一種刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭的製作方法
2023-04-25 00:10:11
專利名稱：一種刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明屬於石油天然氣、礦山工程、建築基礎工程施工、地質、水文等鑽探設備技術領域，具體的講涉及一種鑽頭。
背景技術：
鑽頭是鑽井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。三牙輪鑽頭和roc(聚晶金剛石複合片)鑽頭是當今鑽井工程中使用得最多的鑽頭。三牙輪鑽頭主要以衝擊壓碎的形式破巖。現有三牙輪鑽頭的牙輪偏移角大多不超過5°，鑽頭在井底旋轉鑽進時，輪體速比(鑽頭旋轉鑽進時牙輪轉速與鑽頭轉速之比)均大於1，牙輪繞牙掌軸頸的轉動速度快，牙輪上的牙齒與井底巖石相接觸的時間很短，牙齒在井底滑移的距離也很短，鑽頭利用牙齒對巖石的衝壓作用來破巖。軸承壽命低是制約三牙輪鑽頭使用壽命的主要因素之一。現今，無運動部件、耐磨且壽命長的roc (聚晶金剛石複合片)鑽頭在鑽井工程中使用得越來越多，比例越來越大。現有的PDC鑽頭均屬固定切削齒鑽頭，作為切削元件的聚晶金剛石複合片(即PDC齒，亦簡稱齒)按照一定的規律布置並固結在鑽頭體上，構成roc鑽頭破碎巖石的切削結構。為了及時將井底被鑽頭破碎的巖屑攜帶至地面，同時也為了清洗鑽頭和冷卻切削齒，PDC鑽頭上還需具有水力結構。水力結構通常由鑽頭內流道、外流道和噴射孔組成。噴射孔又稱噴嘴，可以是直接設置在鑽頭體上的固定式噴嘴，也可以是安裝在鑽頭上的可替換式噴嘴。為了使鑽頭的切削結構和水力結構達到更好的工作效果，在設計、製造鑽頭時，通常按照一定的規律將PDC齒分成若干組，同組的PDC齒固結在同一個齒座上，每個齒座以及分布於其上的PDC齒構成一個切削結構單元,稱為刀翼(齒座為刀翼體或固定刀翼)。刀翼之間的溝槽就形成了鑽頭的外流道。這種鑽頭為刀翼式PDC鑽頭。刀翼式PDC鑽頭是PDC鑽頭的主要結構類型。在理想工作條件(即鑽頭中心線與井眼中心線重合的條件)下，鑽頭鑽進時各切削齒所負責破碎的區域為相對固定的同心圓環帶。這種固定齒PDC鑽頭主要有四方面的缺
佔-
第一，PDC齒連續不斷地切削巖石，由於劇烈摩擦產生的熱量會使齒達到相當高的溫度，當溫度超過一定界限時，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導致熱磨損現象(當PDC齒工作溫度高於某一特定溫度時，其耐磨性明顯下降的現象稱為PDC齒的熱磨損現象)的發生。第二，鑽頭上個別齒的失效(齒的脫落、斷裂或過度磨損等)會顯著增加失效齒井底環帶附近的PDC齒的工作負荷，加快其磨損速度，進而導致鑽頭提前失效。第三，鑽頭不同徑向區域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鑽頭外部區域(特別是鑽頭半徑的外1/3區域)的切削齒磨損速度明顯快於心部區域的齒。第四，增加鑽頭上的切削齒數量可以減小切削齒的工作負荷，因而能夠有效降低切削齒的磨損速度，提高鑽頭的工作壽命，但同時也會降低鑽頭的鑽巖效率。中國專利「一種以切削方式破巖的複合式鑽頭」(專利號:201010229371.9)中，鑽頭上既設置了裝有切削齒的轉輪(亦可稱為盤刀)，也設置了裝有固定切削齒的固定切削結構(包括刀翼結構)。這種複合式鑽頭結合了可旋轉的轉輪切削結構和裝有固定切削齒的固定切削結構各自的優點，同時互補增益產生了新的效果，總體上具有極好的技術效果。但在進一步的研究中發現，這種鑽頭結構具有如下缺點:裝有切削齒的轉輪和裝有固定切削齒的固定切削結構，雖然能各自獨立地發揮效果，但其轉輪及其支承結構必須是鑽頭體上一個獨立的切削結構單元，因此在鑽頭上佔據的空間相對較大，在布齒空間極為有限的條件下，空間的浪費在很大程度上就意味著鑽頭性能的犧牲，這對於鑽頭切削結構的設計是十分不利的。上述缺陷的存在阻礙了該本具有極好技術效果的方案的實際應用。
發明內容
本發明的目的在於:提出一種刀翼上具有可旋轉盤刀結構的鑽頭，能充分利用刀翼式鑽頭的結構特點，節省鑽頭切削結構區域的幾何空間，提高鑽頭的綜合性能。本發明目的通過下述技術方案來實現:
一種刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，包括鑽頭體、固定刀翼、盤刀，所述鑽頭體上設置有固定刀翼，所述固定刀翼上布有固定切削齒，所述盤刀的偏移角α的範圍是20° ( I α I <90°，所述鑽頭體上至少有一個由所述盤刀與其上的盤刀切削齒及盤刀軸所構成的盤刀切削單元，至少有一個所述盤刀切削單元設置在固定刀翼上，所述盤刀與所述固定刀翼形成轉動連接。上述結構中，所述 盤刀的偏移角a = aretan(s/c)其中s為盤刀的移軸距,c為盤刀
