專利名稱：一種復(fù)合式鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體的講涉及一種復(fù)合式鉆頭。
背景技術(shù)：
鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具?，F(xiàn)今鉆井工程中所使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭(包括三牙輪鉆頭和單牙輪鉆頭)和PDC (聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭。三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖。三牙輪鉆頭的輪體速比(鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)均大于1，鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速快，牙輪上的牙齒對(duì)井底巖石形成沖擊壓碎作用破巖，能量利用率不高，破巖效率相對(duì)較低。三牙輪鉆頭的沖擊壓碎破巖方式，使軸承受到的沖擊載荷大，載荷幅值高，加之軸承轉(zhuǎn)速相對(duì)較快，因此三牙輪鉆頭的軸承壽命較短?，F(xiàn)有牙輪鉆頭的牙輪偏移角大多不超過5°，鉆頭在井底旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)， 輪體速比高，牙輪繞牙掌軸頸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，牙輪上的牙齒與井底巖石相接觸的時(shí)間很短， 牙齒在井底滑移的距離也很短，牙齒在井底巖石上沖壓出一個(gè)個(gè)凹坑。單牙輪鉆頭牙輪轉(zhuǎn)速低，主要以刮切的形式破巖。鉆頭軸承尺寸較大，壽命優(yōu)于三牙輪鉆頭。但單牙輪鉆頭也有一個(gè)無法避免的弱點(diǎn)，那就是牙齒耐磨性嚴(yán)重不足，齒一旦磨鈍，鉆速就會(huì)急劇降低?，F(xiàn)今，無運(yùn)動(dòng)部件、耐磨且壽命長的PDC (聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭在鉆井工程中使用得越來越多，比例越來越大?，F(xiàn)有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭。在理想工作條件(即鉆頭中心線與井眼中心線重合的條件)下，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)各切削齒所負(fù)責(zé)破碎的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)固定的同心圓環(huán)帶。這種固定齒PDC鉆頭主要有三方面的缺點(diǎn)第一，PDC齒連續(xù)不斷地切削巖石，由于劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使齒達(dá)到相當(dāng)高的溫度，當(dāng)溫度超過一定界限時(shí)，PDC 齒的磨損速度明顯上升，從而導(dǎo)致熱磨損現(xiàn)象(當(dāng)PDC齒工作溫度高于某一特定溫度時(shí)，其耐磨性明顯下降的現(xiàn)象稱為PDC齒的熱磨損現(xiàn)象)的發(fā)生。第二，鉆頭上個(gè)別齒的失效(齒的脫落、斷裂或過度磨損等)會(huì)顯著增加失效齒井底環(huán)帶附近的PDC齒的工作負(fù)荷，加快其磨損速度，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭提前失效。第三，鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒。我們?cè)趯＠?01010229371. 9和201020261941. 8中，提出了一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭。這種復(fù)合式鉆頭的輪刀(或轉(zhuǎn)輪)上的切削齒在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，可能出現(xiàn)切削齒“同軌切削，，的現(xiàn)象。所謂“同軌切肖Γ就是指，鉆頭在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中，切削齒與巖石作用時(shí)落入井底上一破巖過程中留下的破碎槽(或坑)中的現(xiàn)象。輪刀上的切削齒發(fā)生 “同軌切削”時(shí)，切削齒進(jìn)入井底原有的破碎槽內(nèi)，既減少了巖石切削量，又增加了切削齒吃入巖石的難度。所以，“同軌切削”現(xiàn)象將對(duì)鉆頭的破巖效率產(chǎn)生不利影響
