本發(fā)明涉及一種用于鉆探鉆進的鉆頭，更具體的講，本發(fā)明涉及一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭。

背景技術：

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。牙輪鉆頭和PDC（聚晶金剛石復合片）鉆頭是當今鉆井工程中使用得最多的鉆頭。

牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，能量利用率不高?，F有牙輪鉆頭的牙輪偏移角大多不超過5°，鉆頭在井底旋轉鉆進時，輪體速比（鉆頭旋轉鉆進時牙輪轉速與鉆頭轉速之比）均大于1，牙輪繞牙掌軸頸的轉動速度快，牙輪上的牙齒與井底巖石相接觸的時間很短，牙齒在井底滑移的距離小。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、能自銳的聚晶金剛石復合片來剪切破碎巖石，PDC鉆頭由于在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低，在鉆井工程中得到廣泛使用?，F有的以PDC鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設置有多個切削元件。但當鉆遇硬地層時，PDC鉆頭的鼻部和肩部上的切削齒很難有效吃入地層，從而大大降低了機械鉆速。

中國專利“一種以切削方式破巖的輪式鉆頭”（專利號：201010229375.7）和“一種以切削方式破巖的復合式鉆頭”（專利號：201010229371.9）中，首次將PDC齒作為主切削元件設置在了具有大偏移角的轉輪（亦稱為盤刀）上，以切削的方式破巖，并實現切削齒的交替工作。大偏移角使盤刀切削單元上的PDC齒在井底形成螺旋線的刮痕，對于復合式鉆頭，螺旋線刮痕與固定切削單元上切削齒的同心圓刮痕形成交叉網狀的井底模式。特別是鉆遇硬地層時，網狀交叉的井底形貌能夠形成切削齒的自然吃入，提高鉆進效率。同時盤刀齒以交替刮切的方式工作，能夠有效改善切削齒由于持續(xù)不斷的工作而造成的失效。

但是，現有PDC切削齒的抗沖擊能力較弱，特別是鉆遇不均質地層或礫石層時，切削齒多以齒面脆崩、甚至斷齒失效為主，限制了輪式鉆頭和交叉切削復合鉆頭的使用壽命。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于：提出一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭，能提升鉆頭在難鉆地層，特別是高硬度、高研磨性、高不均質性等地層中的工作性能和使用壽命。

本發(fā)明的目的通過下述技術方案來實現：

一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭，包括鉆頭體和盤刀，鉆頭體上至少設置有一個盤刀，盤刀與鉆頭體形成轉動連接，盤刀的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，盤刀上至少設置有一顆錐形齒。

作為選擇，盤刀上的切削齒可以以齒圈的方式布置形成齒圈。

所述盤刀的偏移角α= ，其中s為盤刀的移軸距，c為盤刀的基準距。如圖2、3、4所示，AB為鉆頭中心軸線，CD為盤刀中心軸線，經過盤刀軸線CD并平行于鉆頭軸線AB的面為盤刀極軸面A1，A2是經過鉆頭軸線AB且垂直于盤刀極軸面A1的平面，A3是經過鉆頭軸線AB且平行于盤刀極軸面A1的平面。盤刀上表征各切削齒位置坐標的點為各切削齒的定位點，圓柱形PDC齒的定位點為齒的金剛石工作平面的中心點，錐形齒的定位點設置在齒的頂點位置。一般，盤刀上的切削齒以一圈一圈的形式布置在盤刀上，盤刀齒圈上各切削齒定位點所在的平面A4為盤刀基準平面，盤刀基準平面A4與盤刀軸線CD的交點E為盤刀基準點。過點E向鉆頭軸線AB作垂線，垂足為F。盤刀基準距c即為盤刀基準點E到平面A2的距離，盤刀移軸距s即為鉆頭軸線AB與盤刀極軸面A1之間的距離。沿鉆頭軸線從盤刀向鉆頭接頭螺紋方向看（即逆鉆頭鉆進方向看）時，盤刀的偏移角α為直線EF與平面A3之間的夾角，即有偏移角α=，α的取值為0～90°之間（含0°和90°）。根據盤刀偏移方向的不同，偏移角可以是正值，也可以是負值。盤刀偏移角正負號的規(guī)定為：沿與鉆頭鉆進相反的方向看，并使E點位于平面A3的下方，若E點處于A2平面的左側，則偏移角為正（如圖4所示），反之為負。若E點在A3平面上，偏移角等于0°；若E點在A2平面上，則偏移角等于90°（或-90°）。當偏移角的絕對值等于90°時，正偏移和負偏移的效果相同。盤刀的軸傾角β即為盤刀軸線CD與垂直于鉆頭軸線AB的平面之間的夾角。