的基準距。如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示，AB為鑽頭中心軸線，⑶為盤刀中心軸線，經過盤刀軸線⑶並平行於鑽頭軸線AB的面為盤刀極軸面Al，A2是經過鑽頭軸線AB且垂直於盤刀極軸面Al的平面，A3是經過鑽頭軸線AB且平行於盤刀極軸面Al的平面。盤刀上表徵各切削齒位置坐標的點為各切削齒的定位點，圓柱形PDC齒的定位點為齒的金剛石工作平面的中心點，其它類型切削齒的定位點設置在齒的某個特定點上。一般，盤刀上的切削齒以一圈一圈的形式布置在盤刀上，盤刀外排齒圈上各切削齒定位點所在的平面A4為盤刀基準平面，盤刀基準平面A4與盤刀軸線CD的交點E為盤刀基準點。過點E向鑽頭軸線AB作垂線，垂足為F。盤刀基準距c即為盤刀基準點E到平面A2的距離，盤刀移軸距s即為鑽頭軸線AB與盤刀極軸面Al之間的距離。沿鑽頭軸線從盤刀向鑽頭接頭螺紋方向看(即逆鑽頭鑽進方向看)時，盤刀的偏移角α為直線EF與平面A3之間的夾角，即有偏移角
a = anSa1- , α的取值為O 90°之間(含0°和90° )。根據盤刀偏移方向的不同，偏
移角可以是正值，也可以是負值。盤刀偏移角正負號的規定為:沿與鑽頭鑽進相反的方向看，並使E點位於平面A3的下方(如圖6、圖7)，若E點處於Α2平面的左側，則偏移角為正(如圖6所示)，反之為負(如圖7所示)。若E點在A3平面上，偏移角等於0° ;gE點在Α2平面上，則偏移角等於90° (或-90° )。當偏移角的絕對值等於90°時，正偏移和負偏移的效果相同。
盤刀的偏移角
權利要求
1.種刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，包括鑽頭體(I)、固定刀翼(4)、盤刀(2)，所述鑽頭體(I)上設置有固定刀翼(4)，所述固定刀翼(4)上布有固定切削齒(41)，所述盤刀(2)的偏移角α的範圍是20° ( I α | <90°，所述鑽頭體(I)上至少有一個由所述盤刀(2)與其上的盤刀切削齒(21)及盤刀軸(3)所構成的盤刀切削單元，其特徵在於:至少有一個所述盤刀切削單元設置在固定刀翼(4)上，所述盤刀(2)與所述固定刀翼(4)形成轉動連接。
2.權利要求1所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述固定刀翼(4)上設有盤刀槽，所述盤刀(2)設置於盤刀槽內，所述盤刀軸(3)的兩端或一端與固定刀翼(4)連接，所述盤刀(2)通過盤刀軸(3)與所述固定刀翼(4)形成轉動連接。
3.權利要求2所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述固定刀翼(4)上，在所述盤刀(2)前和/或後分別布置至少一排所述固定切削齒(41)。
4.權利要求2所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述固定刀翼(4)上由刀翼頂端向根部方向開設有2個盤刀槽，其中一個盤刀槽位於固定切削齒(41)齒排的前方,另一個盤刀槽位於固定切削齒(41)齒排的後方,兩個盤刀槽中各安裝一個盤刀(2)。
5.權利要求1所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述鑽頭體(I)上還設置有獨立的固定刀翼(4)及其固定切削齒(41)構成的獨立的固定切削結構。
6.權利要求1中所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述盤刀(2)設置於固定刀翼(4)的前側和/或後側，所述盤刀切削單元的盤刀軸(3)的一端與盤刀(2)固定連接，另一端與固定刀翼(4)轉動連接，且轉動副位於固定刀翼(4)內。
7.權利要求1至6中任一權利要求所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述盤刀切削單元至少有兩個，其中至少有一個盤刀(2)的偏移角與其它的盤刀(2)的偏移角不相等。
8.權利要求1至6中所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述盤刀切削單元至少有兩個，其中至少有一個盤刀(2)為正偏移，至少有一個盤刀(2)為負偏移。
9.權利要求1至6中任一權利要求所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:所述盤刀切削單元至少有兩個，其中至少有一個盤刀切削輪廓低於其他切削輪廓。
10.權利要求1至6中任一權利要求所述的刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，其特徵在於:至少有一個盤刀切削單元的盤刀(2)上布置有至少兩圈盤刀切削齒(21)。
全文摘要
本發明公開了一種刀翼上具有盤刀切削結構的複合鑽頭，屬於石油天然氣、礦山工程、建築基礎工程施工、地質、水文等鑽探設備技術領域，包括鑽頭體、固定刀翼、盤刀，所述鑽頭體上設置有固定刀翼，所述固定刀翼上布有固定切削齒，所述盤刀的偏移角α的範圍是20°≤|α|≤90°，所述鑽頭體上至少有一個由所述盤刀與其上的盤刀切削齒及盤刀軸所構成的盤刀切削單元，至少有一個所述盤刀切削單元設置在固定刀翼上，所述盤刀與所述固定刀翼形成轉動連接。本發明能充分利用刀翼式鑽頭的結構特點，節省鑽頭切削結構區域的幾何空間，提高鑽頭的綜合性能。
文檔編號E21B10/43GK103089156SQ20131004780
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月7日 優先權日2013年2月7日
發明者楊立源 申請人:楊立源