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的發(fā)明目的是提供一種復(fù)合式鉆頭，鉆頭由大偏移角輪刀切削單元和固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，大偏移角輪刀切削單元使輪刀上的切削齒以交替刮切方式破碎巖石，固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒與輪刀上的切削齒共同作用，交叉切削井底巖石，形成網(wǎng)狀的井底形貌，能夠在增加鉆頭使用壽命的同時(shí)，提高破巖效率。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭本體以及至少一組設(shè)置在所述鉆頭本體上的輪刀切削單元，所述輪刀切削單元包括輪刀和輪掌，所述輪掌設(shè)置在鉆頭本體上，所述輪刀設(shè)置在輪掌的軸頸上與輪掌形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在所述輪刀上布置有外排切削齒圈，其特征在于所述輪刀的偏移角α的范圍是20° < I α I <90°，在所述鉆頭本體上設(shè)置有至少一組包含固定切削齒的固定切削結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型所述的一種復(fù)合式鉆頭，其所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的偏移角與其它組輪刀切削單元的輪刀的偏移角不相等。本實(shí)用新型所述的一種復(fù)合式鉆頭，其所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的外徑大小與其它組輪刀切削單元的輪刀的外徑大小不相等。本實(shí)用新型所述的一種復(fù)合式鉆頭，其所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的軸傾角與其它組輪刀切削單元的輪刀的軸傾角不相等。本實(shí)用新型所述的一種復(fù)合式鉆頭，其所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元輪刀上的切削齒的布齒間距與其它組輪刀切削單元輪刀上的布齒間距不相同。本實(shí)用新型所述的一種復(fù)合式鉆頭，其所述同一輪刀上的切削齒不等間距布置。上述結(jié)構(gòu)中，所述輪刀的 偏移角 α =
，其中s為輪刀的移軸距，c為輪刀的基準(zhǔn)距。如圖3、圖4、圖5所示，AB為鉆頭
中心軸線，CD為輪刀中心軸線，經(jīng)過輪刀軸線CD并平行于鉆頭軸線AB的面為輪刀極軸面 AijA2是經(jīng)過鉆頭軸線AB且垂直于輪刀極軸面A1的平面，A3是經(jīng)過鉆頭軸線AB且平行于輪刀極軸面A1的平面。輪刀上表征各切削齒位置坐標(biāo)的點(diǎn)為各切削齒的定位點(diǎn)，圓柱形PDC 齒的定位點(diǎn)為齒的金剛石工作平面的中心點(diǎn)，其它類型切削齒的定位點(diǎn)設(shè)置在齒的某個(gè)特定點(diǎn)上。輪刀外排齒圈上各切削齒定位點(diǎn)所在的平面A4為輪刀基準(zhǔn)平面，輪刀基準(zhǔn)平面A4 與輪刀軸線CD的交點(diǎn)E為輪刀基準(zhǔn)點(diǎn)。過點(diǎn)E向鉆頭軸線AB作垂線，垂足為F。輪刀基準(zhǔn)距c即為輪刀基準(zhǔn)點(diǎn)E到平面A2的距離；輪刀移軸距s即為鉆頭軸線AB與輪刀極軸面A1 之間的距離，并規(guī)定，沿鉆頭軸線從輪刀向鉆頭接頭螺紋方向看(即逆鉆頭鉆進(jìn)方向看)，使輪刀基準(zhǔn)點(diǎn)E位于平面A2左側(cè)，此時(shí)若極軸面A1在平面A3下方則為正移軸，反之，則為負(fù)移軸(圖5所示為正移軸，圖6所示為負(fù)移軸)；輪刀的偏移角α即為直線EF與平面A3之
間的夾角，即有偏移角α = 3π^α〔^),正移軸時(shí)偏移角α為正，負(fù)移軸時(shí)偏移角α為負(fù)；
