[实用新型]一种宽齿牙轮复合钻头

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三牙轮钻头包括钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）。钢齿钻头是在牙轮坯体上直接铣出切削齿，齿的强度较低、耐磨性较差，一般用于软地层；镶齿钻头在牙轮体预留的齿孔内镶固硬质合金牙齿（以下简称硬质合金齿或牙齿），硬质合金齿的硬度和耐磨性明显优于钢齿，一般用于较硬地层。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。在结构形式上，为了满足镶齿牙轮钻头冲压破碎破岩工作方式的需要，现有钻头采用了以下三个技术手段：其一，现有镶齿牙轮钻头上的切削齿（牙齿）的下部镶固部分均为圆柱型，上部出露部分由下部圆柱向牙齿轴线逐渐收缩过渡，多为楔形或锥形，牙齿的齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，以形成较尖锐的冲击头部。由于牙齿受的动载大，且牙齿尺寸相对较小，所以容易发生牙齿的整体或局部断裂。其二，现有大多数镶齿三牙轮钻头牙轮上牙齿的齿顶无偏转（即齿顶偏转角为0°），也有少量钻头的部分齿圈的牙齿（切削齿）齿顶有偏转，偏转角一般在50°以内。牙齿的偏转是为了迎合牙齿冲击压入岩石后的滑移刮切方向，以增加牙齿对岩石的滑移刮切效果（量）。其三，多数三牙轮钻头的牙轮存在偏移，其目的在于，偏移使牙轮在井底岩石上滚动破岩时无法发生纯滚动，使牙轮上的牙齿破岩时滑移增大，偏移值越大牙轮上的牙齿滑移刮切越明显，但同时也因滑移产生的磨损也越大。

PDC钻头以刮切形式破碎岩石，PDC钻头能够有效破岩钻进形成进尺的前提是PDC齿能有效地吃入地层岩石。PDC齿吃入岩石后在钻头体的旋转带动下，对岩石形成切削作用使岩石破碎。当岩石很硬PDC难以吃入岩石，或PDC齿有磨损后难以吃入岩石时，PDC钻头破岩效率将明显降低。

美国贝克休斯公司提出一种牙轮-PDC混合式钻头（在美国及其他国家均提出了专利申请，如PTC WO2010/132232等），该钻头在传统的PDC切削结构基础上增加了牙轮切削结构，由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成。其中，牙轮-PDC混合式钻头的固定切削结构是由若干PDC固定刀翼组成，固定刀翼上布置有固定切削齿（即PDC齿），当钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩；牙轮-PDC混合式钻头的牙轮切削结构与牙轮钻头类似，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩。由于牙轮以冲击压碎的方式破岩，牙轮工作过程中产生的上下振动会直接影响PDC固定切削结构的工作稳定性，从而导致下述不良后果：首先，纵向振动带来的冲击载荷容易引起PDC齿的损坏，减短钻头的使用寿命；其次，纵向振动会使固定切削结构中的PDC齿的吃入深度发生频繁变化，严重时甚至可能造成PDC齿频繁脱离井底，从而在一定程度上降低钻头的破岩效率。此外，该复合钻头上的牙轮仍以冲击压碎的方式破岩，牙轮轴承的工况与三牙轮钻头的相似，导致轴承工作寿命短，而轴承的工作寿命对钻头的整体寿命形成了明显的制约。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种宽齿牙轮复合钻头，其提出一种新的牙轮结构形式，该复合钻头，牙轮工作平稳，钻头工作稳定性好，相对现有复合钻头具有更高破岩效率的同时，还具有更长的钻头牙齿和轴承的寿命，从而具有更长的钻头使用寿命。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：

一种宽齿牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，所述牙轮和所述固定切削结构布置在所述钻头体上，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述牙轮通过轴承结构与所述钻头体形成转动连接，其特征在于：所述牙轮上镶固有横镶牙齿，且横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°，横镶牙齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形。