鉆頭在鉆壓和扭矩的驅動下鉆進時，盤刀具有公轉和自轉兩種運動形式。當盤刀偏移角不等于零時（盤刀的移軸距S和中心臂長C均不等于零時，軸線和鉆頭軸線空間相交錯）盤刀就不會發(fā)生純滾動。此時，盤刀在巖石上的滾動速度（自轉）變小，盤刀齒與巖石互作用過程中發(fā)生相對滑移，從而形成對巖石的刮切或切削作用。當偏移角不為零時，盤刀齒的相對滑移包括兩部分：第一，徑向滑移，即盤刀齒從巖石的切入點到切出點之間的徑向距離。偏移角越大，徑向滑移量越大。第二為周向滑移，即沿鉆頭圓周方向的滑移量。徑向滑移和周向滑移的矢量合便形成了盤刀齒在巖石上類似螺旋線的切削軌跡。

作為選擇，鉆頭體上還設置有固定切削結構。

作為選擇，鉆頭體上的固定切削結構為刀翼狀的固定切削結構，其上布置有固定切削齒。

該方案中，固定切削結構上的切削齒形成同心圓狀的運動軌跡，而盤刀上的切削齒形成螺旋線狀的切痕，兩種切削結構共同對井底巖石進行交叉切削，形成網狀交叉的井底模式。交叉切削的主要優(yōu)勢：①交叉切削破巖能耗低；②盤刀切削齒交替工作，磨損速度慢；③切削齒能自然形成對巖石的吃入；④固定刀翼上個別齒的失效不易導致鉆頭的快速失效。

作為選擇，鉆頭體上設有獨立輪掌，盤刀與輪掌形成轉動連接。

作為選擇，盤刀轉動連接在固定切削結構上。作為進一步優(yōu)選，盤刀設置在刀翼前端或/和后端。

該方案中，將盤刀切削單元直接結合到固定刀翼上，節(jié)省了盤刀原本的支承結構。此外由于直接采用了固定刀翼作為支承結構，現有的盤刀軸和盤刀的結構及其結合形式都將發(fā)生巨大的變化。軸承轉動副可以直接設于固定刀翼內，盤刀的體積（特別是厚度）可以大大縮小。

作為選擇，固定切削結構（如刀翼）上開設有盤刀槽，盤刀通過轉動連接安裝在盤刀槽內形成雙側支撐。

該方案中，形成雙支持結構，在節(jié)省了鉆頭空間的基礎上，能夠提高軸承的承載能力，同時盤刀軸的受力更均衡。因此，本專利盤刀軸承系統(tǒng)與現有同等尺寸的軸承系統(tǒng)相比可靠性和安全性更高，壽命更長。

作為選擇，盤刀上設置有錐形齒和PDC齒，錐形齒與PDC齒相間布置或部分相間布置。

作為選擇，盤刀上設置有至少兩個盤刀齒圈。

在一個盤刀上布置有至少兩圈切削齒，一圈齒在前，一圈齒在后。其有兩種實施方式和益處：第一，兩圈齒均為盤刀上的主切削齒，兩圈齒在圓周方向交錯布置，顯著增加了盤刀切削齒在井底工作區(qū)域內的覆蓋密度，利于切除井底上凸起的巖脊，可提高鉆頭的破巖效率。第二，兩圈齒中的一圈為盤刀上的主切削齒，另一圈為后備切削齒，這樣便于在高布齒密度條件下實現同一盤刀上的主切削結構和后備切削結構的設置，使鉆頭在難鉆地層有更持久的工作能力。

