[实用新型]一种复合切削金刚石钻头

说明书

一种复合切削金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或与钻头体相固连的固定刀翼、盘刀、固定刀翼之间的水道槽、水眼或喷嘴，所述固定刀翼上设置有刀翼切削元件，所述钻头体上至少有一个由所述盘刀与其上的盘刀切削齿及盘刀轴所构成的盘刀切削单元，盘刀安装在盘刀轴上，或与盘刀轴为一体，所述盘刀的偏移角范围是20°≤|α|≤90°，其特征在于：至少有一个盘刀设置于一个固定刀翼上或两固定刀翼之间的水道槽中，所述盘刀切削单元的两侧分别支承在支承体上，且与支承体形成转动连接，能有效延长盘刀轴承的工作寿命、提高盘刀切削单元在使用中的安全性能，从而有效提高钻头的破岩效率和工作寿命。

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种复合切削金刚石钻头。

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。三牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是当今钻井工程中使用得最多的钻头。

三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩。现有三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(钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比)均大于 1，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，钻头利用牙齿对岩石的冲压作用来破岩。轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要因素之一。

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿或切削齿)作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

中国专利“适应于钻高研磨性地层的PDC钻头”(专利号：200810139793.X)中，布置在固定刀翼上的切削齿，在钻头轴向上呈两层布置，形成平行或者近似平行的两套切削轮廓。其目的在于不降低机械钻速的基础上，延长在高研磨性地层中的使用寿命。自2009年美国贝壳休斯公司牙轮-PDC复合钻头技术的开发成功，国内外研究单位与生产企业开始对复合钻头进行研究，并开发具有自主知识产权的专利产品。贝壳休斯公司在近年来相继向美国以及世界知识产权组织提交了多份专利申请，其中美国专利“Hybrid bit withvariable exposure”(专利号：US 8336646B2)中，针对牙轮切削单元的切削轮廓与固定切削单元的切削轮廓进行了几种匹配设计。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号： 201010229371.9)中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮(该申请中偏移角α的范围20°≤|α|≤90°的转轮即本申请所述盘刀)上，同时也设置了装有固定切削齿的固定切削单元(包括刀翼结构)。大偏移角的安装使盘刀切削单元上的PDC齿在井底形成螺旋线的刮痕，螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式。但该专利技术方案沿用了三牙轮钻头轴承系统的技术，将盘刀设置于具有轴颈的牙掌上，与牙掌形成转动连接。由于其轴承系统采用单侧支承的结构，其在轴承系统等方面存在不足或缺陷，钻头在钻进时如遇冲击或振动时，将会影响轴承系统的使用寿命，进而影响钻头的使用寿命。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

发明内容