[实用新型]一种具有掌背切削结构的复合钻头

说明书

技术领域

本实用新型属于石油天然气、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，具体的讲涉及一种具有掌背切削结构的复合钻头。

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。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头（包括三牙轮钻头和单牙轮钻头）和PDC（聚晶金刚石复合片）钻头。

三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比（钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比）均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用。岩石的抗压强度较抗剪强度和抗拉强度均要高得多，三牙轮钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。由于三牙轮钻头是以冲击压碎的形式破岩，轴承受到的冲击大，载荷幅值高，加之轴承转速相对较快，因此三牙轮钻头的轴承寿命较短。现有牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过5°，钻头在井底旋转钻进时，轮体速比高，牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快，牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短，牙齿在井底滑移的距离也很短。

单牙轮钻头轴承尺寸较大，牙轮转速低，寿命优于三牙轮钻头。但单牙轮钻头也有一个无法避免的弱点，那就是牙齿耐磨性严重不足，齿一旦磨钝，钻速就会急剧降低。

现今，无运动部件、耐磨且寿命长的PDC（聚晶金刚石复合片）钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。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，亦简称齿）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钻头主要有三方面的缺点：

第一，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。

第二，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。

第三，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。

“一种以切削方式破岩的轮式钻头”（中国专利号：201010229375.7）的主切削结构为转轮切削单元（亦可称盘刀切削单元）。该钻头的主切削结构只由转轮（亦可称盘刀）组成，尽管盘刀切削齿交替工作具有突出的技术优势，但也存在以下不足：其一，保径能力较薄弱。当盘刀切削齿发生磨损时，由盘刀切削齿所确定的钻头直径将随之缩小。通常刮切类钻头通常允许的切削齿磨损量都比较大，所以轮式钻头的保径是一个明显的弱点。其二，因盘刀上切削齿存在一定的齿间距，钻头上实时布齿密度（单位钻头直径或单位井底面积上，同一时间参与破岩工作的切削齿的数量）较小，盘刀上所布置的切削齿总量虽然较多，但同时参与破岩工作的切削齿数量较少，一方面使切削齿的齿刃工作区域宽，不易吃入岩石；另一方面，盘刀切削齿刮切破岩时切削齿之间未被刮切到的隆起岩石（岩脊）可能磨损到盘刀本体，这会影响盘刀上切削齿的固齿可靠性和盘刀及钻头的使用寿命。

“一种以切削方式破岩的复合式钻头”（中国专利号：201010229371.9）在盘刀切削单元的基础上增设了固定切削结构，钻头的主切削结构由盘刀切削单元和固定切削结构复合组成。该复合钻头结构可弥补上述轮式钻头的不足，但在布齿空间的利用方面仍存在明显的不足。在布齿空间极为有限的条件下，空间的浪费在很大程度上就意味着钻头性能的牺牲，这对于钻头切削结构和水力结构的设计都是十分不利的。该缺点的存在在相当程度上制约了钻头的结构设计，对钻头的工作性能造成了不利影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种具有掌背切削结构的复合钻头，增强钻头保径能力，增加钻头的实时布齿密度，节省钻头布齿空间，特别是加强了钻头切削齿易磨损区域（径向外部区域）的布齿，且在该区域实现或强化了切削齿对岩石的网状交叉刮切，使切削齿的耐磨寿命和对岩石的吃入能力均得到提升，在提高钻头破岩效率的同时，延长钻头使用寿命。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：