻头因机械钻速急速下降而导致钻头的失效。

冠部轮廓形状是钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶(鼻部)、外锥、肩部和保径五部分。

在无进尺的理想钻进下，钻头上切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，将所有切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，做一条与所有切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为钻头的切削轮廓线，这一概念，同样适用于钻头上某一切削结构。同样的原理，对于刀翼式钻头，每个刀翼上切削齿的轴面轮廓线的包络线形成为刀翼轮廓线。钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是钻头的一条重要特征曲线。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种心部有独立切削结构的复合钻头，解决现有复合钻头心部薄弱而导致的“掏心”现象，提高复合钻头的使用寿命和机械钻速。

本发明是这样实现的：

一种心部具有独立切削结构的复合钻头，包括钻头本体、牙掌以及牙轮，钻头本体上设置有外排刀翼，外排刀翼上设置有切削齿，外排刀翼与其上的切削齿形成外排刀翼切削结构，牙掌的下端与钻头本体固定连接，牙掌的上端设置有轴颈，牙轮通过牙掌上端的轴颈与牙掌形成转动连接，在钻头心部区域独立的设置有至少一个布置有切削齿的增强切削结构；增强切削结构，用于减缓钻头心部区域的失效速度。

一般而言，复合钻头上固定切削结构(现有钻头以刀翼式为主)为主切削结构，而牙轮切削结构被视为辅助切削结构。在钻进过程中，牙轮上的牙齿依靠冲击压碎的方式破碎或弱化岩石，刀翼上的固定切削齿则能够以较小的能量破除岩石。但，设计时，牙轮切削结构需要占据大量的空间，最终因结构设计的妥协，造成复合钻头心部相对薄弱，特别是“2+2”结构形式的复合钻头(两个牙轮和两个刀翼组成的复合钻头)。

在应用过程中很容易因心部的固定切削齿磨损、冲击、复杂受力等原因造成心部切削齿先于其他区域切削齿失效。心部切削齿失效与外部切削齿的失效造成的后果具有较大的不同，外部切削齿所覆盖的区域还有牙轮切削结构，当外部某颗切削齿发生了早期失效，该齿所负责的工作可有牙轮切削结构来承担。而心部某颗切削齿失效后，其负责的工作没有牙轮分担，又没有后补切削齿，只能靠邻齿分担，邻齿的工作负荷大幅增加，很快造成心部其他切削齿的连锁失效，而最终发展成为“掏心”失效。本发明通过独立的心部切削结构设计，可通过增加布齿密度、改变心部切削结构的形式等方式显著加强心部区域的抗冲击和抗磨损能力，防止钻头“掏心”失效。

作为本发明的优选方案，增强切削结构为刀翼式。

一方面，刀翼式切削结构具有较好的排屑系统，不易造成钻头因排屑不及时而影响机械钻速的问题。另一方面，在复杂难钻地层中钻进时，切削齿的磨损十分严重，甚至磨损至钻头本体，此时刀翼式的钻头，因在刀翼之间为排屑槽，具有更小的本体接触面积，钻进比压相比于整体式(排屑槽很小的非刀翼式的钻头)钻头更大，破岩效率较高。

更进一步的优选，增强切削结构为非刀翼式。

该方案与刀翼式方案不同的是，结构排屑槽很小，可布齿空间更大，可实现高密度布齿，适合在钻速较低的高研磨性地层中钻进。

作为本发明的优选方案，增强切削结构与外排刀翼切削结构具有相同的切削轮廓线。

关于钻头的切削轮廓线的定义，在背景技术中已做阐述，这里不在赘述。这里约定，在同一钻头轴面内两种不同切削结构的切削轮廓线能够形成光滑曲线时，认定这两种切削结构具有相同的切削轮廓线，否则认定为具有不同的切削轮廓线。

作为本发明的优选方案，增强切削结构与外排刀翼切削结构具有不同的切削轮廓线。

作为本发明的优选方案，增强切削结构中的刀翼具有不同的切削轮廓线。

该方案中，切削齿按照不同的刀翼切削轮廓线布齿，能够形成心部切削齿的排布梯度，当第一梯度的切削齿磨损后，下一梯度的新齿开始参与工作，如此类推。这种方案的增强切削结构，在不影响机械钻速的同时，提高钻头的工作寿命。

