[发明专利]一种新型复合式钻头

说明书

本发明属于一种石油、地质用的钻头，特别是一种回转钻进复合式钻头。它包括钻头本体，钻头本体包括刀翼和规径，刀翼上钎焊PDC齿，在钻头本体上还安装牙轮。其关键技术在于牙轮是在牙轮本体上安装可旋转的单片牙轮，单片牙轮的轮尖向外安装，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角。本发明具有的有益效果是：牙轮轮尖向外，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角，牙轮轮廓线在外锥部处用大圆弧过渡，与之匹配的PDC钻头的轮廓线在外锥部处也是大圆弧过渡，牙轮的外锥部圆半径很大(相对于PDC钻头的外锥部)，钻头线速度最高的地方恰好是外锥部，所以这种轮廓线提高了牙轮的外锥部处PDC齿的抗冲击性，从而提高复合钻头的使用寿命。

技术领域

本发明属于一种石油、地质用的钻头，特别是一种回转钻进复合式钻头。

背景技术

目前，在石油、地质等领域使用PDC齿作为切削齿的回转钻进钻头(简称PDC钻头)很广泛。PDC钻头具有机械钻速高，钻头寿命长等优点，也具有以下缺点：1、PDC齿是硬脆性材料，PDC钻头在钻进过程中遇到砾石或卵石夹层的时候，PDC齿受到砾石或者卵石的冲击很容崩损，影响钻头使用寿命，严重的时候可以造成钻头报废；2、在定向井段，由于PDC钻头的切削原理是断屑切削，扭矩波动大，在定向过程中工具面不稳定，严重影响钻井效率。目前各钻井公司普遍采取用牙轮钻头打定向段，牙轮钻头打定向段工具面稳定，但是存在机械钻速低，寿命短的缺点，大大浪费了时间，增加了钻井成本。

为了解决这些难题，各钻头公司和钻井公司尝试了很多方法。在含砾石和卵石夹层的地层钻进中，采取改变钻具结构，甩掉螺杆的方式、选用超级抗冲复合片和抗冲击钻头的方式、使用扭力冲击器+PDC钻头方式等，通过多年的尝试基本都以失败告终，目前把该类型的地层定义为常规PDC钻头不能打的地层，一直是没有解决的难点；在定向井段钻进时，使用扭力冲击器+PDC钻头，采用旋转导向工具等方式，虽然效果还不错，但是由于其高昂的成本，一直得不到推广。

近几年出现了一种PDC+牙轮的复合钻头,如图1、图2所示，包括钻头本体，钻头本体包括刀翼3和规径2，刀翼3上钎焊PDC齿4，在钻头本体上还焊接牙轮。这种钻头虽然解决了以上部分问题，但是又出现了新的问题：

1、该复合钻头牙轮部分是焊接到PDC钻头上面的，牙轮装配位置为牙轮轮尖5.2向里朝向钻头中心线7(如图3所示)，牙轮轮尖向里，牙轮的外锥5.1存在突变(尖点)，想要在一个钻头上同时发挥出PDC钻头部分和牙轮钻头部分的功效，就要求PDC钻头轮廓线和牙轮轮廓线5.3相匹配，也就是在外锥部分要求两者轮廓线一致,所以与之匹配的PDC钻头的外锥3.1也存在突变(尖点)(如图4所示)。但存在尖点的外锥部圆半径很小，而外锥部恰好是钻头线速度最高，受力最大的地方，所以容易造成外锥部处PDC齿崩损，缩短PDC钻头寿命，从而影响复合钻头的使用寿命。

2、该复合钻头在钻进过程中，如图5所示，牙轮受轴向力(钻压)51的作用，沿牙轮中心分解成力52和力53，力52分解成平行于牙轮轴线5.4的力55和向外的径向力54，向外径向力54容易造成牙轮脱落。

3、牙轮轮尖向里，牙轮部分的保径2.1处没有齿参与切削，规径处没有与井壁8接触(见图6)，完全没有参与工作，造成井身质量不好。

发明内容

本发明要解决的问题就是针对以上不足而提供一种钻头受力更加合理，工作更加平稳的复合式钻头结构。其技术方案如下：

它包括钻头本体，钻头本体包括刀翼和规径，刀翼上钎焊PDC齿，在钻头本体上还安装牙轮，牙轮具有轴线、轮尖和外锥部。其关键技术在于牙轮是在牙轮本体上安装可旋转的单片牙轮，单片牙轮的轮尖向外安装，单片牙轮的轴线与地面成40～50度角。

所述外锥部的形状为圆弧状。

所述单片牙轮在每个钻头上的数量为2～4片。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：