輪刀的軸傾角β即為輪刀軸線CD與垂直于鉆頭軸線AB的平面之間的夾角。當(dāng)鉆頭在鉆壓、扭矩的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，輪刀在隨鉆頭本體繞鉆頭軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿軸線做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)相對(duì)于鉆頭本體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即會(huì)繞輪掌的軸頸中心線(即輪刀軸線)做轉(zhuǎn)動(dòng)。如果輪刀的偏移角等于零，輪刀的軸線與鉆頭軸線相交，輪刀會(huì)以純滾動(dòng)或接近于純滾動(dòng)的方式在井底巖石上滾動(dòng)，其平均轉(zhuǎn)速等于或近似等于由鉆頭轉(zhuǎn)速和輪刀滾動(dòng)軌跡圓半徑所確定的純滾動(dòng)速度。此時(shí)，輪刀將以與井底巖石相作用的切削齒的作用點(diǎn)為瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，切削齒與巖石之間不存在相對(duì)滑移。如果輪刀的偏移角不等于零，則輪刀的軸線與鉆頭軸線不再相交，而是空間交錯(cuò)，輪刀的純滾動(dòng)條件不再滿足。此時(shí)，輪刀仍會(huì)在巖石上滾動(dòng)，但其滾動(dòng)速度不再等于純滾動(dòng)速度，而是低于純滾動(dòng)速度。輪刀上的切削齒在滾過巖石的過程中會(huì)與巖石發(fā)生相對(duì)滑移，從而形成切削齒對(duì)巖石的刮切或切削作用。當(dāng)偏移角不為零時(shí)，輪刀上的切削齒在井底巖石上的相對(duì)滑移(刮切)包含兩個(gè)部分第一，徑向滑移。輪刀上的切削齒從開始切削巖石(切入)到脫離切削巖石(切出)的過程中，巖石上的切入點(diǎn)與切出點(diǎn)的徑向(鉆頭徑向)位置不同，表明切削齒在與巖石接觸的過程中發(fā)生了徑向滑移，切入點(diǎn)與切出點(diǎn)之間的徑向距離，代表了切削齒的徑向滑移量。偏移角越大，切削齒切入、切出點(diǎn)之間的徑向距離越大，徑向滑移量也就越大。第二，周向滑移。當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速確定時(shí)，輪體速比決定了切削齒的切削工作時(shí)間(即從切入巖石到切出巖石的一次切削過程所經(jīng)歷的時(shí)間)。由于偏移角不為零時(shí)的輪體速比低于純滾動(dòng)條件下的輪體速比，輪刀的轉(zhuǎn)速變慢，所以切削齒的切削工作時(shí)間變長，因而使切削齒產(chǎn)生沿周向(鉆頭圓周方向)的滑移量。輪體速比越小，切削齒的切削工作時(shí)間越長，周向滑移量也就越大。 切削齒在井底巖石上的總的滑移速度是徑向滑移速度與周向滑移速度的矢量合成。根據(jù)鉆頭體與輪刀的運(yùn)動(dòng)特征，切削齒在井底巖石上的滑移(刮切)軌跡是沿著鉆頭旋轉(zhuǎn)方向的從外到內(nèi)(偏移角為正時(shí))或從內(nèi)到外(偏移角為負(fù)時(shí))的類似螺旋線形狀。輪刀的移軸距s增大或基準(zhǔn)距c減小，均導(dǎo)致輪刀偏移角α增大，故都會(huì)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。上述輪刀的偏移角α = arilan〔￡| ,使20°彡| α |彡90°從而更好地實(shí)現(xiàn)切削齒
以刮切的方式破巖。具體的講，當(dāng)鉆頭外徑一定，輪刀直徑保持不變時(shí)，增大輪刀的移軸距 s，輪刀的基準(zhǔn)距c就會(huì)相應(yīng)地減小。在本實(shí)用新型中，采用了固定切削結(jié)構(gòu)與輪刀相結(jié)合的破巖方式輪刀和固定切削結(jié)構(gòu)均為以切削方式破碎井底巖石的切削結(jié)構(gòu)，固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒在井底巖石上刮切出同心圓狀的切削軌跡，而輪刀上的切削齒在井底巖石上刮切出從外向內(nèi)或由內(nèi)向外的螺旋形切削軌跡。兩套切削軌跡相互交叉，其效果是形成網(wǎng)狀井底形貌，有利于切削齒對(duì)巖石的有效吃入，有利于巖石的破碎，所以能有效提高鉆頭的破巖效率。對(duì)固定切削齒鉆頭而言，切削齒持續(xù)不斷地切削井底巖石，鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異十分明顯，一般鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)切削齒的磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒。本實(shí)用新型中的輪刀上的切削齒能對(duì)固定切削齒鉆頭的切削齒易磨損和失效區(qū)域起到特殊的加強(qiáng)作用。輪刀上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，每個(gè)切削齒的實(shí)際參與切削工作的總時(shí)間明顯少于鉆頭的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，因此切削齒的磨損速度顯著降低。輪刀上切削齒磨損速度的降低會(huì)對(duì)固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒造成直接影響，減緩其磨損速度。