一种复合钻头的制作方法

1.本实用新型涉及钻探设备技术领域，尤其是一种复合钻头。


背景技术：

2.在石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质及水文钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是钻井过程中用于破碎岩石，形成井筒的破岩工具。目前，在钻井施工中使用范围最广的破岩工具就是牙轮钻头和pdc聚晶金刚石复合片钻头。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和pdc钻头，其中，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)。
3.随着油气勘探开发逐渐向深井超深井发展，岩石硬度和塑性不断增大，可钻性变差，牙轮钻头和pdc钻头机械钻速慢、寿命短，已经无法满足当今油气钻井提速增效的发展要求。近几年来投放市场的牙轮
‑
pdc复合钻头结合了牙轮钻头和pdc钻头的各自优点，在一定程度上提高了机械钻速和寿命。不过，复合钻头的中心部的机械钻速较低，破岩效率也不高，复合片也容易破坏，从而也严重影响到了整个复合钻头的机械钻速和寿命，严重时，钻头报废。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述提出的问题，本实用新型提供一种复合钻头，其目的在于，提供一种牙轮钻头与pdc钻头有机复合循环极大提高钻井效率的复合钻头。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种复合钻头，其包括：钻头柄，所述钻头柄为圆柱状，所述钻头柄的顶端相对设置至少两组牙掌；
6.牙轮钻头，至少包括两组，两组所述牙轮钻头分别转动设置于所述钻头柄顶端的牙掌上，所述牙轮钻头包括转动连接于所述钻头柄顶端的牙轮本体、装设于所述牙轮本体的锥球齿和环设于所述牙轮本体的防护齿；以及
7.pdc钻头，夹设于所述牙轮钻头之间，所述pdc钻头包括多组刀翼，每组刀翼包括呈锐角方向的两条翼臂，每组翼臂沿所述钻头柄的中心轴沿周向延展，且每组所述翼臂的至少一边均匀嵌装多组pdc切削齿。
8.进一步地，所述pdc钻头包括两组相对设置的刀翼，每组所述刀翼包括两呈锐角设置的两组翼臂，每组所述翼臂的至少一边固定排设多组pdc复合片切削齿，所述翼臂的上端面固定设有后刀面强化层。
9.进一步地，所述牙轮本体靠近所述钻头柄的中心轴线的牙轮体上环设牙轮顶锥防护齿。
10.进一步地，所述牙轮本体的外周由内而外分别环设牙轮内排锥球齿和牙轮外排锥球齿。
11.进一步地，两组所述牙掌包括分设于所述刀翼两侧的内牙掌和外牙掌，两组所述牙轮钻头分别通过轴承结构转动设置于所述内牙掌和外牙掌顶端。
12.进一步地，所述钻头柄的顶部开设钻头喷水孔，所述钻头喷水孔设置于相对设置的刀翼连接端侧，所述钻头喷水孔的中心轴线与所述钻头柄的中心轴的轴线呈α角，所述α为10
°‑
30
°
。
13.进一步地，所述钻头柄的顶部开设用于装设合金防冲管的合金防冲管孔，所述合金防冲管孔的中心轴与所述钻头柄的中心轴的轴线呈β角，所述β为 150
°‑
170
°
。
14.进一步地，所述钻头柄的顶部开设合金喷嘴，所述合金喷嘴设置于所述牙轮钻头和pdc钻头之间。
15.进一步地，所述钻头柄的底部开设外螺纹。
16.本实用新型的有益效果是：
17.本实用新型提供的牙轮钻头与pdc钻头有机复合循环极大提高钻井效率的复合钻头，具体体现在：
18.(1)采用钻头的有机复合通过施加压力与回转运动给复合钻头作用地层上，将pdc钻头优越的切削破岩机理及牙轮钻头的冲击破碎机理融合，提高钻井效率；
19.(2)采用翼臂的上端面固定设有后刀面强化层，增强切削的力度，有效改善齿顶端部的应力分配降低应力集中，延长牙齿使用寿命；
20.(3)通过喷水孔结合防冲管与喷嘴利用高压水射流进行井底清洗，利用流体携带走破切的岩屑，清洗刀翼牙轮间的附着物防止泥包保持持续切削性，利用流体冷却各切削元件切削产生的高温；
21.(4)采用将钻头喷水孔的中心轴线与钻头柄的中心轴的轴线呈α角，合金防冲管孔的中心轴与钻头柄的中心轴的轴线呈β角，在牙轮切削岩石时喷射钻井液带走岩屑，避免岩屑堵塞造成钻头的腔体磨损。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本实用新型一种实施例提供的一种复合钻头的结构示意图；
