[发明专利]一种复合钻头

说明书

技术领域

本发明涉及钻探设备技术领域，特别涉及一种复合钻头。

背景技术

在石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质及水文钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和PDC钻头，其中，三牙轮钻头包括钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）。近年，美国贝克休斯公司推出一种牙轮-PDC混合式钻头新产品,下面以美国贝克休斯公司提出的牙轮-PDC混合式钻头为例加以说明。

美国贝克休斯公司提出的牙轮-PDC混合式钻头是在传统的PDC切削结构基础上增加牙轮切削结构而形成的，具体由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成。其中，牙轮-PDC混合式钻头的固定切削结构是由若干PDC固定刀翼（也称固定翼）组成，固定刀翼上布置有固定切削齿（一般为PDC齿），当钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩；牙轮-PDC混合式钻头的牙轮切削结构与牙轮钻头类似，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩。

实际上，牙轮-PDC混合式钻头的基本理念早在1985年以前就已经提出，然而却长期没有形成工业化应用。其根本原因在于：由于混合钻头上的牙轮是以冲击压碎的方式破岩，牙轮上的牙齿在交替工作过程中产生的上下振动（纵向振动）会直接影响PDC固定切削结构的工作稳定性，从而导致固定切削结构中PDC齿的非正常失效。PDC齿是一种对冲击载荷比较敏感的切削元件，由牙轮纵向振动带来的冲击载荷容易引起PDC齿聚晶金刚石层的脆性崩裂损坏，减短钻头的使用寿命。因为牙轮-PDC混合式钻头所适用的地层一般是常规PDC钻头较难钻进的地层，岩石的抗压强度较高。在这种条件下，PDC齿更容易发生崩裂损坏。正因为牙轮-PDC混合式钻头具有这个天生的弱点，加以早期的PDC齿产品的抗冲击能力很差，所以，这种混合钻头才一直停留在概念设计阶段。直至近年，PDC齿的抗冲击性能有了长足的进步，才使这种技术发展成为一种新的钻头产品，逐步在钻井工程中得到应用。然而，由于纵向振动而导致PDC齿磨损加剧的问题，依然是一个制约混合钻头性能的重要因素。除此而外，牙轮的纵向振动还会使固定切削结构中PDC齿的吃入深度发生频繁变化，严重时甚至可能造成PDC齿频繁脱离井底，因而可在一定程度上降低钻头的破岩效率。显然，如果能够显著地减小甚至消除这种纵向振动，将使钻头的综合性能得到显著提升。

发明内容

为了解决现有技术中牙轮-PDC混合式钻头存在的牙轮纵向振动对钻头固定切削齿刮切岩石过程产生不良影响，因而导致切削齿磨损速度快，严重影响钻头破岩效率和使用寿命的问题，本发明提供了一种复合钻头，能够在提高钻头破岩效率的同时延长钻头使用寿命。所述技术方案如下：

一种复合钻头，所述复合钻头包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，所述牙轮和所述固定切削结构布置在所述钻头体上，所述牙轮通过轴承结构与所述钻头体形成转动连接；

所述牙轮上镶固有横镶牙齿，横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°，所述横镶牙齿的4分齿顶宽度W不小于横镶牙齿镶固部分圆柱直径D的80%，所述横镶牙齿起碾压、劈裂作用；

所述固定切削结构包括多个固定切削齿，所述多个固定切削齿起刮切作用。

作为优选，所述牙轮上横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是80°≤|α|≤90°，所述横镶牙齿的4分齿顶宽度W不小于横镶牙齿镶固部分圆柱直径D的90%。

作为优选，所述牙轮上的横镶牙齿的齿顶偏转角α=90°。

作为优选，所述牙轮上横镶牙齿的4分齿顶厚度不大于横镶牙齿镶固部分圆柱直径D的25%。

作为优选，所述牙轮设有至少两排齿圈，每排齿圈包括多个所述横镶牙齿，所述牙轮中不同齿圈的横镶牙齿呈部分或全部交错布置。

作为优选，所述复合钻头上的每个牙轮的偏移值不大于所述复合钻头直径的1.5%。

作为优选，所述复合钻头上的牙轮的偏移值不大于所述复合钻头直径的0.5%。

作为优选，所述复合钻头上的牙轮的偏移值为0（即牙轮无偏移）。

作为优选，所述牙轮设有齿圈，所述齿圈包括多个所述横镶牙齿，所述牙轮中的至少一个齿圈与其所对应的固定切削结构上的至少一个固定切削齿呈径向同轨布置。

作为优选，所述横镶牙齿的齿顶轮廓线为向上凸起的弧形。

作为优选，所述横镶牙齿的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿所述横镶牙齿的轴线方向的投影为圆弧形。