更进一步的优选，切削轮廓线为波浪形。

形成梯度布齿的同时，还能够增加布齿线长度，布齿密度增加。

作为本发明的优选方案，增强切削结构上的切削齿按照螺旋方式排布。

作为本发明的优选方案，增强切削结构与所述钻头本体的连接方式包括一体成型、焊接、螺纹连接、过盈配合等

作为本发明的优选方案，增强切削结构上设置有喷嘴。

增强切削结构上设置喷嘴，能够及时冷却该结构上的切削齿，减少热磨损的发生，同时能及时携带该结构破碎的岩石进入环空。

作为本发明的优选方案，外排刀翼切削结构和增强切削结构上的切削齿包括圆形齿、锥形齿、椭圆齿、斧型齿、三棱齿、孕镶齿。

更进一步的优选，增强切削结构上的布齿方式为：圆形齿与锥形齿混合排布。

本发明至少包括以下有益效果：本发明的一种心部有独立切削结构的复合钻头，外排刀翼切削结构和心部增强切削结构相互独立，两种切削结构的切削轮廓线，以及切削齿的直径大小、种类、布齿密度、齿数均可独立的灵活设计，以适应不同的工况。通过心部增强结构的设计，可以有效减缓磨损和冲击对钻头心部切削齿的破坏，增加钻头的使用寿命。同时，其独特的水力结构设计方式能为本发明的心部具有独立切削结构复合钻头提供良好的冷却和排屑能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的复合钻头的结构示意图。

图2是本发明第一实施例提供的复合钻头的井底覆盖示意图。

图3是本发明第二实施例提供的复合钻头的井底覆盖示意图，其中增强切削结构中的切削齿直径小于外排刀翼切削结构中切削齿的直径。

图4是本发明第三实施例提供的复合钻头的结构示意图。

图5是本发明第三实施例提供的复合钻头的井底覆盖示意图。

图6是本发明第四实施例提供的复合钻头的井底覆盖示意图，其中增强切削结构的切削轮廓线，在钻进方向上高于外排刀翼切削结构的切削轮廓线。

图7是本发明第四实施例提供的复合钻头的井底覆盖示意图，其中增强切削结构的切削轮廓线，在钻进方向上低于外排刀翼切削结构的切削轮廓线。

图8是本发明第五实施例提供的复合钻头的结构示意图。

图9是本发明第五实施例提供的复合钻头增强切削结构中各刀翼的切削轮廓线。

图10是图8复合钻头的井底覆盖示意图。

图11是本发明第五实施例提供的复合钻头的井底覆盖示意图，其中增强切削结构的布齿方式为二级布齿。

图12是本发明第六实施例提供的复合钻头的结构示意图。

图中，1-钻头本体，2-外排刀冀，3-增强切削结构，4-切削齿，5-牙掌，6-牙轮，61-牙齿，7-喷嘴，8-钻头轴线，101-增强切削结构的切削轮廓线，102-外排刀翼切削结构的切削轮廓线，103-刀翼切削轮廓线。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

第一实施例：请参阅图1和2，本发明实施例提供了一种心部具有独立切削结构的复合钻头，包括钻头本体1、牙掌5以及牙轮6，钻头本体1上设置有外排刀翼2，外排刀翼2上设置有切削齿4，外排刀翼2与其上的切削齿4形成外排刀翼切削结构，牙掌5的下端与钻头本体1固定连接，牙掌5的上端设置有轴颈，牙轮6通过牙掌5上端的轴颈与牙掌5形成转动连接，在钻头心部区域独立的设置有至少一个布置有切削齿4的增强切削结构3；增强切削结构3，用于减缓钻头心部区域的失效速度。增强切削结构3与钻头本体1的连接方式包括一体成型、焊接、螺纹连接、过盈配合等。切削齿4可以为圆形齿、锥形齿、椭圆齿、斧型齿、三棱齿、孕镶齿。

