阅读说明：本技术 一种固定切削结构-牙轮复合钻头 (Fixed cutting structure-roller composite drill bit ) 是由 况雨春 王勤 陈炼 石志明 于 2018-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种固定切削结构-牙轮复合钻头,包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮,牙轮和固定切削结构布置在所述钻头体上,牙轮通过轴承结构与钻头体形成转动连接,至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La≤πR/3,至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb≤πR/3。本发明牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小,牙轮与固定切削结构之间的空白间隙小,切削结构之间过渡平稳,钻头工作稳定性高,导向性能好,有利于提高钻头破岩效率,延长钻头使用寿命。且本发明钻出的井眼规整,井壁质量好。(The invention discloses a fixed cutting structure-cone composite drill bit, which comprises a drill bit body, a fixed cutting structure and at least one cone, wherein the cone and the fixed cutting structure are arranged on the drill bit body, the cone is rotationally connected with the drill bit body through a bearing structure, the distance La from the outermost tooth or the back cone of at least one cone to the front side surface of the fixed cutting structure is less than or equal to pi R/3, and the distance Lb from the outermost tooth or the back cone of at least one cone to the back side surface of the fixed cutting structure is less than or equal to pi R/3. The distance between the cone and the front/back side surface of the fixed cutting structure is small, the blank gap between the cone and the fixed cutting structure is small, the transition between the cutting structures is stable, the working stability of the drill bit is high, the guiding performance is good, the rock breaking efficiency of the drill bit is improved, and the service life of the drill bit is prolonged. And the drilled well is regular and the well wall quality is good.)

一种固定切削结构-牙轮复合钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、地热、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，尤其涉及一种复合钻头。

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。钻头的切削结构决定钻头的性能，影响钻头的破岩效率和使用寿命。

PDC钻头和三牙轮钻头是钻井工程中常用的钻头。PDC钻头以刮切方式破碎岩石，PDC齿侵入岩石后在钻头体的旋转带动下，对岩石形成切削作用使岩石破碎。当钻头工作振动大，工作稳定性差时，PDC钻头的切削齿（PDC齿）极易崩损失效。PDC钻头在定向钻进时也易引起钻头的切削齿失效，降低钻头的钻进能力，减短钻头使用寿命。三牙轮钻头主要以冲击压碎的方式破岩，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。

美国贝克休斯公司提出一种混合钻头（在美国及其他国家均提出了专利申请，如PTC WO2010/132232等），该钻头由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成。钻头旋转钻进时，固定切削结构（固定刀翼）上的PDC齿以刮切方式破岩；混合钻头的牙轮切削结构与牙轮钻头类似，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩。由于两种切削结构的破岩工作原理不同，钻头结构特殊，混合钻头工作时钻头受力复杂，钻头工况复杂。混合钻头的工作稳定性常常影响钻头的使用寿命和性能。混合钻头的复杂工况带来的钻头不稳定工作常常引起钻头上PDC齿的崩损等非正常失效，明显降低钻头的钻进速度和使用寿命，并带来井下动力钻具及钻柱的损坏等安全问题。另外，混合钻头在定向钻井中也具有良好的导向性能，但由于钻头上的PDC与牙轮切削结构之间的过渡和空间上的不连续，会带来钻头定向钻进时的不稳定，制成钻头切削结构的损坏，也影响钻头工具面的频繁变化，不易控制，严重影响钻头的定向性能，降低钻头导向钻进的效率和经济性。同时，PDC与牙轮切削结构之间的过渡不连续也影响了牙轮的受力，牙轮与PDC切削结构之间有较大的空当，钻头破碎岩石时从PDC过渡到牙轮使牙轮受载突变，冲击较大，影响了牙轮的使用寿命和安全性。特别是在定向钻井和不均质地层的钻进中，问题更加突出。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种固定切削结构与牙轮过渡较连续，钻头工作稳定性高的固定切削结构-牙轮复合钻头，解决现有技术的钻头工作稳定性差及定向性能低的问题，提高钻头的工作稳定性、钻进效率和使用寿命。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种固定切削结构-牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，牙轮和固定切削结构布置在所述钻头体上，牙轮通过轴承结构与钻头体形成转动连接，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/3，即La≤πR/3，至少有一个牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb小于等于πR/3，即Lb≤πR/3，R为钻头半径。

本专利所述固定切削结构的前侧面，是指钻头旋转钻进时固定切削结构的前侧表面，即切削结构相对岩石运动时的前作用面（如图1、2的固定切削结构的前侧表面21），与金属切削中刀具切削金属时的前刀面意义类似。本专利所述固定切削结构的后侧面，是指固定切削结构的背部表面，即前侧面的背面（如图1、2的固定切削结构的后侧表面22）。

本专利所述牙轮的最外齿，是指牙轮上最靠外（最远离钻头中心）的切削齿，牙轮上的切削齿常常以一圈圈的形式布置在牙轮上，此时牙轮的最外齿也就是牙轮的最外排齿圈上的齿（如图1、2的牙轮上的最外排齿圈上的齿31）。牙轮的背锥是指牙轮背部锥面（如图2牙轮的背锥32）。

