[发明专利]一种单牙轮复合钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种复合钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。牙轮钻头和PDC钻头是钻井工程中常用的钻头。目前钻井工程中所使用的牙轮钻头主要是三牙轮钻头和单牙轮钻头。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压、刮切作用破碎岩石。无论是单牙轮钻头还是三牙轮钻头，均有一个影响其使用寿命的重要因素，那就是轴承寿命。现有牙轮钻头的轴承均为内置式轴承，轴承形式是牙轮内设置轴承孔，钻头本体上的牙掌上设置凸出的轴颈，牙轮套装在轴颈上形成轴承副。由于轴承为设置在牙轮内的内置轴承，因此现有牙轮钻头的轴承结构存在如下弊端：①牙轮内有轴承孔，牙轮为壳体结构套装在轴颈上，钻头工作时可能引起牙轮开裂或破碎，形成井下事故；②牙轮上设置有牙齿，特别是对镶齿牙轮钻头来讲，为保证牙轮壳体质量和固齿强度，牙轮壳体需满足一定的厚度，因此牙轮内的轴承尺寸不能做得过大，较小的轴承尺寸限制了轴承的强度和使用寿命；③足够大的轴承宽度是保障轴承强度和工作性能的必要条件，因此，需保证较大的牙轮高度（从牙轮底平面至牙轮尖部的距离），一般情况下，牙轮的高径比（牙轮布齿面高度与牙轮外径的比值）均大于0.6，较大的高径比虽有利于增加牙轮内轴承的宽度，但也限制了牙轮的结构和钻头的结构。由于轴承设置于牙轮内，较大的牙轮尺寸及较大的高径比，使现有钻头的牙轮占据了钻头上宝贵而有限的空间。现有牙轮钻头的轴承结构型式在某些条件下会明显影响钻头的轴承寿命以及钻头的安全性和可靠性。

现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片（即PDC齿）按照一定的规律布置并固结在钻头本体上，构成PDC钻头破碎岩石的切削结构。在理想工作条件（即钻头中心线与井眼中心线重合的条件）下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有四方面的缺点：第一，钻头上个别齿的失效（齿的脱落、断裂或过度磨损等）会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。第二，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域（特别是钻头半径的外1/3区域）的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。第三，当钻头在较硬地层钻进时，PDC齿难于侵入（吃入）井底岩石表面，特别是当PDC齿发生一定程度磨损后，侵入难度更高，导致钻头在井底打滑，钻速极慢。第四，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象（当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象）的发生。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种能形成交叉刮切破岩，在增加钻头破岩效率的同时，能延长钻头切削齿及轴承寿命，进而延长钻头使用寿命的单牙轮复合钻头，尤其适用于小井眼的钻进。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种单牙轮复合钻头，包括钻头体和固结在钻头体上的固定切削结构，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述钻头体上还设有一个装有切削齿的牙轮，所述牙轮设置有轴颈，所述钻头体上设置有轴承孔，所述牙轮通过轴颈与所述钻头体上的轴承孔形成转动连接。

上述方案中，该复合钻头提出了一种新的结构形式：常规的牙轮钻头的牙轮和钻头体之间通过钻头体上设置轴颈，牙轮上设置轴孔形成转动配合。而本发明方案恰恰相反，牙轮上设置轴颈，牙轮与轴颈作为一体式结构，钻头体上设置轴承孔，牙轮与钻头体通过牙轮轴颈与钻头体上的轴承孔形成转动配合。该钻头具有常规的固定切削结构的同时还拥有牙轮切削结构,该结构形式下的固定切削结构上的切削齿以同心圆切削的方式作用于井底岩石，形成同心圆环形刮切轨迹；牙轮上的切削齿以挤压刮切的方式破碎井底岩石，牙轮上的切削齿在井底形成空间曲线刮切轨迹。两套刮切轨迹的复合，将在井底形成复杂的交叉网状刮切。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：