一種交替犁削與刮切方式聯合破巖的複合鑽頭的製作方法

2023-05-03 07:22:41

本發明屬於屬於石油天然氣鑽採領域，尤其涉及一種複合鑽頭。

背景技術：

在石油天然氣的鑽採歷史進程中，旋轉鑽探方式的發明毫無疑問具有裡程碑的意義。而旋轉鑽探開採的切削工具又以牙輪鑽頭和PDC鑽頭使用最為常見和廣泛。而且隨著金剛石等超硬材料的不斷發展，PDC鑽頭以其獨特的破巖方式和在軟到中硬地層的良好工作性能，使其成為了油氣鑽採中的主要切削工具。但是，由於PDC鑽頭以剪切方式破巖為主，在硬地層中適應性差，轉速低，壽命短，容易出現崩齒、碎齒、磨損嚴重等情況。目前，國內外在硬地層鑽進中主要使用牙輪鑽頭。牙輪鑽頭通過衝擊破碎、剪切等複合作用切削巖石，主要適用於中到硬地層鑽進，在軟地層中使用效果比較差，而且容易出現泥包等現象，在高轉速大鑽壓鑽井條件下，容易出現掉齒、磨損嚴重等情況，最終導致牙輪鑽頭的失效。為了克服牙輪鑽頭與PDC鑽頭各自的不足，根據牙輪鑽頭和PDC鑽頭破碎與切削巖石的特點，結合兩者的優點，人們提出了牙輪-PDC混合式鑽頭。

目前國內外現有的牙輪-PDC混合式鑽頭的結構主要是具有滾動牙輪和固定刀翼的混合式鑽頭。當鑽頭鑽進時，牙輪先以衝擊的方式破巖，而後固定刀翼上的PDC齒以刮削的方式破巖。由於牙輪的破巖方式與PDC存在本質的不同，牙輪主要依靠衝擊破巖，PDC為固定剪切，這使得牙輪在破巖時形成的衝擊會很大的幹擾PDC在固定切削時的工作穩定性。這種相異的工作模式組合使得PDC的PDC齒容易損壞，影響鑽頭整體的壽命。而且牙輪工作時產生的縱向震動使得PDC切削深度不穩定，降低了鑽頭整體的破巖效率。在實際使用中，以上牙輪滾壓衝擊與PDC刮削的組合破巖方式容易在井底形成重複破碎區域和井底墊層，特別是在深井鑽進時，井底圍壓較大，水利作用受限，極大影響鑽頭整體的破巖效率。

技術實現要素：

本發明的目的在於：提供一種交替犁削與刮切方式聯合破巖的複合鑽頭，其提出牙輪以犁削方式破巖，固定切削結構上PDC切削齒以齒剪切方式破巖。這種組合破巖方式使牙輪在工作時衝擊小，工作平穩，提高了PDC在固定切削時的工作穩定性和鑽頭的整體壽命與破巖效率。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種交替犁削與刮切方式聯合破巖的複合鑽頭，包括鑽頭體、帶有切削齒的固定切削結構和至少一個轉動牙輪，轉動牙輪上的切削齒為「犁削型」齒，轉動牙輪相對鑽頭體中心具有軸偏移；「犁削型」齒具有特徵型面A和特徵面B，特徵型面A為齒的中心對稱剖面，齒在該面的正交面方向的投影為特徵面B；

