[发明专利]一种以旋切方式破岩的轮式钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，具体的说涉及一种以旋切方式破岩的轮式钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。现代钻井工程中广泛使用的钻头主要有牙轮钻头（包括单牙轮钻头、三牙轮钻头）、PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金刚石复合片钻头）。当今，牙轮钻头和PDC钻头都已发展到相当高的水平，但仍存在一些不可克服的问题。一是怕划眼和扩眼，使密封轴承的牙轮钻头，特别是PDC钻头先期损坏；二是对井底中心岩石的运动小，功能不足，中心岩石不易破碎，影响钻头的机械钻速，牙轮钻头和PDC钻头中心布齿少、易磨损，也是钻头失效的主要原因。

三牙轮钻头钻进时破岩形式为冲击压碎破岩，通过牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破碎岩石，形成井径（见图11）。由于岩石的抗压强度远大于抗剪和抗拉强度，而三牙轮钻头利用牙齿对岩石的冲击作用来破岩，能量利用率不高。特别是在深井钻井等高钻压情况下，由于高密度的钻井液的作用，井底的岩屑压持效应明显，钻头牙齿难以吃入岩石并冲击破碎岩石，故破岩效率相对较低。

三牙轮钻头轴承寿命是制约钻头使用寿命的主要因素之一，轴承承受钻压引起的载荷，加上三牙轮钻头以冲击形式破岩，轴承受到的冲击载荷大，载荷幅值高，加之三牙轮钻头的增速效应：三牙轮钻头轮体速比（钻井时牙轮转速与钻头转速之比）大于1，即钻头钻进时牙轮转速大于钻头钻速，所以轴承转速相对较快，导致三牙轮钻头的轴承寿命较短。

双牙轮钻头的牙轮布置方式与三牙轮相同，各牙轮工作面（布牙齿的弧面）均是相对设置，即均是向内。除了造成以上的问题之外，从牙轮钻头破岩过程和运动轨迹分析，牙轮上的牙齿与井底井壁岩石接触时间较少，牙齿在井底滑移的距离也较小，中心破岩效率低，影响了机械钻速。

单牙轮钻头牙轮形状不同于双牙轮和三牙轮的锥球形（近似半球形），而是近球形，工作面布满整个球面（双、三牙轮的工作面是半圆弧面）。依靠牙齿对地层的冲击、滚压和刮切三种方式破碎岩石，尤其是刮切运动的方向在牙轮表面的各个部位都不同，即不同排数的牙齿在井底沿不同方向的轨迹，作较长距离的滑移来切削地层，并形成网状的井底轨迹（见图12）。单牙轮钻头的特点是牙轮转速低，轴承尺寸较大，使用寿命优于三牙轮钻头，但是单牙轮钻头有无法回避的缺点：单牙轮钻头的满眼结构决定其破岩过程中容易发生重复破碎，排屑困难。牙齿耐磨性严重不足，一旦发生牙齿磨钝或断齿，机械钻速急剧下降。

PDC钻头破岩形式为刮削岩石，在钻井、地质乃至建筑工程中运用越来越广泛，在钻井工程中使用的比例越来越大。在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，钻头钻进时各切削齿的运动轨迹为相对固定的同心圆环带（见图13）。由于其破岩机理和结构差异，PDC钻头适用于较高钻速和软至中硬地层。其不足主要有以下方面：

1. 井底条件要求高：如果井底有异物，会导致PDC钻头产生崩齿或热摩擦现象，温度升高烧黑胎体，甚至熔化钎焊层，产生掉齿现象，影响机械钻速，加速钻头失效。

2. PDC齿失效的严重后果：与牙轮钻头相比较，PDC钻头个别齿的失效（掉齿、崩齿等）会严重增加附近PDC齿的载荷，加快其磨损速度，加剧钻头失效。

3. 心部破岩效率不高：PDC钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，外肩部切削岩石比例大，磨损速度快。心部PDC齿接触破岩效率低，磨损则较慢。

发明内容

鉴于PDC钻头的缺陷，本发明针对牙轮钻头进行改进，提出一种以旋切方式破岩的轮式钻头，解决现有双、三牙轮钻头能量利用率低、破岩效率低、轴承寿命短、钻进效率低，以及单牙轮满眼结构造成的排屑困难、牙齿耐磨性差等问题。

本发明的钻头以旋切方式冲击、压碎、切削岩石，实现破岩，同时改进钻头轴承结构，确保提高破岩效率的同时增加钻头使用寿命。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种以旋切方式破岩的轮式钻头，包括钻头主体（1）、牙轮（2）、牙轮工作面上的切削齿（3），牙轮（2）与钻头主体（1）上牙轮轴颈构成转动连接，其特征在于：主体（1）上牙轮轴颈平面与钻头轴线的轮体夹角                                                的范围为，轴颈偏移量为，其中为钻头直径。