本發(fā)明涉及一種用于鉆探鉆進(jìn)的鉆頭，更具體的講，本發(fā)明涉及一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭。

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。牙輪鉆頭和PDC（聚晶金剛石復(fù)合片）鉆頭是當(dāng)今鉆井工程中使用得最多的鉆頭。

牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，能量利用率不高?，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（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，牙輪繞牙掌軸頸的轉(zhuǎn)動速度快，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小。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、能自銳的聚晶金剛石復(fù)合片來剪切破碎巖石，PDC鉆頭由于在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長，鉆進(jìn)成本低，在鉆井工程中得到廣泛使用?，F(xiàn)有的以PDC鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個(gè)刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設(shè)置有多個(gè)切削元件。但當(dāng)鉆遇硬地層時(shí)，PDC鉆頭的鼻部和肩部上的切削齒很難有效吃入地層，從而大大降低了機(jī)械鉆速。

中國專利“一種以切削方式破巖的輪式鉆頭”（專利號：201010229375.7）和“一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭”（專利號：201010229371.9）中，首次將PDC齒作為主切削元件設(shè)置在了具有大偏移角的轉(zhuǎn)輪（亦稱為盤刀）上，以切削的方式破巖，并實(shí)現(xiàn)切削齒的交替工作。大偏移角使盤刀切削單元上的PDC齒在井底形成螺旋線的刮痕，對于復(fù)合式鉆頭，螺旋線刮痕與固定切削單元上切削齒的同心圓刮痕形成交叉網(wǎng)狀的井底模式。特別是鉆遇硬地層時(shí)，網(wǎng)狀交叉的井底形貌能夠形成切削齒的自然吃入，提高鉆進(jìn)效率。同時(shí)盤刀齒以交替刮切的方式工作，能夠有效改善切削齒由于持續(xù)不斷的工作而造成的失效。

但是，現(xiàn)有PDC切削齒的抗沖擊能力較弱，特別是鉆遇不均質(zhì)地層或礫石層時(shí)，切削齒多以齒面脆崩、甚至斷齒失效為主，限制了輪式鉆頭和交叉切削復(fù)合鉆頭的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提出一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭，能提升鉆頭在難鉆地層，特別是高硬度、高研磨性、高不均質(zhì)性等地層中的工作性能和使用壽命。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭，包括鉆頭體和盤刀，鉆頭體上至少設(shè)置有一個(gè)盤刀，盤刀與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動連接，盤刀的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，盤刀上至少設(shè)置有一顆錐形齒。

作為選擇，盤刀上的切削齒可以以齒圈的方式布置形成齒圈。

所述盤刀的偏移角α= ，其中s為盤刀的移軸距，c為盤刀的基準(zhǔn)距。如圖2、3、4所示，AB為鉆頭中心軸線，CD為盤刀中心軸線，經(jīng)過盤刀軸線CD并平行于鉆頭軸線AB的面為盤刀極軸面A1，A2是經(jīng)過鉆頭軸線AB且垂直于盤刀極軸面A1的平面，A3是經(jīng)過鉆頭軸線AB且平行于盤刀極軸面A1的平面。盤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)，錐形齒的定位點(diǎn)設(shè)置在齒的頂點(diǎn)位置。一般，盤刀上的切削齒以一圈一圈的形式布置在盤刀上，盤刀齒圈上各切削齒定位點(diǎn)所在的平面A4為盤刀基準(zhǔn)平面，盤刀基準(zhǔn)平面A4與盤刀軸線CD的交點(diǎn)E為盤刀基準(zhǔn)點(diǎn)。過點(diǎn)E向鉆頭軸線AB作垂線，垂足為F。盤刀基準(zhǔn)距c即為盤刀基準(zhǔn)點(diǎn)E到平面A2的距離，盤刀移軸距s即為鉆頭軸線AB與盤刀極軸面A1之間的距離。沿鉆頭軸線從盤刀向鉆頭接頭螺紋方向看（即逆鉆頭鉆進(jìn)方向看）時(shí)，盤刀的偏移角α為直線EF與平面A3之間的夾角，即有偏移角α=，α的取值為0～90°之間（含0°和90°）。根據(jù)盤刀偏移方向的不同，偏移角可以是正值，也可以是負(fù)值。盤刀偏移角正負(fù)號的規(guī)定為：沿與鉆頭鉆進(jìn)相反的方向看，并使E點(diǎn)位于平面A3的下方，若E點(diǎn)處于A2平面的左側(cè)，則偏移角為正（如圖4所示），反之為負(fù)。若E點(diǎn)在A3平面上，偏移角等于0°；若E點(diǎn)在A2平面上，則偏移角等于90°（或-90°）。當(dāng)偏移角的絕對值等于90°時(shí)，正偏移和負(fù)偏移的效果相同。盤刀的軸傾角β即為盤刀軸線CD與垂直于鉆頭軸線AB的平面之間的夾角。