24.图2是本实用新型一种实施例提供的一种复合钻头的俯视图；
25.图3是本实用新型一种实施例提供的一种复合钻头与划眼器连接示意图；
26.图4是本实用新型复合钻头第一牙轮钻头的结构示意图；
27.图5是本实用新型复合钻头第一牙轮钻头和第二牙轮钻头的装配示意图；
28.图6是本实用新型复合钻头的钻头喷水孔位置示意图；
29.图7是本实用新型复合钻头的合金防冲管孔位置示意图。
30.附图标记说明：
[0031]1‑
连接螺纹；2
‑
钻头柄；3
‑
第一翼臂；31
‑
第一pdc切削齿；32
‑
第一刀翼后刀面强化层；
[0032]4‑
第一牙轮钻头；41
‑
外圈牙轮外排锥球齿；42
‑
外圈牙轮内排锥球齿；43
‑
牙轮本体；44
‑
外圈牙轮顶锥防护齿；45
‑
外圈牙轮体；
[0033]5‑
第二翼臂；51
‑
第二pdc切削齿；52
‑
第二刀翼后刀面强化层；
[0034]6‑
第三翼臂；61
‑
第三pdc切削齿；62
‑
第三刀翼后刀面强化层；
[0035]7‑
第二牙轮钻头；71
‑
内圈牙轮外排锥球齿；72
‑
内圈牙轮内排锥球齿；73
‑
牙轮本体；74
‑
内圈牙轮顶锥防护齿；75
‑
内圈牙轮体；
[0036]8‑
第四翼臂；81
‑
第四pdc切削齿；82
‑
第四刀翼后刀面强化层；
[0037]9‑
内牙掌；
[0038]
10
‑
钻头喷水孔；
[0039]
11
‑
第一合金喷嘴；
[0040]
12
‑
合金防冲管孔；
[0041]
13
‑
划眼器；
[0042]
14
‑
中心轴线；
[0043]
15
‑
防冲管孔轴；
[0044]
16
‑
喷水孔轴；
[0045]
17
‑
外牙掌；
[0046]
18
‑
第二合金喷嘴。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0048]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0049]
请参阅图1至图7所示，本实用新型提供一种复合钻头，其包括钻头柄2、牙轮钻头和pdc钻头。
[0050]
其中，所述钻头柄2为圆柱状，其围绕中心轴线14转动而成，所述钻头柄2的顶端相对设置至少两组牙掌，两组所述牙掌包括分设于所述刀翼两侧的内牙掌9和外牙掌17，两组所述牙轮钻头分别通过轴承结构转动设置于所述内牙掌9和外牙掌17顶端。
[0051]
请具体参阅图1和图3所示，所述钻头柄2的底部开设外螺纹，即与划眼器13转动连接的连接螺纹1。
[0052]
牙轮钻头至少包括两组，两组所述牙轮钻头分别转动设置于所述钻头柄2 顶端的牙掌上，所述牙轮钻头包括转动连接于所述钻头柄2顶端的牙轮本体、装设于所述牙轮本体的锥球齿和环设于所述牙轮本体的防护齿。例如，请参阅图4、图5所示，在本实施例中，所述内牙掌9和外牙掌17上分别设置第一牙轮钻头4和第二牙轮钻头7，所述第一牙轮钻头4包括转动连接于所述钻头柄 2顶端的外牙掌17的牙轮本体43、装设于所述牙轮本体43的外圈牙轮外排锥球齿41、外圈牙轮内排锥球齿42和环设于所述第一牙轮钻头4的外圈牙轮顶锥防护齿44，所述牙轮本体43的内侧设置外圈牙轮体45；
[0053]
所述第二牙轮钻头7包括转动连接于所述钻头柄2顶端的内牙掌9的牙轮本体73、装设于所述牙轮本体73的内圈牙轮外排锥球齿71、内圈牙轮内排锥球齿72和环设于第二牙轮钻头7的内圈牙轮顶锥防护齿74，所述牙轮本体73 的内侧设置内圈牙轮体75，请具体参阅图5所示，所述第一牙轮钻头4和第二牙轮钻头7的中心轴线与钻头柄2的中心轴线14之间的夹角为锐角。在实际工作过程中，第一牙轮钻头4外圈牙轮外排锥球齿41、外圈牙轮内排锥球齿 42和环设于所述第一牙轮钻头4的外圈牙轮顶锥防护齿44和第二牙轮钻头7 上的内圈牙轮外排锥球齿71、内圈牙轮内排锥球齿72和环设于第二牙轮钻头 7的内圈牙轮顶锥防护齿74起到在偏离公转轨迹时与井壁产生挤压反推力约束公转轨迹圆心偏离在合理范围内。
[0054]