钻头钻进工作时，在钻压的作用下通过钻柱的旋转带动钻头旋转来破碎岩石。由于排岩屑等的需要，钻头上的切削结构之间一般会设置有流道，在周向上钻头的切削结构并不连续。由于切削结构周向不连续，使钻头在井底破岩工作时易产生振动，加剧钻头的工作不稳定性。钻头切削结构之间的空白间隙越大钻头的工作稳定性越差，钻头切削结构上的切削齿在钻头的不稳定工作及振动下越易损坏。特别是在定向钻进中，由于钻头被推向/指向井壁的某一方向，钻头偏离井眼中心对井壁及井底与井壁的过渡区域进行侧切钻进，钻头从一切削结构过渡到另一切削结构侧切井壁时，切削结构之间的空白间隙使切削结构上的切削齿产生冲击。切削结构之间的空白间隙越大，切削齿所受冲击越大，切削齿越容易损坏，钻头寿命越短。

由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成的复合钻头，其破岩既有固定切削结构上切削齿的刮切破岩又有牙轮的冲压破岩，两种破岩方式的联合，使复合钻头的工作力学和工况更加复杂，其不同于常规PDC钻头的工作特性和工况，也不同于普通三牙轮钻头的工作特性和工况。复合钻头相当于在PDC钻头上引入了牙轮，牙轮有辅助PDC齿破岩的效果，但同时也使PDC齿及钻头的工况更加复杂，从牙轮的冲压破岩过渡到PDC齿的刮切破岩过程中，常常会带来PDC齿的损坏。特别是在定向钻井中，钻头侧切井壁时，有牙轮的冲压侧切转变为PDC齿的刮切侧切，突然的转化会带来PDC齿的冲击损坏。定向钻井中，钻头的外肩部及保径损坏，是复合钻头的一种常见失效形式，也是复合钻头的弱点之一。

另一方面，牙轮是相对钻头本体能转动的非固定切削结构，牙轮内有轴承和密封系统。从固定切削结构的刮切过渡到牙轮的冲压，使牙轮的工况和载荷发生变化，牙轮和固定切削结构之间的距离和空白间隙（空当）越大，牙轮所受的载荷和冲击变化越大，牙轮上的切削齿和牙轮内的轴承密封系统的工况越复杂恶劣，寿命也就越低。

为克服复合钻头的弱点，本专利提出牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La≤πR/3，牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb≤πR/3，R为钻头半径。这明显减小了牙轮到其前/后的固定切削结构的距离，减小牙轮与固定切削结构之间的空白间隙（空当）。

本专利较现有技术的有益效果是：

1、牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，牙轮与固定切削结构之间的空白间隙小，使牙轮向固定切削结构过渡时更平稳，钻头工作稳定性高，减少钻头破岩钻进时的振动，钻头工作平稳，减少钻头切削齿冲击损坏。因此本专利能延长钻头的使用寿命。

2、钻头定向钻进时，较小的牙轮与固定切削结构距离，能提高牙轮向固定切削结构间的切削（破岩）过渡，减小切削结构间过渡时的冲击和切削突变，不仅有利于减少切削齿的损坏，而且有利于钻头定向工具面的控制。切削结构间过渡的距离越小，钻头工作扭矩波动越小，工具面越易控制，钻头导向性能越好。因此，本专利能明显提高钻头的定向性能及定向使用寿命。

3、牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，牙轮与固定切削结构之间的过渡间距小，钻头切削结构间的破岩过渡平稳，有利于减弱牙轮牙齿及轴承的受载和冲击，能明显提高钻头牙轮的使用寿命和钻头的使用寿命。

4、牙轮到固定切削结构的前/后侧面的距离小，能提高钻头工作稳定性，钻头钻出的井眼更规整，井壁质量好，能明显提高钻井安全性，且能为后续的测井、固井等施工提供良好条件。

作为选择，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述固定切削齿可以为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、孕镶金刚石齿（或块）、立方碳化硼、陶瓷齿、硬质合金齿、或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿等中的一种或多种。

作为选择，所述牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/4，即 La≤πR/4。作为进一步选择，所述牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的前侧面的距离La小于等于πR/5（即 La≤πR/5），小于等于πR/6（即 La≤πR/6）。

作为优选，所述牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb小于等于πR/4，即 Lb≤πR/4。作为进一步优选，所述牙轮的最外齿或背锥到固定切削结构的后侧面的距离Lb小于等于πR/5（即 Lb≤πR/5），小于等于πR/6（即 Lb≤πR/6）。钻头外部周向的切削结构间的连续性对钻头的稳定性影响较里面的切削结构要大，钻头靠外部的区域的切削结构过渡越近，钻头切削结构之间的过渡越平顺，钻头工作稳定性越好，定向性能越好，使用寿命也越高。