鉆頭在鉆壓和扭矩的驅(qū)動下鉆進(jìn)時(shí)，盤刀具有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動形式。當(dāng)盤刀偏移角不等于零時(shí)（盤刀的移軸距S和中心臂長C均不等于零時(shí)，軸線和鉆頭軸線空間相交錯(cuò)）盤刀就不會發(fā)生純滾動。此時(shí)，盤刀在巖石上的滾動速度（自轉(zhuǎn)）變小，盤刀齒與巖石互作用過程中發(fā)生相對滑移，從而形成對巖石的刮切或切削作用。當(dāng)偏移角不為零時(shí)，盤刀齒的相對滑移包括兩部分：第一，徑向滑移，即盤刀齒從巖石的切入點(diǎn)到切出點(diǎn)之間的徑向距離。偏移角越大，徑向滑移量越大。第二為周向滑移，即沿鉆頭圓周方向的滑移量。徑向滑移和周向滑移的矢量合便形成了盤刀齒在巖石上類似螺旋線的切削軌跡。

作為選擇，鉆頭體上還設(shè)置有固定切削結(jié)構(gòu)。

作為選擇，鉆頭體上的固定切削結(jié)構(gòu)為刀翼狀的固定切削結(jié)構(gòu)，其上布置有固定切削齒。

該方案中，固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒形成同心圓狀的運(yùn)動軌跡，而盤刀上的切削齒形成螺旋線狀的切痕，兩種切削結(jié)構(gòu)共同對井底巖石進(jìn)行交叉切削，形成網(wǎng)狀交叉的井底模式。交叉切削的主要優(yōu)勢：①交叉切削破巖能耗低；②盤刀切削齒交替工作，磨損速度慢；③切削齒能自然形成對巖石的吃入；④固定刀翼上個(gè)別齒的失效不易導(dǎo)致鉆頭的快速失效。

作為選擇，鉆頭體上設(shè)有獨(dú)立輪掌，盤刀與輪掌形成轉(zhuǎn)動連接。

作為選擇，盤刀轉(zhuǎn)動連接在固定切削結(jié)構(gòu)上。作為進(jìn)一步優(yōu)選，盤刀設(shè)置在刀翼前端或/和后端。

該方案中，將盤刀切削單元直接結(jié)合到固定刀翼上，節(jié)省了盤刀原本的支承結(jié)構(gòu)。此外由于直接采用了固定刀翼作為支承結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的盤刀軸和盤刀的結(jié)構(gòu)及其結(jié)合形式都將發(fā)生巨大的變化。軸承轉(zhuǎn)動副可以直接設(shè)于固定刀翼內(nèi)，盤刀的體積（特別是厚度）可以大大縮小。

作為選擇，固定切削結(jié)構(gòu)（如刀翼）上開設(shè)有盤刀槽，盤刀通過轉(zhuǎn)動連接安裝在盤刀槽內(nèi)形成雙側(cè)支撐。

該方案中，形成雙支持結(jié)構(gòu)，在節(jié)省了鉆頭空間的基礎(chǔ)上，能夠提高軸承的承載能力，同時(shí)盤刀軸的受力更均衡。因此，本專利盤刀軸承系統(tǒng)與現(xiàn)有同等尺寸的軸承系統(tǒng)相比可靠性和安全性更高，壽命更長。

作為選擇，盤刀上設(shè)置有錐形齒和PDC齒，錐形齒與PDC齒相間布置或部分相間布置。

作為選擇，盤刀上設(shè)置有至少兩個(gè)盤刀齒圈。

在一個(gè)盤刀上布置有至少兩圈切削齒，一圈齒在前，一圈齒在后。其有兩種實(shí)施方式和益處：第一，兩圈齒均為盤刀上的主切削齒，兩圈齒在圓周方向交錯(cuò)布置，顯著增加了盤刀切削齒在井底工作區(qū)域內(nèi)的覆蓋密度，利于切除井底上凸起的巖脊，可提高鉆頭的破巖效率。第二，兩圈齒中的一圈為盤刀上的主切削齒，另一圈為后備切削齒，這樣便于在高布齒密度條件下實(shí)現(xiàn)同一盤刀上的主切削結(jié)構(gòu)和后備切削結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使鉆頭在難鉆地層有更持久的工作能力。