pdc钻头夹设于所述牙轮钻头之间，在本实施例中，即pdc钻头夹设于第一牙轮钻头4和第二牙轮钻头7之间。所述pdc钻头包括多组刀翼，每组刀翼包括呈锐角方向的两条翼臂，每组翼臂沿所述钻头柄2的中心轴沿周向延展，且每组所述翼臂的至少一边均匀嵌装多组pdc切削齿。所述pdc钻头包括两组相对设置的刀翼，每组所述刀翼包括两呈锐角设置的两组翼臂，每组所述翼臂的至少一边固定排设多组pdc复合片切削齿，所述翼臂的上端面固定设有后刀面强化层。请分别参阅图1和图2所示，所述pdc钻头包括两组刀翼，每组刀翼分别包括两组翼臂，即第一翼臂3、第二翼臂5、第三翼臂6和第四翼臂8，其中，第一翼臂3和第四翼臂8为一组刀翼，第二翼臂5、第三翼臂6为另一翼臂，所述第一翼臂3一边固定排设多组第一pdc复合片切削齿31，所述第一翼臂3的另外一边固定设有第一刀翼后刀面强化层32；所述第四翼臂8一边固定排设多组第四pdc复合片切削齿81，所述第四翼臂8的另外一边固定设有第四刀翼后刀面强化层82；所述第二翼臂5一边固定排设多组第二pdc复合片切削齿51，所述第二翼臂5的另外一边固定设有第二刀翼后刀面强化层52；所述第三翼臂6一边固定排设多组第三pdc复合片切削齿 61，所述第三翼臂6的另外一边固定设有第三刀翼后刀面强化层62。
[0055]
所述钻头柄2的顶部开设钻头喷水孔10，所述钻头喷水孔10设置于相对设置的刀翼连接端侧，所述钻头喷水孔10的中心轴(即喷水孔轴16)与所述钻头柄2的中心轴的轴线呈α角，所述α为10
°‑
30
°
。所述钻头柄2的顶部开设用于装设合金防冲管的合金防冲管孔12，所述合金防冲管孔12的中心轴 (即防冲管孔轴15)与所述钻头柄2的中心轴的轴线呈β角，所述β为150
°ꢀ‑
170
°
。所述钻头柄2的顶部开设第一合金喷嘴11、第二合金喷嘴18，所述第一合金喷嘴11、第二合金喷嘴18分别设置于所述牙轮钻头和pdc钻头之间。所述钻头喷水孔10结合合金防冲管孔12与第一合金喷嘴11、第二合金喷嘴 18利用高压水射流进行井底清洗，利用流体携带走破切的岩屑，清洗刀翼牙轮间的附着物防止泥包保持持续切削性，利用流体冷却各切削元件切削产生的高温。
[0056]
一种复合钻头的工作流程：
[0057]
在实际工作过程中，本复合钻头的的有机复合通过施加压力与回转运动给复合钻头作用地层上，第一牙轮钻头4和第二牙轮钻头7整体回转时，第一牙轮钻头4和第二牙轮钻头7在反作用力下进行行星式自转，及在划眼器13作用下的整体公转，第一牙轮钻头4和第二牙轮钻头7沿公转轨迹做绕自轴自转，同时在轴向压力下，第一牙轮钻头4外圈牙轮外排锥球齿41、外圈牙轮内排锥球齿42和环设于所述第一牙轮钻头4的外圈牙轮顶锥防护齿44和第二牙轮钻头7上的内圈牙轮外排锥球齿71、内圈牙轮内排锥球齿72和环设于第二牙轮
钻头7的内圈牙轮顶锥防护齿74对地层表层产生敲击震动与压裂作用起到预先破岩破坏表面整体致密性，第一翼臂3、第二翼臂5、第三翼臂6和第四翼臂8上的第一pdc复合片切削齿31、第二pdc复合片切削齿51、第三pdc 复合片切削齿61及第四pdc复合片切削齿81随后跟上切除一层以破裂的岩层，形成压
‑
切，切
‑
压有机复合循环极大提高钻井效率；
[0058]
由于在切削过程中，会产生大量的岩屑，所述钻头喷水孔10结合合金防冲管孔12与第一合金喷嘴11、第二合金喷嘴18利用高压水射流进行井底清洗，利用流体携带走破切的岩屑，清洗刀翼牙轮间的附着物防止泥包保持持续切削性，利用流体冷却各切削元件切削产生的高温，并且钻头喷水孔10的中心轴线即(即喷水孔轴16)与钻头柄2的中心轴的轴线14呈α角，合金防冲管孔 12的即(即防冲管孔轴15)与钻头柄2的中心轴的轴线14呈β角，在牙轮切削岩石时喷射钻井液带走岩屑，避免岩屑堵塞造成钻头的腔体磨损。
[0059]
综上所述，本实用新型的一种复合钻头，具有以下有益效果：
[0060]
本实用新型提供的牙轮钻头与pdc钻头有机复合循环极大提高钻井效率的复合钻头，具体体现在：
[0061]
(1)采用钻头的有机复合通过施加压力与回转运动给复合钻头作用地层上，将pdc钻头优越的切削破岩机理及牙轮钻头的冲击破碎机理融合，提高钻井效率；
[0062]
(2)采用翼臂的上端面固定设有后刀面强化层，增强切削的力度，有效改善齿顶端部的应力分配降低应力集中，延长牙齿使用寿命；
[0063]
(3)通过喷水孔结合防冲管与喷嘴利用高压水射流进行井底清洗，利用流体携带走破切的岩屑，清洗刀翼牙轮间的附着物防止泥包保持持续切削性，利用流体冷却各切削元件切削产生的高温；
[0064]
(4)采用将钻头喷水孔的中心轴线与钻头柄的中心轴的轴线呈α角，合金防冲管孔的中心轴与钻头柄的中心轴的轴线呈β角，在牙轮切削岩石时喷射钻井液带走岩屑，避免岩屑堵塞造成钻头的腔体磨损。
[0065]
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。