一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头

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，具体涉及一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头。

背景技术：

1、聚晶金刚石齿（简称pdc齿）是一种用于镶固在钻头体上的切削齿。切削齿主要由金刚石层和硬质合金基体组成，金刚石层具有高硬度、高耐磨性和具有自锐性等特点。安装有pdc齿的钻头称之为pdc钻头，它广泛应用于钻探技术领域，具有机械钻速高、寿命长和钻探安全性高等诸多优点。

2、近年来，随着材料及制造工艺的改进，pdc钻头对地层的适应性越来越广。传统pdc钻头的切削齿通过钎焊固定在钻头刀翼上，随着钻头的不断工作，切削齿磨损会逐渐加大，钻进机械钻速也随之降低，直至机械钻速过慢而起钻。这种传统固定的pdc切削齿钻头钻进时，只有很少部分切削刃能够接触到岩石，即切削刃的局部进行切削岩石。实际用来剪切地层岩石的切削齿边刃仅为10%-40%，而其他60%-90%的切削刃被锁定到钻头本体内不被使用，即不与地层岩石接触。剪切岩石时，相对较少的切削刃会发生一定程度的磨损，切削齿与岩石之间的摩擦作用也随之增强，导致切削齿温度升高，进而导致更大面积的磨损，钻头钻进效率大幅度降低，钻头很快失效。

3、盘式钻头（也称盘形钻头、碟形钻头或碟式钻头）是一种全新齿形结构的牙轮钻头，其齿面制成与牙轮母线垂直或成一定螺旋角的圆环形连续或断续齿圈。盘式钻头的破岩机理不同于常规的牙轮钻头，当齿圈沿岩石磙碾时，利用大的接触应力迫使岩石破碎，形成同心圆环式的岩石破碎带。与常规三牙轮钻头相比，盘式钻头在硬、极硬、研磨性地层和深井、小井眼的钻进更为有效。

4、在硬地层、强塑性地层及研磨性地层中，常规的pdc齿吃入岩石困难，切削齿磨损速度快，导致钻进效率十分低下。提高pdc钻头性能的重要手段就是减轻切削齿的工作负担和形成切削齿的有效吃入。

技术实现思路

1、本发明的目的在于一方面为了降低钻头切削齿的磨损速度，提高切削齿的利用率，另一方面为了在提高切削齿吃入岩石能力的同时，降低切削齿的工作负担，提出一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头，包括钻头体，包括钻头体和刀翼，刀翼设置于钻头体上，至少一个刀翼上同时安设有旋转齿和盘刀，所述旋转齿包含中心旋转齿、衬套、旋转齿轴及限位器，所述旋转齿轴上设置有第一齿轮，中心旋转齿与衬套形成转动连接，旋转齿通过衬套固定于刀翼上；所述盘刀包括刀盘及刀盘轴，所述刀盘轴上设置有第二齿轮，盘刀与刀翼形成转动连接；旋转齿与盘刀通过齿轮啮合连接在一起。

4、上述方案中，盘刀在钻头扭矩的作用下做公转运动，在钻压的作用下压入岩石，同时盘刀在岩石摩擦力的作用下可绕自身轴线旋转，盘刀的旋转通过齿轮啮合带动切削齿的旋转。盘刀的自转和公转运动使盘刀以磙碾的方式破碎岩石，在井底形成环槽状破碎坑，可以对岩石形成一定的预破碎，降低岩石切削难度，从而降低pdc齿的切削效率。pdc齿的旋转运动可以使金刚石层的整个圆周都可以参与切削，以达到延长pdc齿工作寿命的目的。

5、作为选择，所述第一齿轮为蜗轮，所述第二齿轮为蜗杆。

6、上述方案中，当中心旋转齿旋转轴线与刀盘旋转轴线在空间内交错时，需要用涡轮蜗杆传动，盘刀的旋转运动是驱动切削齿运动的直接动力源，即盘刀为主动件，切削齿为从动件，根据涡轮蜗杆传动的原理，在盘刀的刀盘轴上设置蜗杆，在切削齿的旋转轴上设置涡轮。涡轮蜗杆传动具有传动比大，结构紧凑，传动平稳的特点。

