專利名稱：Pdc鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山開采、地質(zhì)鉆探、建筑工程、隧道工程、盾構(gòu)及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，涉及由PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭。
背景技術(shù)：
鉆頭是鉆井過程中，直接與巖石接觸，通過切削、沖壓等作用破碎巖石的工具。 現(xiàn)代鉆井工程中廣泛使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭、PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)。當(dāng)今，牙輪鉆頭和PDC鉆頭都已發(fā)展到相當(dāng)高的水平，但仍存在一些不可克服的問題。一是怕劃眼和擴眼，使密封軸承的牙輪鉆頭，特別是PDC 鉆頭先期損壞；二是對井底中心巖石的運動小，功能不足，中心巖石不易破碎，影響鉆頭的機械鉆速，牙輪鉆頭和PDC鉆頭中心布齒少、易磨損，也是鉆頭失效的主要原因。以下分別對本發(fā)明的背景相關(guān)的三牙輪鉆頭、單牙輪鉆頭、PDC鉆頭、復(fù)合鉆頭特點進行分析。三牙輪鉆頭三牙輪鉆頭鉆進時破巖形式為沖擊壓碎破巖，通過牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用破碎巖石，形成井徑(見圖8 )。由于巖石的抗壓強度遠大于抗剪和抗拉強度，而三牙輪鉆頭利用牙齒對巖石的沖擊作用來破巖，能量利用率不高。特別是在深井鉆井等高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應(yīng)明顯，鉆頭牙齒難以沖擊破碎巖石，故破巖效率相對較低。三牙輪鉆頭軸承壽命是制約鉆頭使用壽命的主要因素之一，軸承承受鉆壓引起的載荷，加上三牙輪鉆頭以沖擊形式破巖，軸承受到的沖擊載荷大，載荷幅值高，加之三牙輪鉆頭的增速效應(yīng)三牙輪鉆頭輪體速比(鉆井時牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)大于1，即鉆頭鉆進時牙輪轉(zhuǎn)速大于鉆頭鉆速，所以軸承轉(zhuǎn)速相對較快，導(dǎo)致三牙輪鉆頭的軸承壽命較短。從三牙輪鉆頭破巖過程和運動軌跡分析，牙輪上的牙齒與井底井壁巖石接觸時間較少，牙齒在井底滑移的距離也較小，影響了鉆進效率。單牙輪鉆頭單牙輪鉆頭則是依靠牙齒對地層的沖擊、滾壓和刮切三種方式破碎巖石，尤其是刮切運動的方向在牙輪表面的各個部位都不同，即不同排數(shù)的牙齒在井底沿不同方向的軌跡，作較長距離的滑移來切削地層，并形成網(wǎng)狀的井底軌跡(見圖9)。單牙輪鉆頭的特點是牙輪轉(zhuǎn)速低，軸承尺寸較大，使用壽命優(yōu)于三牙輪鉆頭，但是單牙輪鉆頭有無法回避的缺點單牙輪鉆頭的滿眼結(jié)構(gòu)決定其破巖過程中容易發(fā)生重復(fù)破碎，排屑困難。牙齒耐磨性嚴(yán)重不足，一旦發(fā)生牙齒磨鈍或斷齒，機械鉆速急劇下降。PDC鉆頭PDC鉆頭破巖形式為刮削巖石，在鉆井、地質(zhì)乃至建筑工程中運用越來越廣泛，在鉆井工程中使用的比例越來越大。在鉆頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鉆頭鉆進時各切削齒的運動軌跡為相對固定的同心圓環(huán)帶(見
圖10)。由于其破巖機理和結(jié)構(gòu)差異，PDC鉆頭適用于較高鉆速和軟至中硬地層。其不足主要有以下方面
(1)井底條件要求高如果井底有異物，會導(dǎo)致PDC鉆頭產(chǎn)生崩齒或熱摩擦現(xiàn)象，溫度升高燒黑胎體，甚至熔化釬焊層，產(chǎn)生掉齒現(xiàn)象，影響機械鉆速，加速鉆頭失效。(2) PDC齒失效的嚴(yán)重后果與牙輪鉆頭相比較，PDC鉆頭個別齒的失效(掉齒、崩齒等)會嚴(yán)重增加附近PDC齒的載荷，加快其磨損速度，加劇鉆頭失效。(3)心部破巖效率不高PDC鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯， 外肩部切削巖石比例大，磨損速度快。心部PDC齒接觸破巖效率低，磨損則較慢。牙輪鉆頭+牙輪鉆頭的復(fù)合鉆頭此類型復(fù)合鉆頭將牙輪鉆頭與牙輪鉆頭復(fù)合， 井眼中心和井眼外圍均由牙輪鉆頭牙齒完成。有多種復(fù)合形式，應(yīng)用場合包括擴孔、非開挖中，其不足主要有
