混合式井下鉆井鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于石油、天然氣和地質(zhì)鉆井用的混合鉆頭，尤其涉及一種混合式井下鉆井鉆頭。
技術(shù)背景
[0002]在當(dāng)前的石油鉆井中，遇到硬地層或硬夾層時，常用的PDC鉆頭，主要是通過roc齒(聚晶金剛石復(fù)合片)的剪切運動方式來實現(xiàn)鉆進，在鉆頭的鼻部和肩部，由于PDC齒在鉆頭輪廓上的載荷分布特點，容易過早損壞，造成PDC鉆頭的機械鉆速變得非常緩慢；而牙輪鉆頭以沖擊壓碎方式破碎巖石，容易使巖石產(chǎn)生較深的破碎齒坑；但對于軟硬夾層較多的地層鉆井，不能使巖石產(chǎn)生體積破碎，故牙輪鉆頭切削齒的切削效率也較低。另外一方面，當(dāng)鉆頭遇到一些軟硬夾層較多的地層時，PDC金剛石鉆頭的固定切削齒極易受到?jīng)_擊破損，為了應(yīng)對這種情況，申請?zhí)枮椤?00880016630.0”的中國專利文獻公開了由牙輪鉆頭和PDC鉆頭組合而成的混合鉆頭，該混合鉆頭雖有較強的綜合性能，但存在以下的不足:由于牙輪鉆頭具有的沖擊、壓碎的破巖機理，牙輪旋轉(zhuǎn)帶動自身多個鑿形齒產(chǎn)生的沖擊載荷能夠有效破碎硬地層；而過高鉆壓易導(dǎo)致鉆頭固定刀翼上復(fù)合片(PDC齒)破碎，從而導(dǎo)致鉆頭機械鉆速的降低；該鉆頭靠近鉆頭中心軸線的是PDC切削齒，由于該鉆頭roc切削齒靠近鉆頭軸線中心位置，回轉(zhuǎn)半徑小，切削線速度低，往往切削效率低；且該鉆頭由PDC切削齒單獨切削鉆頭中心巖石，承受的載荷較大，在夾層鉆進中易出現(xiàn)PDC層破碎或脫落。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種混合式井下鉆井鉆頭。
[0004]本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
[0005]一種混合式井下鉆井鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼、牙掌和牙輪，所述刀翼和所述牙掌均與所述鉆頭本體的上端固定連接，所述牙掌的下端與所述鉆頭本體的側(cè)壁固定連接，所述牙輪通過軸頸與所述牙掌的上端可轉(zhuǎn)動連接，所述牙輪的中軸線與所述鉆頭本體的中軸線之間設(shè)置有夾角，所述刀翼上設(shè)置有多個錐形齒或/和圓片剪切齒，所述牙輪上設(shè)置有多個鑿形齒和平頭齒。
[0006]優(yōu)選地，以所述刀翼切削時的旋轉(zhuǎn)方向為前方，所有的所述刀翼中至少包括一個僅有錐形齒的刀翼，所述僅有錐形齒的刀翼包括前排錐形齒，所述僅有錐形齒的刀翼的前排錐形齒分布于所述僅有錐形齒的刀翼的輪廓的內(nèi)錐、鼻部和臺肩部位，所述僅有錐形齒的刀翼的前排錐形齒出露高度大于其它所述刀翼的前排圓片剪切齒出露高度，且其高度差小于2毫米。
[0007]進一步，所述僅有錐形齒的刀翼還包括后排錐形齒，所述僅有錐形齒的刀翼的后排錐形齒分布于所述僅有錐形齒的刀翼的輪廓的內(nèi)錐、鼻部和臺肩部位，所述僅有錐形齒的刀翼的前排錐形齒和后排錐形齒之間設(shè)置有小于2毫米的高度差且該前排錐形齒高于該后排錐形齒。
[0008]作為優(yōu)選，所述刀翼的前排錐形齒與切削面之間設(shè)置有角度為-17°?+17°的側(cè)傾角和角度為O?+17°的前傾角，所述后排錐形齒與切削面之間之間設(shè)置有角度為-8。?+8°的前傾角。
[0009]作為優(yōu)選，以所述刀翼切削時的旋轉(zhuǎn)方向為前方，所有的所述刀翼中至少包括兩個前排齒為圓片剪切齒、后排齒為錐形齒的刀翼，所述圓片剪切齒分布于所述刀翼輪廓的內(nèi)錐、鼻部、臺肩和保徑部位，該刀翼后排錐形齒分布于對應(yīng)所述刀翼的輪廓的內(nèi)錐、鼻部和臺肩部位；該刀翼的前排圓片剪切齒的出露高度比后排錐形齒的出露高度大，且其高度差小于2毫米，所述兩個刀翼的中心線在所述鉆頭本體的圓周方向上的夾角角度為160° ?200°。
[0010]進一步，所述圓片剪切齒與切削面之間設(shè)置有角度為-17°?+35°的后傾角和角度為-17°?+17°的側(cè)傾角，所述后排錐形齒與切削面之間設(shè)置有角度為-8°?+8°的前傾角。
[0011]優(yōu)選地，所述錐形齒和所述圓片剪切齒均為聚晶金剛石復(fù)合齒或由多晶超研磨材料制造的復(fù)合齒，所述鑿形齒和所述平頭齒為硬質(zhì)合金齒。