井底的交叉切削區(qū)域或網(wǎng)狀切削區(qū)域與鉆頭上切削齒最易磨損的部位相對(duì)應(yīng)，有利于降低該部位切削齒的工作載荷，降低磨損速度。所以，本實(shí)用新型的復(fù)合式鉆頭一方面更易于實(shí)現(xiàn)切削齒的均衡磨損，另一方面能顯著提高鉆頭的工作壽命。輪刀上的切削齒的交替切削工作方式有利于切削齒(特別是PDC齒)的冷卻，避免或減少了由于溫度過高而導(dǎo)致磨損加劇的熱磨損現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)常規(guī)固定齒鉆頭而言，增加布齒密度可以減緩切削齒的磨損速度，增加鉆頭的工作壽命，但同時(shí)也會(huì)降低鉆頭的鉆進(jìn)速度。在本實(shí)用新型中，輪刀上能布置更多的切削齒，增加了切削齒數(shù)量，且輪刀上的切削齒能輪流工作。由于輪刀上同時(shí)參與切削巖石的只有部分切削齒，所以，鉆頭的有效工作齒數(shù)明顯小于鉆頭的總切削齒數(shù)。換言之，輪刀切削結(jié)構(gòu)可以在增加總切削齒數(shù)(增加布齒密度)的同時(shí)，保持同時(shí)工作的齒數(shù)不變或基本不變。其效果是在保持鉆頭鉆進(jìn)速度的同時(shí)使鉆頭的工作壽命得以延長。這樣，在鉆頭設(shè)計(jì)中延長鉆頭壽命與提高鉆速之間的矛盾可得到明顯的緩解。由于輪刀上的切削齒以切削方式(剪切方式)破碎巖石，輪刀所需的軸向鉆壓相對(duì)較小，鉆壓波動(dòng)幅度也較小，且復(fù)合型鉆頭的輪體速比低于三牙輪鉆頭，因而復(fù)合型鉆頭可以達(dá)到比三牙輪鉆頭更高的軸承壽命。本實(shí)用新型的思路是通過增大輪刀的移軸距S、減小輪刀的基準(zhǔn)距c的方式增大輪刀偏移角α，并使其在20° ( I α I彡90°范圍內(nèi)，達(dá)到增大輪刀上的切削齒在井底的徑向滑移量，并同時(shí)降低輪體速比，增大切削齒在井底的刮切時(shí)間和周向滑移量，從而增加切削齒在井底巖石上總的滑移量(刮切量)。這樣，當(dāng)鉆頭在井底工作時(shí)，輪刀上的切削齒以緩慢的速度切入巖石，并在鉆頭體的帶動(dòng)下相對(duì)井底巖石刮切一段較長距離后再緩慢切出，從而實(shí)現(xiàn)輪刀上的切削齒以緩慢交替的形式在井底輪流刮切或切削破巖的目的。同時(shí)配以具有固定切削齒的固定切削結(jié)構(gòu)，兩套切削軌跡的共同作用效果是在井底形成交叉切削區(qū)域，有利于切削齒對(duì)巖石的有效吃入，有利于巖石的破碎，所以能有效提高鉆頭的破巖效率。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是(1)本發(fā)明將輪刀與固定切削單元相結(jié)合，在井底巖石上形成了兩套切削軌跡，其效果是在井底形成交叉切削區(qū)域和網(wǎng)狀的井底形貌，切削齒在該條件下的切削力和切削功率均降低，有利于減緩切削齒的磨損速度，也有利于切削齒對(duì)巖石的有效吃入，有利于巖石的破碎，能顯著提高鉆頭的破巖效率。特別是當(dāng)井底的交叉切削區(qū)域或網(wǎng)狀區(qū)域與鉆頭上切削齒最易磨損的外部區(qū)域相對(duì)應(yīng)時(shí)，能降低該區(qū)域切削齒的切削力和切削功率，減緩其磨損速度，這對(duì)于提高鉆頭在難鉆地層鉆進(jìn)時(shí)的破巖效率和工作壽命十分有益。(2)輪刀上的切削齒交替工作，減少或避免了固定切削齒鉆頭因少數(shù)切削齒失效帶來的鉆頭早期失效，延長了鉆頭使用壽命。(3)輪刀上的切削齒交替工作，切削齒磨損均勻，各切削齒的工作能力可得到充分利用。(4)輪刀上的切削齒交替工作，冷卻效果好，不易發(fā)生熱磨損。(5)復(fù)合式鉆頭可以利用PDC復(fù)合片等金剛石復(fù)合元件作為切削齒，齒的工作壽命和切削效率均優(yōu)于單牙輪鉆頭。(6)復(fù)合式鉆頭鉆進(jìn)時(shí)所需的鉆壓小，軸承所受載荷小，且載荷波動(dòng)幅度低；鉆頭的輪體速比低，故軸承相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢、發(fā)熱少。所以，復(fù)合式鉆頭的軸承工作壽命長于同等規(guī)格的三牙輪鉆頭。