作為選擇，盤刀的偏移角α的范圍是30°≤|α|≤90°。作為進(jìn)一步選擇，盤刀的偏移角α的范圍是45°≤|α|≤90°，作為進(jìn)一步優(yōu)選，盤刀的偏移角α的范圍是60°≤|α|≤90°。大的偏移角使盤刀齒的工作時(shí)間變長，即滑移量增加，交叉效果越好。

作為選擇，盤刀上的錐形齒的軸線與盤刀的軸線的夾角的范圍是30°≤φ≤90°。

作為選擇，當(dāng)盤刀將其上的錐形齒旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)，錐形齒的軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角θ的范圍是0°＜θ≤90°。

盤刀上的齒旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)是指，盤刀旋轉(zhuǎn)使其上的齒在鉆頭鉆進(jìn)方向處在最低處的位置點(diǎn)。

作為選擇，固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有錐形齒，如刀翼上設(shè)置錐形齒。

本專利的有益效果：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利的有益效果在于：對于復(fù)雜夾層或含礫石巖層而言，現(xiàn)有鉆頭技術(shù)中的切削齒，特別是PDC切削齒容易發(fā)生齒面脆崩或斷齒失效。而錐形齒具有較好抗沖擊能力，有錐形齒的存在，當(dāng)鉆頭在鉆軟硬頻繁交錯(cuò)地層、極不均值地層、含礫石層等在復(fù)雜難鉆地層時(shí)，其能提高切削齒的抗沖擊性，且能保護(hù)其他切削齒免受較大沖擊，提高鉆頭的抗沖擊損壞能力。本專利鉆頭，能夠在提高切削齒抗沖擊能力的同時(shí)，增強(qiáng)鉆頭的使用壽命和可持續(xù)鉆進(jìn)能力。

附圖說明

圖1為本專利實(shí)施例一的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中盤刀安裝在獨(dú)立牙掌上。

圖2為本專利中盤刀的移軸距s、基準(zhǔn)距c、偏移角α和軸傾角β等幾何位置參數(shù)的示意圖。

圖3為本專利實(shí)施例一中盤刀與輪掌形成轉(zhuǎn)動連接的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本專利沿鉆頭軸線俯視時(shí)盤刀在鉆頭上的相對幾何位置示意圖。

圖5為本專利實(shí)施例一中盤刀與盤刀軸為一體，并與輪掌（或鉆頭體，或刀翼）形成轉(zhuǎn)動連接的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本專利實(shí)施例一中盤刀的雙側(cè)支撐的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本專利實(shí)施例二的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本專利實(shí)施例三的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中盤刀設(shè)置在刀翼前端。

圖9為本專利實(shí)施例三的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中盤刀設(shè)置在刀翼后端。

圖10為本專利實(shí)施例三的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，其中盤刀設(shè)置在刀翼前端和后端。

圖11為本專利實(shí)施例四的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，盤刀安裝在固定翼上的盤刀槽中，其中盤刀齒均為錐形齒。

圖12為本專利實(shí)施例四的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖，盤刀安裝在固定翼上的盤刀槽中，其中盤刀齒為錐形齒和圓柱形齒相間布置。

圖13為本專利實(shí)施例五鉆頭的盤刀上設(shè)置有兩個(gè)盤刀齒圈，前排齒圈中為錐形齒。

圖14為本專利實(shí)施例五鉆頭的盤刀上設(shè)置有兩個(gè)盤刀齒圈，后排齒圈中為錐形齒。

圖15為本專利實(shí)施例一鉆頭結(jié)構(gòu)中，盤刀上的錐形齒的軸線與盤刀的軸線垂直（=90°）。

圖16為本專利實(shí)施例一鉆頭結(jié)構(gòu)中，盤刀上的錐形齒的軸線與盤刀的軸線的夾角為大于等于30°的銳角。

圖17為本專利實(shí)施例六鉆頭的固定刀翼上設(shè)置錐形齒的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為鉆頭本體、2為盤刀、3為固定切削結(jié)構(gòu)，4為盤刀齒、41為固定齒、5為輪掌、6為盤刀槽。