作為選擇，盤刀的偏移角α的范圍是30°≤|α|≤90°。作為進一步選擇，盤刀的偏移角α的范圍是45°≤|α|≤90°，作為進一步優(yōu)選，盤刀的偏移角α的范圍是60°≤|α|≤90°。大的偏移角使盤刀齒的工作時間變長，即滑移量增加，交叉效果越好。

作為選擇，盤刀上的錐形齒的軸線與盤刀的軸線的夾角的范圍是30°≤φ≤90°。

作為選擇，當盤刀將其上的錐形齒旋轉到最低點時，錐形齒的軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角θ的范圍是0°＜θ≤90°。

盤刀上的齒旋轉到最低點是指，盤刀旋轉使其上的齒在鉆頭鉆進方向處在最低處的位置點。

作為選擇，固定切削結構上設置有錐形齒，如刀翼上設置錐形齒。

本專利的有益效果：

與現有技術相比，本專利的有益效果在于：對于復雜夾層或含礫石巖層而言，現有鉆頭技術中的切削齒，特別是PDC切削齒容易發(fā)生齒面脆崩或斷齒失效。而錐形齒具有較好抗沖擊能力，有錐形齒的存在，當鉆頭在鉆軟硬頻繁交錯地層、極不均值地層、含礫石層等在復雜難鉆地層時，其能提高切削齒的抗沖擊性，且能保護其他切削齒免受較大沖擊，提高鉆頭的抗沖擊損壞能力。本專利鉆頭，能夠在提高切削齒抗沖擊能力的同時，增強鉆頭的使用壽命和可持續(xù)鉆進能力。