6[0033]為減少和避免輪刀上切削齒“同軌切削”現(xiàn)象的發(fā)生，本實(shí)用新型可采取以下進(jìn)一步的改進(jìn)方案來實(shí)現(xiàn)所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的偏移角與其它組輪刀切削單元的輪刀的偏移角不相等。所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的外徑大小與其它組輪刀切削單元的輪刀的外徑大小不相等。所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的軸傾角與其它組輪刀切削單元的輪刀的軸傾角不相等。所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元輪刀上的切削齒的布齒間距與其它組輪刀切削單元輪刀上的布齒間距不相同。所述同一輪刀上的切削齒不等間距布置。所述同一輪刀上外排切削齒圈與內(nèi)側(cè)切削齒圈的布齒間距不相同。上述方案的有益效果是(7)輪刀的偏移角不相等、輪刀的外徑大小不相等、輪刀的軸傾角不相等、輪刀上的切削齒不等間距布置、輪刀上各排切削齒的布齒間距不相同、或(和)輪刀上的切削齒的布齒間距與其它輪刀上的布齒間距不相同，能減少和避免鉆進(jìn)過程中輪刀上切削齒“同軌切削”現(xiàn)象的發(fā)生，使輪刀上的切削齒沿著井底巖石的“巖脊”(兩破碎槽之間凸起的巖石帶)刮切破巖，有利于切削齒對(duì)巖石的有效吃入和巖石的破碎，所以能有效提高鉆頭的破巖效率。(8)采用上述方案，能減少和避免鉆進(jìn)過程中輪刀上切削齒“同軌切削”現(xiàn)象的發(fā)生，使輪刀上的切削齒沿著井底巖石的“巖脊”刮切破巖，能減少和避免凸起的“巖脊”對(duì)輪刀本體的磨損傷害。綜上，本發(fā)明中輪刀上的切削齒以交替刮切的形式破巖，并配合固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒，在井底巖石上形成交叉切削區(qū)域，破巖效率高，磨損均勻，冷卻效果好，齒的壽命長，軸承工作壽命高，鉆頭使用壽命長。

本實(shí)用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，其輪刀切削單元與固定切削結(jié)構(gòu)為2組，兩者相間布置。圖中1、鉆頭本體，2、輪刀，3、輪掌，4、外排切削齒圈，7、噴嘴，8、固定切削結(jié)構(gòu)，8a、 固定切削齒；圖2為本實(shí)用新型沿鉆頭軸線俯視(逆鉆頭鉆進(jìn)方向看)時(shí)的視圖；圖3為本實(shí)用新型的輪刀幾何位置參數(shù)移軸距S、基準(zhǔn)距C、偏移角α和軸傾角β 的示意圖；圖4為本實(shí)用新型的一組切削單元的輪刀沿輪刀極軸面的剖視圖。圖中6、軸頸；圖5為本實(shí)用新型沿鉆頭軸線俯視時(shí)輪刀在鉆頭上的相對(duì)幾何位置及參數(shù)S、C、 α的示意圖，圖示偏移角為正值；圖6為本實(shí)用新型的輪刀偏移角不相等時(shí)的示意圖；圖中，α 1興α 2 ；圖7為本實(shí)用新型的輪刀外徑大小不相等時(shí)的示意圖；圖中，Π ^ r2 ；[0052]圖8為本實(shí)用新型的輪刀軸傾角不相等時(shí)的示意圖；圖中，β 1興β 2 ；圖9為本實(shí)用新型的輪刀上的切削齒布齒間距不等時(shí)的示意圖；圖10為本實(shí)用新型鉆頭在輪刀切削單元和固定切削結(jié)構(gòu)共同作用下，在井底交叉刮切出的網(wǎng)狀刮痕示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的說明。為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。如圖1、2、3、4、5所示一種復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭本體1、輪刀2，所述鉆頭本體1上具有輪掌3，所述輪刀2安裝在所述輪掌3的軸頸6上，與輪掌3形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接， 在所述輪刀2上布置有外排切削齒圈4，其特征在于所述輪刀2的偏移角α的范圍是 20° ( I α I <90°，在鉆頭本體1上設(shè)置有固定切削結(jié)構(gòu)8，固定切削結(jié)構(gòu)8上固結(jié)有固定切削齒8a。輪刀2的偏移角α的范圍在20°彡| α |彡90°時(shí)，能實(shí)現(xiàn)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)輪刀2上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖。在輪刀切削單元和固定切削結(jié)構(gòu)的共同作用下，兩套切削軌跡相互交叉，鉆頭在井底刮切出網(wǎng)狀的破碎形貌。如圖10所示，輪刀切削單元上的切削齒刮切出類似螺旋線形的刮痕10，固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒刮切出同心圓形刮痕9，輪刀切削單元和固定切削結(jié)構(gòu)配合能實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)復(fù)雜的網(wǎng)狀井底形貌。為減少和避免輪刀上的切削齒“同軌切削”現(xiàn)象的發(fā)生，本實(shí)用新型可采用以下實(shí)
