[发明专利]一种复合式偏心单牙轮钻头

说明书

 

技术领域

本发明属于石油天然气、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式偏心单牙轮钻头。

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。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和PDC（聚晶金刚石复合片）钻头。

牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削齿钻头。

单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压刮切作用破岩，牙轮上的牙齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头的牙轮与井底的接触为满眼接触，单牙轮钻头为满眼钻头。单牙轮钻头牙轮上的牙齿一部分（牙轮前端）始终与井底接触破岩，一部分牙齿轮换与井底接触破岩,这就把单牙轮钻头的牙轮分成了恒接触区（牙轮前端，如图7、图8的21）和交替接触区（如图7、图8的22）。

对于恒接触区（牙轮前端）21的切削齿来讲，其寿命往往低于交替接触区22，因为恒接触区21的切削齿始终处于工作状态（如图7、图8），牙轮前端的转动不能给其上的切削齿带来轮换的效果。钻头钻进过程中牙轮绕钻头轴线旋转的同时还绕自身的轴线自转，牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断的变化：牙轮恒接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～360°之间不断变化；牙轮交替接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～180°之间变化。这使单牙轮钻头上无法应用极适合于以刮切形式破岩的聚晶金刚石复合片（PDC齿）等耐磨性极强的金刚石类切削齿。原因在于聚晶金刚石复合片（PDC齿）是由基体和聚晶金刚石层两部分组成，对岩石起主要刮削效果的是聚晶金刚石层，PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前基体在后。如果PDC齿在工作过程中受力方向变化幅度过大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。

因此，现有单牙轮钻头上的切削齿一般为硬质合金齿，硬质合金齿的耐磨性远不及PDC齿等金刚石类切削齿。切削齿的耐磨性不足是单牙轮钻头的致命弱点，切削齿易磨损严重影响了单牙轮钻头的使用寿命。单牙轮钻头在井底工作时，牙轮上的牙齿磨损不均匀，其恒接触区（牙轮前端）的切削齿磨损较快、最严重，这使钻头机械钻速下降，加快钻头的失效，致使钻头寿命降低。

另外，单牙轮钻头的水眼喷口一般较高，在牙轮上部的钻头体上，或在牙轮尖部上增设水眼孔，由于牙轮下半部分与井底完全贴合（为满眼钻头），钻头水眼喷射出的水力流难以清洗低于水眼以下的牙轮下部部分及井底。单牙轮钻头工作时，牙轮下半部分与井底之间的水力不足，不能及时带走切削齿破碎岩石产生的岩屑，不利切削齿及井底的清洗，切削齿也不能充分冷却。牙轮与井底之间滞留的岩屑影响了钻头的钻进速度，也影响了切削齿的冷却，加剧了切削齿温度的升高和磨损。单牙轮钻头井底水力的缺陷一直是钻头研究者们关注，但仍未较好解决的主要问题之一。

另外，由于现有单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压刮切作用破岩，主要适用于软或中硬地层，现有技术中存在一些利用偏心的方式提高钻头在硬地层中的适应能力的方案。

偏心的方式主要为两种，一种是将普通单牙轮钻头的牙轮的轴承孔的旋转中心与牙轮外表面切削轮廓的旋转中心设置偏心，使牙轮自转时存在偏转（即为一凸轮机构），这样，牙轮在与井底岩石互作用时由于牙轮旋转中心的偏置，钻头会在井底沿钻头轴线形成上下起伏的工作状态，其会增加钻头牙齿对岩石的冲击压入效应。

另一种就是牙轮轴承的轴颈轴线与钻头轴线偏移的单牙轮钻头，该方案的目的是增加钻头牙轮上牙齿对岩石的冲击破碎作用。由于单牙轮钻头的切削结构为牙轮，单牙轮钻头在井底工作时，只有牙轮上的切削齿（牙齿）与井底岩石作用形成进尺，钻压全部都由牙轮来承担，牙轮在将钻压传递分配给其上的切削齿，切削齿再作用在井底岩石上。牙轮在钻压的作用下（钻压沿钻头轴线方向施加），牙轮上的切削齿必须贴紧井底工作，牙轮下部的切削齿必须与井底作用以平衡钻压，由于牙轮内的轴颈有偏心，钻头上的切削齿受的钻压的载荷分配（沿钻头轴线方向）将不对称，钻头工作时振动较大，牙轮上的部分切削齿将会对岩石形成冲压效应。