[0012]優(yōu)選地，所述牙輪的數(shù)量至少為一個，并且其切削齒的最外輪廓包絡(luò)線在所述鉆頭本體的固定切削齒的最外輪廓包絡(luò)線之外，且兩者之間的距離為0.8?2.5毫米。
[0013]具體地，所述牙輪的中軸線與所述鉆頭本體的中軸線之間的夾角角度為25°?68。。
[0014]本實用新型的有益效果在于:
[0015]1、將牙輪鉆頭的沖擊破碎和混合布齒的刀翼結(jié)構(gòu)鉆頭的犁削、剪切運動相結(jié)合，實現(xiàn)井底預(yù)破碎，保證固定切削齒有效吃入巖石，消除鉆頭在一些特殊地層發(fā)生粘滑現(xiàn)象，降低固定切削齒的沖擊載荷，減少了固定切削齒沖擊損壞的幾率，提高鉆頭切削效率和機械鉆速；
[0016]2、混合布齒的刀翼結(jié)構(gòu)鉆頭，增強了鉆頭本體在粘塑夾層和硬塑性夾層的鉆井效率和切削齒的承載能力；提尚了鉆頭刀翼的壽命，有利于延長混合式鉆井鉆頭壽命；
[0017]3、鉆頭在工作過程中產(chǎn)生的沖擊載荷較多的由牙輪切削齒承受，進一步降低了PDC復(fù)合片的沖擊載荷，減少了 PDC復(fù)合片沖擊破損的幾率，從而提高鉆頭的整體切削效率和機械鉆速。
【附圖說明】
[0018]圖1是傳統(tǒng)的混合鉆頭的俯視圖；
[0019]圖2是傳統(tǒng)的混合鉆頭的側(cè)視圖；
[0020]圖3是傳統(tǒng)的混合鉆頭的切削結(jié)構(gòu)分布側(cè)視圖；
[0021]圖4是本實用新型所述刀翼與牙輪布置位置的示意圖；
[0022]圖5是本實用新型所述錐形齒和圓片剪切齒在刀翼輪廓的分布方法和特征的示意圖；
[0023]圖6是本實用新型所述實施例一中混合式鉆井鉆頭的俯視圖；
[0024]圖7是本實用新型所述實施例一中混合式鉆井鉆頭的側(cè)視圖；
[0025]圖8是本實用新型所述實施例二中混合式鉆井鉆頭的俯視圖；
[0026]圖9是本實用新型所述實施例三中混合式鉆井鉆頭的俯視圖；
[0027]圖10是本實用新型所述實施例三中混合式鉆井鉆頭的側(cè)視圖；
[0028]圖11是本實用新型所述實施例四中混合式鉆井鉆頭的俯視圖；
[0029]圖12是本實用新型所述各實施例中圓片剪切齒在刀翼上的后傾角變化示意圖；
[0030]圖13是本實用新型所述各實施例中錐形齒在刀翼上的前傾角變化示意圖；
[0031]圖14是圖6中刀翼13的錐形齒和刀翼32的圓片剪切齒的出露高差在同一半徑位置的前后關(guān)系圖。
[0032]圖15是描述圖14中錐形齒和圓片剪切齒的出露高差示意圖，反映了圖6中刀翼13的錐形齒和刀翼32的圓片剪切齒鉆井時的軌跡關(guān)系。
[0033]圖16是圖8所述實施例中刀翼60上圓片剪切齒和錐形齒的出露高差在同一半徑位置的前后關(guān)系圖。
[0034]圖17是描述圖16中圓片剪切齒和錐形齒的出露高差示意圖，反映了圖8所述實施例中刀翼60上圓片剪切齒和錐形齒的出露高差在鉆井時的井底軌跡示意圖。
[0035]圖18是圖11所述實施例中在僅有錐形齒的刀翼上有后排錐形齒，描述在同一刀翼上前、后排錐形齒的出露高差在同一半徑位置的前后關(guān)系圖。
[0036]圖19是描述圖18中前排錐形齒和后排錐形齒的出露高差示意圖，反映了圖11中在同一刀翼113上前、后排錐形齒鉆井時形成的井底軌跡示意圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明:
[0038]圖1、圖2、圖3所示的是申請?zhí)枮?00880016630.0的中國專利文獻中的混合鉆頭，包括鉆頭本體5、刀翼200、牙掌300和牙輪100，刀翼200和牙掌300均與鉆頭本體5的上端固定連接。圖1和圖2以不同的方式描述了兩刀翼和雙牙輪組合的混合鉆頭；圖3簡化描述了牙輪上的切削齒和刀翼上剪切齒的分布方式，反映了國內(nèi)外傳統(tǒng)混合鉆頭特點。
[0039]為了便于各實施例的描述，各實施例中各部件的標號均按照附圖所示的標注進行描述，下述各實施例中的牙輪、牙掌、刀翼均與圖1、圖2、圖3中的牙輪100、牙掌300和刀翼200對應(yīng)。
[0040]如圖6和圖7所示，本實用新型所述混合式井下鉆井鉆頭包括鉆頭本體5、前排有圓片剪切齒的刀翼32和僅有錐形齒的刀翼13、牙掌10和牙輪11 ;其均與鉆頭本體5固定連接，牙掌10的下端與鉆頭本體5的側(cè)壁固定連接，牙輪11的軸頸與牙掌10的上端通過軸承轉(zhuǎn)動連接(參看圖4);在圖7中牙輪11通過軸頸與牙掌10的上端可轉(zhuǎn)動連接，牙掌10的下端與