附圖說明

圖1為本專利實施例一的鉆頭結構示意圖，其中盤刀安裝在獨立牙掌上。

圖2為本專利中盤刀的移軸距s、基準距c、偏移角α和軸傾角β等幾何位置參數的示意圖。

圖3為本專利實施例一中盤刀與輪掌形成轉動連接的結構示意圖。

圖4為本專利沿鉆頭軸線俯視時盤刀在鉆頭上的相對幾何位置示意圖。

圖5為本專利實施例一中盤刀與盤刀軸為一體，并與輪掌（或鉆頭體，或刀翼）形成轉動連接的結構示意圖。

圖6為本專利實施例一中盤刀的雙側支撐的結構示意圖。

圖7為本專利實施例二的鉆頭結構示意圖。

圖8為本專利實施例三的鉆頭結構示意圖，其中盤刀設置在刀翼前端。

圖9為本專利實施例三的鉆頭結構示意圖，其中盤刀設置在刀翼后端。

圖10為本專利實施例三的鉆頭結構示意圖，其中盤刀設置在刀翼前端和后端。

圖11為本專利實施例四的鉆頭結構示意圖，盤刀安裝在固定翼上的盤刀槽中，其中盤刀齒均為錐形齒。

圖12為本專利實施例四的鉆頭結構示意圖，盤刀安裝在固定翼上的盤刀槽中，其中盤刀齒為錐形齒和圓柱形齒相間布置。

圖13為本專利實施例五鉆頭的盤刀上設置有兩個盤刀齒圈，前排齒圈中為錐形齒。

圖14為本專利實施例五鉆頭的盤刀上設置有兩個盤刀齒圈，后排齒圈中為錐形齒。

圖15為本專利實施例一鉆頭結構中，盤刀上的錐形齒的軸線與盤刀的軸線垂直（=90°）。

圖16為本專利實施例一鉆頭結構中，盤刀上的錐形齒的軸線與盤刀的軸線的夾角為大于等于30°的銳角。

圖17為本專利實施例六鉆頭的固定刀翼上設置錐形齒的結構示意圖。

其中，1為鉆頭本體、2為盤刀、3為固定切削結構，4為盤刀齒、41為固定齒、5為輪掌、6為盤刀槽。

具體實施方式

下列非限制實施例用于說明本專利。

實施例一

如圖1、2、3、4所示，一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭，包括鉆頭體1和盤刀2，盤刀2與鉆頭體1形成轉動連接，盤刀2的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，鉆頭體1上至少設置有一個盤刀2，盤刀2上至少設置有一個錐形齒。如圖1所示，作為選擇，盤刀2通過設置的獨立輪掌5與鉆頭體1形成轉動連接，錐形齒以齒圈的形式布置在盤刀2上形成齒圈。錐形齒可以為聚晶金剛石復合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒或包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。此外，盤刀2與輪掌5的轉動連接，有其他多種方式，盤刀2與盤刀軸設置為一體，與輪掌5形成轉動連接，如圖5所示。盤刀2的安裝形式也可以是雙側支撐，如圖6所示。作為選擇，盤刀2上的錐形齒的軸線與盤刀2的軸線的夾角的范圍是30°≤φ≤90°。如圖15所示，盤刀2上的錐形齒的軸線與盤刀2的軸線垂直，即=90°。如圖16所示，錐形齒的軸線與盤刀2的軸線之間的夾角為大于等于30°的銳角。作為進一步選擇，當盤刀2將其上的錐形齒旋轉到最低點時，錐形齒的軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角θ的范圍是0°＜θ≤90°。錐形齒在盤刀2將其旋轉到最低點時，錐形齒的軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角為銳角或垂直，便于錐形齒的錐尖錐入（侵入）巖石，有利于錐形齒的刮切破巖。只有當錐形齒的軸線以銳角或垂直的方式侵入巖石時，錐形齒的侵入及刮切破碎巖石的效果最好，最能發(fā)揮錐形齒的破巖效果。

鉆進時盤刀2上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，并在井底形成螺旋線的刮痕。盤刀齒4的交替工作，利于切削齒的清洗，減少熱磨損，延長鉆頭的工作壽命。

實施例二

本實施例與實施例一基本相同，其區(qū)別在于：鉆頭體1上還設置有固定切削結構3，如圖7所示，固定切削結構3為刀翼狀，固定切削結構3上設置有固定切削齒41。

鉆進時盤刀2上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，并在井底形成螺旋線的刮痕，而設置在固定切削結構3上的切削齒在井底形成同心圓狀的刮痕，兩套刮痕在井底共同形成交叉網狀的井底模式，有利用切削齒吃入地層，提高破巖效率。因此，本專利盤刀2與固定切削結構3相復合的鉆頭結構在延長鉆頭的使用壽命的同時，能提高破巖效率。

實施例三：

如圖8所示，本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于，輪掌5和固定切削結構3（刀翼）為一體。盤刀2直接固定在刀翼上（刀翼即為輪掌），且設置在刀翼的前側面。本實施例中，盤刀2直接設置在刀翼上，節(jié)約了鉆頭寶貴的空間。正如本領域的研究人員所熟知的，盤刀2還可以設置在刀翼的后側面，如圖9；以及在刀翼的前后側面均設置盤刀2，如圖10。

實施例四

本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于，固定切削結構3（刀翼）上開設有盤刀槽6，盤刀2設置在盤刀槽6中，形成雙側支撐，如圖11。該結構下，盤刀切削單元所占的空間體積大大縮小，雙側支撐盤刀有利于保障軸承的可靠性，并延長軸承使用壽命。同等尺寸的該結構軸承比現有結構軸承的壽命更長，可靠性和安全性更高。盤刀齒4也可以為錐形齒和圓柱型切削齒相間布置，如圖12所示。

實施例五

本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于，盤刀2上設置有兩個盤刀齒圈，如圖13所示，前排齒圈為錐形齒，后排齒圈為圓柱形切削齒。如圖14所示，后排齒圈為錐形齒，前排為圓柱形切削齒。同樣的，兩個齒圈均可以同時為錐形齒組成，兩個齒圈亦可以錐形齒和圓柱形齒相間隔布置。

實施例六

本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于，固定切削結構3（刀翼）上設置錐形齒，如圖17所示，固定刀翼上亦可以設置錐形齒。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。