7、作为选择，所述第一齿轮和第二齿轮均为锥齿轮。

8、上述方案中，当中心旋转齿旋转轴线与刀盘旋转轴线相交时第一齿轮和第二齿轮通过锥齿轮传递运动。

9、作为选择，所述盘刀的刀盘为圆盘状。

10、上述方案中，盘刀的刀盘为圆盘状，刀盘的滚动连续性好，可使钻头工作更平稳。刀盘持续的作用于井底岩石，在井底形成同心圆环状的破碎沟槽，对井底岩石的破碎范围大。

11、作为选择，所述盘刀的刀盘上开设有刃槽。

12、上述方案中，刀盘上开设有刃槽，可减小刀盘与井底岩石的接触面积，从而增加刀盘作用于岩石时的比压，刀盘更容易压入岩石。

13、本发明的有益效果在于：

14、第一，将pdc钻头的刮切运动和盘式牙轮钻头的磙碾运动方式相结合，盘刀在井底岩石上形成破碎沟槽的同时，可以对井底岩石进行预破碎，保证切削齿有效吃入岩石，岩石的预破碎也可以减轻切削齿的切削负担，提高钻头破岩效率和切削齿寿命。

15、第二，盘刀与切削齿之间通过齿轮啮合连接，盘刀在岩石摩擦力的作用下进行旋转，盘刀的旋转可以带动切削齿的旋转，这样钻头在切削地层时，旋转齿端面整个圆周的切削刃都可以参与对地层的切削，提高了切削齿金刚石层的利用率，从而大幅度提高了钻头的使用寿命，显著提高单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头钻进速度，缩短钻井周期，节约钻井成本。

技术特征：

1.一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头，包括钻头体和刀翼，刀翼设置于钻头体上，其特征在于：至少一个所述刀翼上同时安设有至少一个旋转齿和盘刀，所述旋转齿包含中心旋转齿、衬套、旋转齿轴及限位器，所述旋转齿轴上设置有第一齿轮，中心旋转齿与衬套形成转动连接，旋转齿通过衬套固定于刀翼上；所述盘刀包括刀盘及刀盘轴，所述刀盘轴上设置有第二齿轮，盘刀与刀翼形成转动连接；一个盘刀至少和一个旋转齿通过齿轮啮合连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头，其特征在于：所述第一齿轮为蜗轮，所述第二齿轮为蜗杆。

3.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头，其特征在于：所述第一齿轮和第二齿轮均为锥齿轮。

4.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头，其特征在于：所述盘刀的刀盘为圆盘状。

5.根据权利要求1所述的一种具有盘刀和旋转齿的pdc钻头，其特征在于：所述盘刀的刀盘上开设有刃槽。

技术总结
一种具有盘刀和旋转齿的PDC钻头，包括钻头体和刀翼，刀翼设置于钻头体上，至少一个所述刀翼上同时安设有至少一个旋转齿和盘刀，所述旋转齿包含中心旋转齿、衬套、旋转齿轴及限位器，所述旋转齿轴上设置有第一齿轮，中心旋转齿与衬套形成转动连接，旋转齿通过衬套固定于刀翼上；所述盘刀包括刀盘及刀盘轴，所述刀盘轴上设置有第二齿轮，盘刀与刀翼形成转动连接；旋转齿与盘刀通过齿轮啮合连接在一起。本发明可以实现盘刀对岩石的预破碎作用，以减轻切削齿的切削负担，提高钻头破岩效率；同时，盘刀的旋转可以带动切削齿的旋转，从而提高切削齿金刚石层的利用率，延长钻头寿命。

技术研发人员：刘八仙,牛世伟,黄奎林
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15