施方案所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的偏移角與其它組輪刀切削單元的輪刀的偏移角不相等。如圖6所示，兩輪刀的偏移角不相等， Q1^ α2;若輪刀切削單元為三組，則一組輪刀切削單元中的輪刀的偏移角為α”另外兩組都是Qya1^ α2，或者另外兩組中一個(gè)是α2，另一個(gè)是α3，α3。所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的外徑大小與其它組輪刀切削單元的輪刀的外徑大小不相等。如圖7所示，兩輪刀的外徑不相等， Γι Φ r2 ；若輪刀切削單元為三組，則一組輪刀切削單元中的輪刀的外徑為r1;另外兩組都是 r1 T1 ^ r2 ,或者另外兩組中一個(gè)是r2，另一個(gè)是r3，r2乒r3。所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀的軸傾角與其它組輪刀切削單元的輪刀的軸傾角不相等。如圖8所示，兩輪刀的軸傾角不相等，
β2;若輪刀切削單元為三組，則一組輪刀切削單元中的輪刀的軸傾角為另外兩組都是β2，乒β 2，或者另外兩組中一個(gè)是β 2，另一個(gè)是β3，β3。所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元輪刀上的切削齒的布齒間距與其它組輪刀切削單元輪刀上的布齒間距不相同。所述同一輪刀上的切削齒不等間距布置。如圖9所示，輪刀上切削齒間的布齒間距不相等。
8[0066] 以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭本體(1)以及至少一組設(shè)置在所述鉆頭本體(1)上的輪刀切削單元，所述輪刀切削單元包括輪刀(2)和輪掌(3)，所述輪掌(3)設(shè)置在鉆頭本體(1)上，所述輪刀(2)設(shè)置在輪掌(3)的軸頸(6)上與輪掌(3)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在所述輪刀(2)上布置有外排切削齒圈(4)，其特征在于所述輪刀(2)的偏移角α的范圍是 20° ( I α I <90°，在所述鉆頭本體(1)上設(shè)置有至少一組包含固定切削齒(8a)的固定切削結(jié)構(gòu)(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀(2)的偏移角與其它組輪刀切削單元的輪刀(2) 的偏移角不相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀(2)的外徑大小與其它組輪刀切削單元的輪刀(2)的外徑大小不相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元的輪刀(2)的軸傾角與其它組輪刀切削單元的輪刀 (2)的軸傾角不相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述輪刀切削單元至少有兩組，其中至少有一組輪刀切削單元輪刀上的切削齒的布齒間距與其它組輪刀切削單元輪刀上的布齒間距不相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種復(fù)合式鉆頭，其特征在于所述同一輪刀(2)上的切削齒不等間距布置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭本體(1)、輪刀(2)，所述鉆頭本體(1)上具有輪掌(3)，所述輪刀(2)安裝在所述輪掌(3)的軸頸(6)上，與輪掌(3)形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在所述輪刀(2)上布置有外排切削齒圈(4)，所述輪刀(2)的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，在所述鉆頭本體(1)上設(shè)置有包含固定切削齒(8a)的固定切削結(jié)構(gòu)(8)。本實(shí)用新型中輪刀上的切削齒以交替刮切的形式破巖，并配合固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒，在井底巖石上形成交叉切削區(qū)域，破巖效率高，磨損均勻，冷卻效果好，齒的壽命長，軸承工作壽命高，鉆頭使用壽命長。
文檔編號(hào)E21B10/16GK202194574SQ201120250799
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者任海濤, 楊迎新, 林敏 , 裴竹, 陳煉 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)