(1)中心破巖效率不高由于復(fù)合鉆頭由牙輪鉆頭組成，其破巖形式仍為沖擊破碎，能量利用率不高。同牙輪鉆頭一樣，在高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應(yīng)明顯，鉆頭牙齒難以沖擊破碎巖石，破巖效率相對較低，尤其是井眼中心部位， 情況更為嚴(yán)重。(2)井眼外圍鉆頭磨損嚴(yán)重此類型復(fù)合鉆頭井眼外圍附近，牙輪鉆頭牙輪尺寸相對較小，但鉆進過程轉(zhuǎn)速高，會加速鉆頭的磨損和失效，同時導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)磨牙背現(xiàn)象。(3)中心和外圍牙輪壽命不等、復(fù)合鉆頭壽命不高基于此類型復(fù)合鉆頭的破巖機理和結(jié)構(gòu)組成，中心破巖效率不高，而井眼外圍的牙輪結(jié)構(gòu)尺寸小、轉(zhuǎn)速高、磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致井眼中心和井眼外圍的牙輪鉆頭壽命差異，難以實現(xiàn)復(fù)合鉆頭整體優(yōu)化和壽命提高。刮刀鉆頭+牙輪鉆頭的復(fù)合鉆頭考慮牙輪鉆頭鉆進頁巖和其他塑性巖層時，壓持作用易造成井底泥包，隨著鉆深和井底壓力以及泥漿比重的增加，泥包現(xiàn)象會更加嚴(yán)重。 而刮刀鉆頭或固定切削齒鉆頭受此影響較小，初期復(fù)合中將此兩種鉆頭結(jié)合，簡單地將刮刀鉆頭和牙輪鉆頭結(jié)合在一起，由于鉆頭刀翼部分會過早出現(xiàn)磨損導(dǎo)致機械鉆速甚至低于牙輪鉆頭，此結(jié)構(gòu)最終沒有實現(xiàn)商業(yè)化。動態(tài)穩(wěn)定復(fù)合鉆頭將牙輪和PDC鉆頭結(jié)合，其設(shè)計基于四刀翼和六刀翼PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，副刀翼位置被短尺寸的牙輪替代。井眼中心位置的鉆進由位于主刀翼上的PDC切削齒完成破巖的，井眼外圍部分的鉆進由牙輪和PDC切削齒共同完成。此結(jié)構(gòu)進行鉆速有一定提高(在頁巖或其他塑性地層中鉆進，鉆速比牙輪鉆頭提高2、倍。在硬質(zhì)研磨性地層中的機械鉆速約是牙輪的2倍，PDC的1.5倍)。此復(fù)合鉆頭中心破巖由刀翼完成，仍然不能改變PDC鉆頭中心破巖效率低的現(xiàn)象。同時復(fù)合鉆頭中的牙輪鉆仍然是大圈切削井眼外圍，小齒圈切削井眼中心部位，不能有效改善軸承尺寸，提高鉆頭壽命。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計一種由PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，復(fù)合鉆頭切削單元包括旋切鉆頭和PDC鉆頭切削單元。鉆進過程井眼中心部分鉆進由PDC鉆頭完成。鉆進過程井眼外圍線速度高，由旋切鉆頭和PDC鉆頭切削單元完成。復(fù)合鉆頭中的旋切鉆頭切削齒以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，實現(xiàn)破巖，中心破巖效率高，機械鉆速高，具有更好的動力學(xué)性能，磨損均勻，同時改進鉆頭軸承結(jié)構(gòu)，確保提高破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命， 提高復(fù)合鉆頭切削能力，保徑效果好。為實現(xiàn)本發(fā)明目，采用如下技術(shù)方案
PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，包括鉆頭主體，其特征在于由旋切鉆頭與PDC 鉆頭復(fù)合；復(fù)合鉆頭基于PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，旋切鉆頭的旋切牙輪(2)的安裝面與鉆頭主體(1) 上的牙輪軸頸連接，旋切牙輪的工作面朝向井壁與井底；牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角即輪體夾角於的范圍為0°<於< °,軸頸偏移量i的范圍為-，其中
Omg^為旋切鉆頭直徑；PDC鉆頭主刀翼覆蓋復(fù)合鉆頭中心和井眼外圍，旋切鉆頭布置于
井眼外圍，代替PDC鉆頭副刀翼；井眼中心位置的鉆進由位于PDC鉆頭主刀翼上的切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由旋切鉆頭和PDC鉆頭主刀翼上的切削齒共同完成。本發(fā)明的復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)特點包括