特徵型面A具有包括以下幾何特徵：

a.齒底往上至分型面為安裝固定部分，齒頂往下至分型面為犁削部分；

b.從分型面到齒頂方向，犁削部分的曲線呈楔形收斂；

c.犁削部分兩側曲線其駐點切線在收斂方向所成夾角在45°～80°；

d.犁削部分曲線其齒尖部分為圓弧，圓弧寬度不大於6mm，圓弧半徑範圍2mm～5mm；

特徵面B具有包括以下幾何特徵：

a.從分型面到齒頂方向，犁削部分的曲線呈錐形；

b.錐形的錐頂角範圍為45°～90°。

本發明的複合鑽頭是以轉動牙輪上設置的「犁削型」切削齒和固定切削結構上的(PDC)切削齒聯合切削破碎巖石，其中至少一個轉動牙輪與複合鑽頭轉動連接，轉動牙輪相對鑽頭體可以自轉。其特點是：由於轉動牙輪上的切削齒採用本專利的「犁削型」齒，因此轉動牙輪以一種區別於現有技術的新的「犁削」的方式破巖，轉動牙輪上的「犁削型」齒交替著以犁削的方式破巖，進一步與固定切削結構複合後，轉動牙輪上的「犁削型」齒交替以「犁削」的方式破巖，而固定切削結構上的(PDC)切削齒以剪切破碎的方式進行破巖。轉動牙輪上的「犁削型」齒交替犁削破巖，其切向破巖效果符合剪切破巖特點，其側向破巖為擠壓破巖，多個「犁削型」齒之間在破巖時會產生「相鄰」效果。參考圖3、4所示，圖3中a為斷裂體，b為碎裂體，c為密實核，d為徑向裂紋，圖4中X為破碎區域。這種破巖效果使牙輪在工作時衝擊小，工作平穩，而且切削巖石更容易且巖石破碎效率更高，因而提高了(PDC)切削齒在固定切削時的工作穩定性，同時提高了鑽頭的整體壽命和破巖效率。

本發明的複合鑽頭相比目前國內外現有的複合鑽頭，提出了一種不同的複合切削破巖方式，其中牙輪以交替「犁削」的破巖方式進行切削破巖，該破巖方式不同於以往的牙輪通過衝擊和剪切破巖，常規牙輪在工作時，牙輪滾動，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交錯進行的。單齒接觸井底時，牙輪中心處於最高位置；雙齒接觸井底時牙齒的中心位置下降。常規牙輪在滾動的過程中，牙輪中心位置不斷上下交換，使鑽頭沿軸向作上下往復運動，這就是鑽頭的縱向震動。鑽頭的縱向震動使牙齒產生衝擊力，以衝擊方式破碎巖石。

本專利所述牙輪是以一種微小衝擊吃入並擠壓破碎巖石，巖石破碎主要是拉應力失效。所以使牙輪在切削破巖時產生的衝擊力小，極大的減小了以往牙輪對PDC在固定切削時的工作穩定性的影響，從而提高了鑽頭的使用壽命和破巖效率。

而從具體結構上來說，本專利的「犁削型」齒相比現有技術的牙輪上的切削齒，其主要區別在於：

牙齒頂端型態：現有牙輪上的切削齒結構主要滿足牙齒對井底巖石的衝擊要求，要求牙齒耐衝擊。故而牙齒頂端結構型態上比較「鈍」。本專利的「犁削型」齒主要滿足牙齒對井底巖石的吃入要求，要求牙齒易於鑿痕。故而牙齒頂端結構型態上較「銳」。

牙齒結構劃分：本專利的「犁削型」齒將整顆牙齒分為兩部分，安裝固定部分與犁削部分。其中安裝部分其徑向截面形狀豐富，可為常規圓形，橢圓形等也可根據地層條件進行定製設計。

犁削部分：本專利的「犁削型」齒其犁削部分結構形態明確，如本文中對該齒的特徵型面A和特徵面B的描述。

作為選擇，帶有「犁削型」齒的轉動牙輪與帶有切削齒的固定切削結構交替設置在鑽頭上。本方案中，使牙輪與固定切削結構切削破巖交替進行切削井底巖石。

作為選擇，轉動牙輪上的齒圈與固定切削結構上的切削齒在鑽頭徑向上非同軌布置(即切削軌跡不同軌)，轉動牙輪上的「犁削型」齒與固定切削結構上的切削齒的切削軌跡交替交錯，形成交替式網狀切削區域。該方案中，這種交替犁削與刮切聯合的破巖方式不會在井底形成重複破碎區域，避免了形成井底墊層，其效果好於現有的牙輪-PDC複合鑽頭。

作為選擇，轉動牙輪各齒圈上的「犁削型」齒井底軌跡不淺於固定切削結構上與之相鄰切削軌跡的切削齒的切削軌跡。該方案中，當牙輪上的「犁削型」齒井底軌跡深於所述固定切削結構上與之相鄰切削軌跡的切削齒的切削軌跡時，「犁削型」齒先行吃入巖層，減少鑽頭的振動，增加鑽頭工作時的穩定性。

作為選擇，「犁削型」齒的錐頂角範圍為45°～80°。該方案中，當「犁削型」齒的錐頂角大於80°時，錐頂太鈍，切削破巖效果變差，而錐頂角小於45°時，「犁削型」齒的錐頂部分相對太薄而容易斷裂，影響鑽頭壽命。而「犁削型」齒的錐頂角範圍為45°到80°之間時，其工作時的抗衝擊性和耐磨性較好。

