。常规牙轮钻头(单牙轮钻头)紧能在钻头体上设置中心喷嘴，且其尺寸受轴颈尺寸和强度的严格限制，水力结构设计不灵活。而本实施例中，可在非中心区域设置边喷嘴，如图2、图4所示。且其喷嘴的直径、喷射角度和数量等，可根据钻头体的切削结构灵活设计，可使其获得良好的冷却、携岩、辅助破岩等高效水力结构特性。
[0039]第六、在本实施例中，由于偏转特征角α的存在，使钻头体上特定区域的布齿轮廓面7a大于对应于切削齿覆盖的井底环带7b，如图20所示。本实施例较常规I3DC钻头具有更大的布齿面积，特别是有利于提高钻头心部和保径区域的布齿密度，提高钻头的综合使用寿命O
[0040]第七、在本实施例中，由于偏转特征角α的存在，可将钻头体11的布齿轮廓面分为连续接触布齿区域6a和交替接触布齿区域6b，如图19所示。钻头体的外肩部和保径部正处于所述的交替接触布齿区域6b，当位于该区域的切削齿接近或达到与井壁相接触的位置时，便参与刮切井壁岩石，如图中保径齿1221;当脱离该位置时，切削齿便不再参与刮切井壁岩石，如图中保径齿(1221)。布置在交替接触布齿区域6b的切削齿，能够更为有利的实现切削齿的高效冷却效果，降低了切削齿热磨损程度，提高了使用寿命。
[0041 ]第八、在本实施例中，具有圆球面布齿切削结构的破岩工具，导向钻进时力学稳定性好，造斜能力高。钻头体11布齿面轮廓为圆球面，当进行定向造斜钻进时，切削齿与井底岩石接触程度高，稳定性好;同时对上部造斜工具施加的侧弯矩响应性能好，造斜率高。
[0042]实施例二:
如图9所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于:所述下壳体51上的外圆周面上设置有主动保径齿5121或被动保径齿5122，或由主动保径齿5121和被动保径齿5122组合而成的保径布齿结构。所述主动保径齿5121和被动保径齿5122优先采用聚晶金刚石复合片齿，也可以采用硬质合金切削齿、孕镶金刚石切削齿、具有金刚石层的复合齿或其他石油天然气、地矿钻井工程中所使用的破岩钻头用切削齿。
[0043]实施例二所提出的结构方案，可进一步丰富本发明的保径切削结构，使其具有更强的保径能力和钻进稳定性，从而进一步提高本发明的综合工作性能。
[0044]实施例三:
如图10所示，本实施例与实施例二基本相同，其区别在于:所述钻头体11使用两种不同材料的部分构成，分别为下部具有刀翼结构特征的粉末冶金材料部分11a，和上部具有轴颈结构特征的金属材料部分lib。
[0045]粉末冶金材料(如“WC-Co”硬质合金等)是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。在PDC钻头制造中，常用粉末冶金材料制作钻头的本体结构，具有硬度高、耐磨性好、抗冲蚀能力强等优点。具有该材料特征的roc钻头常用于高硬度、高研磨性致密地层中使用。在本实施例中，钻头体11下部带有刀翼结构特征的部分Ila采用粉末冶金材料，可使本发明中的切削结构具有强度高、耐磨性好、抗冲蚀能力强等优点;钻头体11上部带有轴颈结构特征的部分Ilb采用金属材料，可便于通过机械加工的方法使轴颈外表面获得较高的几何精度，也便于进行热处理，以改善其机械性能。
[0046]实施例四:
如图11所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于:所述中壳体52的几何轴线521与所述下壳体51的几何轴线513偏转了一个工具体弯角β。本实施例可更好的实现造斜钻进与稳斜钻进。所述工具体弯角β取值范围为:0<β< 5°。
[0047]实施例五:
如图12所示，本实施例与实施例一基本相同，其区别在于:所述偏转特征角α=0°。本实施例与常规油气钻井工程中的“钻头-螺杆钻具”组合所能够实现的功能相同，但相较而言本实施例没有常规螺杆钻具的“轴承组”结构，进而提高了钻井安全性，降低了工具制造与维护成本。
【主权项】
1.一种交变轨迹切削破岩工具，包括有钻头总成(I)和外壳体组，所述外壳体组由下壳体(51)、中壳体(52)和上壳体(53)组成;所述外壳体组内设置有万向轴总成(2)、螺杆马达总成(3)和旁通阀总成(4);所述钻头总成(I)中的钻头体(11)安装在下壳体(51)的下端部，构成转动连接，并且又与万向轴总成(2)的下接头(22)通过螺纹(221)固定连接;所述钻头体(11)上固定有切削齿(122)，其特征在于:所述钻头体(11)的回转轴线(17)与下壳体(51)的回转轴线(513)间形成轴倾角α，使外壳体组的公转与钻头体(11)的自转相复合，实现所述切削齿(122)的交变轨迹切削运动。2.如权利要求1所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述钻头体(11)上设置有轴颈(18)，在所述轴颈(18)内部设置有螺纹结构(16)并且与万向轴总成(2)中的下接头(22)通过螺纹(221)固定连接。3.如权利要求1所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述轴倾角α的取值范围0<α<90° ο4.如权利要求3所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述轴倾角α的取值范围，优选为O < α < 45° ;或所述轴倾角α的取值范围，优选为O <α < 15° 05.如权利要求1或2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述下壳体(51)下部设置有轴承孔(511)，并与所述钻头体(11)上的所述轴颈(18)相配合，并形成转动连接。6.如权利要求1或2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述钻头体(11)的布齿轮廓线为圆弧线。7.如权利要求6所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述钻头体(11)上设置有一个或一个以上的喷嘴(152)。8.如权利要求5所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述下壳体(51)上固定有主动切削齿(5121)和被动保径齿(5122)。9.如权利要求1或2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述万向轴总成(2)中的下接头(22)上开有导流孔(222)。10.如权利要求1或2所述的一种交变轨迹切削破岩工具，其特征在于:所述钻头体(11)为由粉末冶金材料部分(Ila)和金属材料部分(Ilb)组合而成。
【专利摘要】本发明公开了一种交变轨迹切削破岩工具，包括有钻头总成和外壳体组；所述外壳体组内设置有万向轴总成、螺杆马达总成和旁通阀总成；所述钻头总成安装在下壳体下端部，构成转动连接，并且又与万向轴总成通过螺纹固定连接；所述钻头体上固定有切削齿。其特征在于：所述钻头体的回转轴线与外壳体组的回转轴线间形成轴倾角α，使外壳体组的公转与钻头体的自转相复合，实现所述切削齿的交变轨迹切削运动；所述万向轴总成直接与钻头体固定连接。本发明的有益效果包括：能够实现切削齿稳定、可靠的交变轨迹切削运动，可显著提高钻头在硬岩层吃入能力，提高破岩效率；同时简化了“钻头-螺杆钻具”组成结构，提高了钻井安全性，降低了钻井工具成本。
【IPC分类】E21B10/43, E21B10/60, E21B4/02, E21B7/00
【公开号】CN105507809
【申请号】CN201610074515
【发明人】周春晓, 任海涛, 杨迎新
【申请人】西南石油大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年2月1日...