复合钻头还包括复合钻头轴线8，在破岩过程中，复合钻头可绕钻头轴线8公转，牙轮6绕牙掌上的轴颈自转，牙齿61依靠冲击压碎的方式破碎或弱化岩石。刀翼2上的切削齿4与岩石之间发生相对运动，并以较小的能量破碎已被牙齿61弱化的岩石。已破除的岩石，通过排屑槽由钻井液携带入环空。

现有复合钻头因结构设计的原因，造成钻头心部相对薄弱，特别是“2+2”结构形式的复合钻头(两个牙轮和两个刀翼组成的复合钻头)。在应用过程中很容易因心部的固定切削齿4的磨损、冲击、复杂受力等原因而造成心部切削齿4先于其他区域切削齿4而失效。参阅图2，外部切削齿4所覆盖的区域还有牙轮切削结构，因此外部切削齿4即使是发生了早期失效，该齿负责的工作会有牙轮切削结构来承担。而心部某颗切削齿4失效后，其负责的工作没有牙轮61分担，又没有后补切削齿，只能靠邻齿分担，造成邻齿的工作负荷大幅增加，很快造成心部其他切削齿4的连锁失效，而最终发展成为“掏心”失效。增强切削结构3与外排刀翼切削结构是相互独立的设计，因此，可以通过增强切削结构3的布齿加强、改变增强切削结构的形式等方式，提高心部区域的抗冲击和抗磨损能力，防止钻头“掏心”失效。

请继续参阅图2，增强切削结构3的切削轮廓线101，与外排刀翼切削轮廓线102为一光滑曲线，按照约定，增强切削结构3与外排刀翼切削结构被认定为两则具有相同的切削轮廓线。

第二实施例：请参阅图3，本发明实施例与第一发明实施例基本相同，不同之处在于，增强切削结构3中切削齿4的直径小于外排刀翼中的切削齿直径。

第三实施例：请参阅图4和图5，本实施例中，心部的增强切削结构3为刀翼式。本例中，增强切削结构3上的切削齿4的布置方式为：锥形齿41和圆形齿分别布置在不同的刀翼上。锥形齿41具有很好的抗冲击能力，它的设置能够进一步增强钻头心部的抗冲击能力。同时，锥形齿的破岩方式中还包括犁削，这种方式能够增加岩石张应力破碎比例，机械钻速也会有一定程度的提高。

第四实施例：请参阅图6和图7，增强切削结构3的切削轮廓线101，与外排刀翼切削轮廓线102具有不相同的切削轮廓线。图6显示了，在钻进方向上增强切削结构3的切削轮廓线101向内凹，即切削齿4排布高于外排切削齿。而图7中，增强切削结构3中的切削齿4则低于外排切削齿。这两种切削轮廓的设计方案，均能增加井底的不光滑程度，研究表明，井底越不光滑，破岩效率就越高。

第五实施例：请参阅图8、图9以及图10，本发明实施例与第一发明实施例基本相同，不同之处在于，增强切削结构3中的刀翼具有不同的切削轮廓线。请参阅图9，本例中增强切削结构3具有六个刀翼，每个刀翼上的切削齿4均形成一个波浪形的刀翼轮廓线(如件号1011、1012、1013、1014、1015、1016)。切削齿4按照不同的刀翼切削轮廓线布齿，能够形成心部切削齿的梯度布齿，如图10所示。当第一梯度的切削齿磨损后，下一梯度的新齿开始参与工作，如此类推。这种方案的增强切削结构，在不影响机械钻速的同时，提高钻头的工作寿命。

请参阅图11，增强切削结构3中的布齿方式为二级布齿。

第六实施例：请参阅图12，该方案的设计方案基本同实施例3相同，与实施例3不同点在于，其心部并没有呈“刀翼状”，而是按照最传统的切削齿4布置方式—螺旋方式布齿，在切削齿4之间设置有心部喷嘴7。这样的布齿方式能够显著增加心部的布齿密度，增强其抵抗磨损和冲击对钻头心部的破坏，增加钻头的使用寿命。

第七实施例：请参阅图1、图4、图8以及图12，本发明实施例中增强切削结构3中设置有喷嘴7。增强切削结构3上设置喷嘴7，能够及时冷却该结构上的切削齿4，减少热磨损的发生，同时能及时携带该结构破碎的岩石进入环空。