[发明专利]一种三级切削镶齿牙轮混合钻头

说明书

本发明涉及一种三级切削镶齿牙轮混合钻头，包括有钻头体，刀翼和牙轮，其特征在于所述刀翼上内锥、鼻部和肩部的所有固定切削齿分别组成两组对应的固定切削齿，并形成两条至少在鼻部和肩部相间隔的固定切削齿切削轮廓包络线，两条固定切削齿切削轮廓包络线在鼻部和肩部高低间隔，构成固定切削齿的两级切削；所述牙轮的切削齿切削位主要对应于刀翼的鼻部和肩部，牙轮切削齿的全部或部分所形成的牙轮切削齿最外切削轮廓包络线高于最外固定切削齿切削轮廓包络线，构成第三级切削。本发明能有效提高在硬塑性地层的机械钻速，并保持和延长混合钻头的使用寿命，进一步扩大了混合钻头的地层适应性。

技术领域

本发明涉及到一种用于石油、天然气和地质钻井用的三级切削镶齿牙轮混合钻头，该钻头适用于在夹层、硬地层、硬塑性地层的钻进。

背景技术

在现有技术中，当钻井遇到硬地层时，常用的PDC金刚石钻头主要是通过刮削运动方式来实现井下钻进，金刚石钻头的鼻部和肩部上主要的切削元件很难有效吃入井底岩石，金刚石钻头的机械钻速将变得非常缓慢；而牙轮钻头以冲击压碎方式破碎岩石，容易使岩石产生较深的破碎齿坑，但由于地层硬，不能使岩石产生体积破碎，牙轮钻头的机械钻速也很慢。另一方面，当钻头遇到一些软硬夹层较多的地层时，PDC金刚石钻头的切削元件极易受到冲击破损，为了应对这种情况，提出了一种牙轮钻头和PDC金刚石钻头组合而成的混合钻头，该混合钻头有较强的综合性能，通过牙轮对地层先进行预破碎，释放地层应力，然后在让固定翼切削齿对地层进行刮削，有效的提高了钻头机械钻速，同时固定翼切削齿也得到了有效的保护，延长了钻头使用寿命。这种类型的钻头虽然能有效的提高钻头在夹层、硬地层的机械钻速和使用寿命，但在钻遇硬塑性地层时，由于牙轮部分的合金齿及刀翼上的固定切削齿均难以有效的吃入地层而导致钻头机械钻速偏低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种三级切削镶齿牙轮混合钻头，该钻头能有效提高在硬塑性地层的机械钻速，并保持和延长混合钻头的使用寿命。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼从内至外划分为内锥、鼻部、肩部和保径段，刀翼上沿内锥、鼻部、肩部和保径段安设固定切削齿，在至少两对相邻的刀翼间安设有牙掌，牙掌上端与钻头体相联成一体，牙掌的下端安设有牙轮，其特征在于所述刀翼上内锥、鼻部和肩部的固定切削齿由内到外排列布设，覆盖整个井底，形成固定切削齿的切削轮廓包络线，所述刀翼上内锥、鼻部和肩部的所有固定切削齿分别组成两组对应的固定切削齿，并形成两条至少在鼻部和肩部相间隔的固定切削齿切削轮廓包络线，两条固定切削齿切削轮廓包络线在鼻部和肩部高低间隔，构成固定切削齿的两级切削；所述牙轮为镶齿牙轮，所述牙轮的切削齿切削位主要对应于刀翼的鼻部和肩部，所述牙轮切削齿的全部或部分所形成的牙轮切削齿最外切削轮廓包络线高于最外固定切削齿切削轮廓包络线，构成第三级切削。

按上述方案，所述的牙轮切削齿最外切削轮廓包罗线高于最外固定切削齿切削轮廓包络线的间距为0.5~2mm。

按上述方案，所述的牙轮切削齿的最外切削轮廓包罗线与最外固定切削齿的切削轮廓包罗线平行间隔。

按上述方案，所有牙轮切削齿分别组成两组对应的牙轮切削齿，并形成两条相间隔的牙轮切削齿切削轮廓包络线，其中一部分牙轮切削齿形成牙轮切削齿最外切削轮廓包络线，另一部分牙轮切削齿形成牙轮切削齿次级切削轮廓包络线，最外切削轮廓包络线高于次级切削轮廓包络线，间距为0.5~2mm。

按上述方案，所述的两条固定切削齿切削轮廓包络线在内锥部位高低间隔。

按上述方案，所述的两条相间隔的固定切削齿切削轮廓包络线相差间距为0.2~2mm。

按上述方案，各个刀翼上的所有固定切削齿回转半径各不相同，即每个刀翼的布齿结构各不相同，每颗切削齿在井底的切削轨迹各不相同。

按上述方案，所述牙轮的切削齿在切削轨迹的最低点时齿中心线与刀翼上对应各固定切削齿的齿中心线重合或相近。