作为选择，所述前侧面到牙轮的最外齿或背锥的距离小于等于πR/3、πR/4、πR/5或πR/6的固定切削结构的切削轮廓未延伸至钻头中心。复合钻头的结构较复杂空间紧凑，钻头心部空间小，钻头水力结构设置困难，靠近牙轮的固定切削结构的切削轮廓不延伸至钻头中心，能为钻头靠内的区域提供充足的水孔及水力结构设置空间。有利于钻头切削结构与水利结构的设置与均衡优化。

作为选择，所述轮廓未延伸至钻头中心的固定切削结构的切削轮廓在钻头半径的⅓之外的区域内。固定切削结构的切削轮廓在钻头半径较外的区域内，能为钻头心部腾出空间，便于水孔、喷嘴及水力的设计和优化。作为进一步选择，所述轮廓未延伸至钻头中心的固定切削结构的切削轮廓在钻头半径的½之外的区域内；在钻头半径的⅔之外的区域内；在钻头半径的80%之外的区域内。

作为选择，牙轮与固定切削结构之间设置有水孔。作为进一步选择，牙轮与固定切削结构的前侧面之间设置有水孔，牙轮与固定切削结构的后侧面之间设置有水孔。牙轮与固定切削结构之间设置水孔，有利于牙轮与固定切削结构上产生的岩屑的运移与清洗，以及切削结构的冷却。

作为选择，水孔内设置有喷嘴。作为进一步选择，水孔上可设置固定喷嘴。作为另一选择，水孔内的喷嘴为可拆式喷嘴（活动喷嘴）。

作为选择，牙轮的外排齿或（和）背锥参与保径。复合钻头的牙轮外排齿或（和）背锥参与保径，钻头在周向上的规径及保径定位点更多，钻头切削结构之间破岩过渡时的冲击和振动越小，钻头工作稳定性越好，定向性能越好，使用寿命也越长。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1为本发明实施例1和2的钻头俯视时的结构示意图。俯视即为沿钻头轴线从钻头切削结构向钻头后端看。

图2为本发明实施例1和2的钻头一般视图的结构示意图。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

参考图1、2所示，一种固定切削结构-牙轮复合钻头，包括钻头体1、固定切削结构2和至少一个牙轮3，牙轮3和固定切削结构2布置在钻头体1上，牙轮3通过轴承结构与钻头体1形成转动连接，至少有一个牙轮的最外齿（或最外排齿圈）31或背锥32到固定切削结构2的前侧面21的距离La小于等于πR/3，即La≤πR/3，至少有一个牙轮的最外齿（或最外排齿圈）31或背锥32到固定切削结构2的后侧面22的距离Lb小于等于πR/3，即Lb≤πR/3，R为钻头半径。作为进一步选择，牙轮3的最外齿31或背锥32到固定切削结构2的前侧面21的距离La小于等于πR/4（La≤πR/4）、小于等于πR/5（La≤πR/5）、小于等于πR/6（La≤πR/6）。

作为优选，牙轮3的最外齿31或背锥32到固定切削结构2的后侧面22的距离Lb小于等于πR/4（Lb≤πR/4）、小于等于πR/5（ Lb≤πR/5），小于等于πR/6（Lb≤πR/6）。

作为选择，所述固定切削结构2上设置有固定切削齿，所述固定切削齿可以为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、孕镶金刚石齿（或块）、立方碳化硼、陶瓷齿、硬质合金齿、或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿等中的一种或多种。

作为选择，所述前侧面21到牙轮的最外齿（或最外排齿圈）31或背锥32的距离小于等于πR/3、πR/4、πR/5或πR/6的固定切削结构2的切削轮廓未延伸至钻头中心。

作为选择，所述轮廓未延伸至钻头中心的固定切削结构的切削轮廓在钻头半径的⅓之外的区域内。作为进一步选择，所述轮廓未延伸至钻头中心的固定切削结构的切削轮廓在钻头半径的½之外的区域内，在钻头半径的⅔之外的区域内，在钻头半径的80%之外的区域内。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，参考图2，其区别在于：牙轮3与固定切削结构2之间设置有水孔4。作为选择，牙轮3与固定切削结构2的前侧面21之间设置有水孔，或（和）牙轮3与固定切削结构2的后侧面22之间设置有水孔。牙轮3与固定切削结构2之间设置水孔4，有利于牙轮3与固定切削结构2上产生的岩屑的运移与清洗，以及切削结构的冷却。作为选择，水孔内4设置有喷嘴。作为进一步选择，水孔4上可设置固定喷嘴。作为另一选择，水孔内4的喷嘴为可拆式喷嘴（活动喷嘴）。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：牙轮3的外排齿31或（和）背锥32参与保径。复合钻头的牙轮外排齿31或（和）背锥32参与保径，钻头在周向上的规径及保径定位点更多，钻头切削结构之间破岩过渡时的冲击和振动越小，钻头工作稳定性越好，定向性能越好，使用寿命也越长。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。