(1)復(fù)合鉆頭由旋切鉆頭和PDC鉆頭形成井眼中心部分的鉆進由PDC鉆頭切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由旋切鉆頭和PDC鉆頭切削齒共同完成。(2)復(fù)合鉆頭中的旋切鉆頭旋切鉆頭包括主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)。所述的旋切鉆頭至少包含一個由旋切鉆頭牙輪(2)與主體(1)上牙輪軸頸所構(gòu)成的連接，其輪體夾角於的范圍為包含爲(wèi)=爲(wèi)·《及爲(wèi)*Α·)，軸頸偏移量4
的范圍為(包含^!.= 及其中，旋切鉆頭牙紜對應(yīng)的輪 22ι
體夾角為Λ,輪 對應(yīng)的軸頸偏移量為為旋切鉆頭直徑。(3)旋切鉆頭牙輪旋切鉆頭牙輪(2)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的旋切鉆頭牙輪(2)結(jié)構(gòu)有銑齒牙輪、鑲齒牙輪、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)牙輪；所述的旋切鉆頭牙輪(2)數(shù)目> 1。(4)旋切鉆頭切削齒旋切鉆頭切削齒(3)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒、棱錐齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)齒圈數(shù)目> 1。(5)PDC刀翼PDC刀翼(4)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的PDC刀翼(4) 數(shù)目彡1。(6)PDC切削齒PDC切削齒(5)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、 圓柱截頭齒、棱錐齒；所述的PDC切削齒(5)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的PDC切削齒(5)數(shù)目> 1。(7)鉆頭主體鉆頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述鉆頭主體(1)上有扶正塊，扶正塊表面敷焊有耐磨合金或鑲嵌有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料。(8)復(fù)合方式復(fù)合鉆頭的復(fù)合方式包括整體加工、組焊、絲扣連接等。本發(fā)明復(fù)合鉆頭中的旋切鉆頭將牙輪朝向井壁或井底，破巖過程中，牙輪內(nèi)排齒 (即大圈齒)可切削井底中心，提高中心破巖效率；牙輪上的每圈齒都能以旋切方式?jīng)_擊壓碎切削井底和井壁巖石。根據(jù)上述發(fā)明，已于2010年9月試制出了旋切模擬鉆頭，并在臺架上進行了試驗。 旋切鉆頭鉆出的井底輪廓(見圖7)與三牙輪鉆頭和PDC鉆頭鉆出的井底輪廓完全不同。三牙輪鉆頭和PDC鉆頭的破碎帶都是同心圓(見圖8和圖10)，而本發(fā)明復(fù)合鉆頭中的的旋切鉆頭的破碎帶是成菊狀的螺旋線。螺旋線在井壁處密集并消失，充分證明了牙輪上各排齒都能切削井底和井壁，形成井徑。內(nèi)排齒破碎帶螺旋線長，外排齒破碎帶螺旋線短，可使內(nèi)外排齒的工作負(fù)載比較均勻。螺旋線的破碎帶，說明旋切鉆頭破巖機理，每排齒既有沖擊壓碎作用，又能切削巖石。同時提高中心破巖效率，從而提高鉆頭機械鉆速。由于旋切鉆頭破巖方式特點，所以能適應(yīng)各種鉆井需要，在側(cè)鉆和水平井鉆井中比現(xiàn)有牙輪鉆頭和金剛石鉆頭更為優(yōu)越。根據(jù)以上分析，軸頸偏移值 增大，會增大切削齒在井底的徑向滑移和周向滑移， 即增大切削齒在井底的總的滑移量。輪體夾角於取值范圍為=MtjS^itStl，軸頸偏移值4
取值范圍為
權(quán)利要求