作為選擇，「犁削型」齒正切削角度為5°～65°。該方案中，「犁削型」齒在工作時沿運動方向的切向上，有兩處應力最大區，分別位於「犁削型」齒正前方偏兩側，其犁削作用明顯；而且「犁削型」齒在犁削過程中兩側對巖石也會產生擠壓作用，多個「犁削型」齒同時破巖過程中還會產生「相鄰」效應,這種「相鄰」效應使得巖脊再次被固定切削結構上的切削齒切削時變得更容易破碎。

作為選擇，所述「犁削型」齒為錐形齒，即切削齒出露牙輪的部分為錐尖圓弧過渡的圓錐面的切削齒。犁削方式破巖時要求所用切削齒既不能太尖銳也不能太鈍，太尖銳時切削齒容易磨損，太鈍時切削齒的破巖方式會發生改變並且磨損也會加劇。錐形齒以犁削方式破巖時，巖石表面破碎形狀為倒「Λ」形，能很好的控制切削齒的磨損與破巖方式，很好的滿足了犁削破巖的要求。

作為選擇，轉動牙輪軸線與鑽頭軸線之間的距離與鑽頭直徑的比值範圍在0.05-0.25之間。該方案中，所述轉動牙輪軸線與鑽頭軸線之間的距離與鑽頭直徑的比值越大，轉動牙輪自轉速度越慢，則轉動牙輪自轉轉速與公轉轉速的相對比值越低。通過設置轉動牙輪在相對於鑽頭體不同的位置和角度以及轉動牙輪上牙齒的不同布置方式，可以方便的控制和改變轉動牙輪與鑽頭的輪頭速比。複合鑽頭工作時，不同的輪頭速比使轉動牙輪在鑽進過程中的切削巖石效果不同，本複合鑽頭轉動牙輪自轉的主要目的不是使切削齒產生衝擊力，而是使「犁削型」齒交替工作，均勻磨損。而小的輪頭速比使鑽頭軸嚮往復運動幅度較小，減小了鑽頭的軸向震動，在硬地層中鑽進時，牙輪軸承受到的周期性動載荷衝擊也相應減小，不容易出現疲勞失效。

作為選擇，轉動牙輪通過牙爪設置在鑽頭體上，轉動牙輪與牙爪轉動連接，牙爪與鑽頭體固定。該方案中，所述轉動牙輪通過牙爪直接固定安裝在鑽頭體上，其軸向載荷通過牙爪直接傳遞到鑽頭體上，該結構承載能力好，增加了鑽頭工作的可靠性。此安裝方式的技術成熟，可降低鑽頭的生產成本。

作為選擇，轉動牙輪轉動連接在固定切削結構上。該方案中，由於牙輪的結構與工作特點，它帶有一套潤滑系統，而潤滑系統的安裝會影響整個複合鑽頭的尺寸。而本結構中潤滑系統可植入固定切削結構，從而使複合鑽頭結構尺寸更加自由。另外，在小尺寸鑽頭中由於空間有限，轉動牙輪通過牙爪設置在固定切削結構上有利於牙輪的軸偏移設計和鑽頭的整體結構尺寸與水力結構，而且增大了排削槽體積，並且可以避免鑽頭工作時牙爪背的磨損。

作為選擇，固定切削結構為固定刀翼，其上切削齒為PDC齒。該方案中，採用最常見的固定切削結構：固定刀翼+PDC齒。

前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發明可採用並要求保護的方案；且本發明，(各非衝突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本發明方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

附圖說明

圖1為本發明的轉動牙輪設置在牙爪上的結構示意圖；

圖2為圖1複合鑽頭的俯視圖；

圖3為本發明鑽頭牙輪上「犁削型」齒「犁削」巖石時的示意圖(切向)；

圖4為本發明鑽頭牙輪上「犁削型」齒「犁削」巖石時的「相鄰效應」示意圖；

圖5為本發明鑽頭牙輪上「犁削型」齒與固定切削結構上的切削齒的徑向井底覆蓋示意圖；

圖6為本發明鑽頭牙輪上」犁削型」齒與固定切削結構上的切削齒的井底切削軌跡示意圖；

圖7為本發明鑽頭牙輪上「犁削型」齒「犁削」巖石時的正切削角α示意圖；

圖8為本發明的轉動牙輪設置在固定切削結構上結構示意圖；

圖9為本發明「犁削型」齒的結構示意圖；

圖10為本發明「犁削型」齒的特徵型面A的示意圖；

圖11為本發明「犁削型」齒的特徵面B的示意圖；

其中1為鑽頭體、2為固定切削結構、3為牙爪、4為轉動牙輪、9為井底切削麵、10為鑽頭、41為「犁削型」齒、21為固定切削結構的切削齒、22為分型面、23為安裝固定部分、24為犁削部分。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本發明。