1.PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，包括鉆頭主體，其特征在于由旋切鉆頭與 PDC鉆頭復(fù)合；復(fù)合鉆頭基于PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，旋切鉆頭的旋切牙輪(2)的安裝面與鉆頭主體 (1)上的牙輪軸頸連接，旋切牙輪的工作面朝向井壁與井底；牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角即輪體夾角於的范圍為0°<於<90°，軸頸偏移量^的范圍為，其中力_ 為旋切鉆頭直徑；PDC鉆頭主刀翼覆蓋復(fù)合鉆頭中心和井眼外圍，旋切鉆頭布置于井眼外圍，代替PDC鉆頭副刀翼；井眼中心位置的鉆進由位于PDC鉆頭主刀翼上的切削齒完成，井眼外圍部分的鉆進由旋切鉆頭和PDC鉆頭主刀翼上的切削齒共同完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述的旋切鉆頭由三個旋切牙輪構(gòu)成，PDC鉆頭由三個PDC鉆頭主刀翼構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述的旋切鉆頭牙輪(2)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的旋切鉆頭牙輪(2)結(jié)構(gòu)有銑齒牙輪、鑲齒牙輪、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)牙輪；所述的旋切鉆頭牙輪(2)數(shù)目> 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述的旋切鉆頭的切削齒(3)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒或棱錐齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的旋切鉆頭切削齒(3)齒圈數(shù)目> 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述的 PDC鉆頭副刀翼(4)為鋼件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述的PDC刀翼(4)數(shù)目> 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述PDC鉆頭副刀翼的切削齒(5)形狀包括勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒、棱錐齒；PDC鉆頭副刀翼的切削齒(5)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷，以及包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒；所述的PDC切削齒(5)數(shù)目> 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述鉆頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件、鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；所述鉆頭主體(1)上有扶正塊， 扶正塊表面敷焊有耐磨合金或鑲嵌有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，其特征在于所述的復(fù)合鉆頭的復(fù)合方式包括整體加工、組焊、絲扣連接等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由PDC鉆頭與旋切鉆頭形成的復(fù)合鉆頭，包括主體(1)、旋切鉆頭牙輪(2)、旋切鉆頭切削齒(3)、PDC刀翼(4)、PDC切削齒(5)、儲油囊(6)、噴嘴(7)。鉆頭主體(1)包括牙輪軸頸、扶正快、高壓泥漿通道和連接絲扣。本發(fā)明的特點復(fù)合鉆頭切削單元包括旋切鉆頭和PDC鉆頭切削單元。鉆進過程井眼中心部分鉆進由PDC鉆頭完成。鉆進過程井眼外圍線速度高，由旋切鉆頭和PDC鉆頭切削單元完成，復(fù)合鉆頭中的旋切鉆頭以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，中心破巖效率高，機械鉆速高，具有更好的動力學(xué)性能，磨損均勻，同時改進鉆頭軸承結(jié)構(gòu)，確保提高破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命，提高復(fù)合鉆頭切削能力，保徑效果好。
文檔編號E21B10/55GK102392605SQ20111038987
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者曾德發(fā), 李舒, 楊琳, 田家林 申請人:四川深遠石油鉆井工具有限公司