如圖1至圖4所示，圖3中a為斷裂體，b為碎裂體，c為密實核，d為徑向裂紋，圖4中X為破碎區域。一種交替犁削與刮切方式聯合破巖的複合鑽頭10，主要包括：鑽頭體1、帶有切削齒21的固定切削結構2和至少一個與複合鑽頭10轉動連接的轉動牙輪4，如圖1、2所示，轉動牙輪4通過牙爪3設置在鑽頭體1上，轉動牙輪4與牙爪3轉動連接，牙爪3與鑽頭體1固定；或者如圖8所示，轉動牙輪4直接轉動連接在固定切削結構2(固定刀翼)上，代替將轉動牙輪4通過牙爪3設置在鑽頭體1上。轉動牙輪4上的切削齒為「犁削型」齒41，轉動牙輪4相對鑽頭體1可以自轉，轉動牙輪4相對鑽頭體1中心有一定的軸偏移，使得轉動牙輪4上的「犁削型」齒41交替著以犁削的方式破巖，「犁削型」齒41的犁削破巖方式與固定切削結構2上的切削齒21的剪切破巖方式相聯合進行破巖。

作為選擇，轉動牙輪4與帶有切削齒21的固定切削結構2交替設置在鑽頭10上，如圖1、2、8所示，兩個轉動牙輪4與兩個帶有切削齒21(PDC齒)的固定切削結構2(固定刀翼)交替設置。

作為選擇，轉動牙輪4軸線與鑽頭10軸線之間的距離與鑽頭10直徑的比值範圍在0.05-0.25之間。

作為選擇，轉動牙輪4上的齒圈與所述固定切削結構2上的切削齒21在鑽頭10徑向上非同軌布置，如圖5所示，以此兩者的切削軌跡不同軌。轉動牙輪4上的「犁削型」齒41與固定切削結構2上的切削齒21的切削軌跡交替交錯，形成交替式網狀切削區域。如圖6所示。

作為選擇，轉動牙輪4各齒圈上的「犁削型」齒41井底軌跡不淺於所述固定切削結構2上與之相鄰切削軌跡的切削齒21的切削軌跡。

「犁削型」齒具有特徵型面A和特徵面B，特徵型面A為齒的中心對稱剖面(即過齒頂最高點的某一縱斷面，該縱斷面將犁削部分剖分成左右對稱的兩部分)，齒在該面的正交面方向的投影為特徵面B(即與特徵型面A垂直的另一縱斷面)，參見圖9、10、11。

特徵型面A具有包括以下幾何特徵：

a.齒底往上至分型面22為安裝固定部分23(即安裝固定於牙輪內的不出露部分)，齒頂往下至分型面22為犁削部分24(即出露於牙輪外的出露部分)；

b.從分型面22到齒頂方向，犁削部分24的曲線呈楔形收斂；

c.犁削部分24兩側曲線其駐點切線在收斂方向所成夾角ɑ在45°～80°；

d.犁削部分24曲線其齒尖部分為圓弧，圓弧寬度D不大於6mm，圓弧半徑R範圍2mm～5mm；

特徵面B具有包括以下幾何特徵：

a.從分型面22到齒頂方向，犁削部分24的曲線呈錐形；

b.錐形的錐頂角β範圍為45°～90°，更進一步優選45°到80°之間。

作為優選，如圖1-8所示，「犁削型」齒41為錐形齒，即切削齒出露牙輪的部分為錐尖圓弧過渡的圓錐面的切削齒。圖9-11中展示了一種優選的「犁削型」齒，該齒具有相對規則的圓錐形的犁削部分24，具有一犁削部分24曲線為非對稱圖形的特徵型面A，如圖10所示，特徵型面A朝右側彎曲。

「犁削型」在布置時，優選「犁削型」齒41正切削角度α(即布齒時使犁削部分朝向井底切削麵9並沿切削方向向前傾斜，使得齒頂方向與垂直井底切削麵的方向形成一夾角α，該夾角α即為本專利的正切削角度α。對於錐形齒而言，即齒的軸線x與井底切削麵9的垂線y之間的夾角α)為5°到65°之間。如圖7所示。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。