具體實(shí)施方式

下列非限制實(shí)施例用于說明本專利。

實(shí)施例一

如圖1、2、3、4所示，一種盤刀上具有錐形齒的金剛石鉆頭，包括鉆頭體1和盤刀2，盤刀2與鉆頭體1形成轉(zhuǎn)動連接，盤刀2的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，鉆頭體1上至少設(shè)置有一個(gè)盤刀2，盤刀2上至少設(shè)置有一個(gè)錐形齒。如圖1所示，作為選擇，盤刀2通過設(shè)置的獨(dú)立輪掌5與鉆頭體1形成轉(zhuǎn)動連接，錐形齒以齒圈的形式布置在盤刀2上形成齒圈。錐形齒可以為聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒或包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。此外，盤刀2與輪掌5的轉(zhuǎn)動連接，有其他多種方式，盤刀2與盤刀軸設(shè)置為一體，與輪掌5形成轉(zhuǎn)動連接，如圖5所示。盤刀2的安裝形式也可以是雙側(cè)支撐，如圖6所示。作為選擇，盤刀2上的錐形齒的軸線與盤刀2的軸線的夾角的范圍是30°≤φ≤90°。如圖15所示，盤刀2上的錐形齒的軸線與盤刀2的軸線垂直，即=90°。如圖16所示，錐形齒的軸線與盤刀2的軸線之間的夾角為大于等于30°的銳角。作為進(jìn)一步選擇，當(dāng)盤刀2將其上的錐形齒旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)，錐形齒的軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角θ的范圍是0°＜θ≤90°。錐形齒在盤刀2將其旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)，錐形齒的軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角為銳角或垂直，便于錐形齒的錐尖錐入（侵入）巖石，有利于錐形齒的刮切破巖。只有當(dāng)錐形齒的軸線以銳角或垂直的方式侵入巖石時(shí)，錐形齒的侵入及刮切破碎巖石的效果最好，最能發(fā)揮錐形齒的破巖效果。

鉆進(jìn)時(shí)盤刀2上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，并在井底形成螺旋線的刮痕。盤刀齒4的交替工作，利于切削齒的清洗，減少熱磨損，延長鉆頭的工作壽命。

實(shí)施例二

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其區(qū)別在于：鉆頭體1上還設(shè)置有固定切削結(jié)構(gòu)3，如圖7所示，固定切削結(jié)構(gòu)3為刀翼狀，固定切削結(jié)構(gòu)3上設(shè)置有固定切削齒41。

鉆進(jìn)時(shí)盤刀2上的切削齒以緩慢交替的形式輪流刮切破巖，并在井底形成螺旋線的刮痕，而設(shè)置在固定切削結(jié)構(gòu)3上的切削齒在井底形成同心圓狀的刮痕，兩套刮痕在井底共同形成交叉網(wǎng)狀的井底模式，有利用切削齒吃入地層，提高破巖效率。因此，本專利盤刀2與固定切削結(jié)構(gòu)3相復(fù)合的鉆頭結(jié)構(gòu)在延長鉆頭的使用壽命的同時(shí)，能提高破巖效率。

實(shí)施例三：

如圖8所示，本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，不同之處在于，輪掌5和固定切削結(jié)構(gòu)3（刀翼）為一體。盤刀2直接固定在刀翼上（刀翼即為輪掌），且設(shè)置在刀翼的前側(cè)面。本實(shí)施例中，盤刀2直接設(shè)置在刀翼上，節(jié)約了鉆頭寶貴的空間。正如本領(lǐng)域的研究人員所熟知的，盤刀2還可以設(shè)置在刀翼的后側(cè)面，如圖9；以及在刀翼的前后側(cè)面均設(shè)置盤刀2，如圖10。

實(shí)施例四

本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，不同之處在于，固定切削結(jié)構(gòu)3（刀翼）上開設(shè)有盤刀槽6，盤刀2設(shè)置在盤刀槽6中，形成雙側(cè)支撐，如圖11。該結(jié)構(gòu)下，盤刀切削單元所占的空間體積大大縮小，雙側(cè)支撐盤刀有利于保障軸承的可靠性，并延長軸承使用壽命。同等尺寸的該結(jié)構(gòu)軸承比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)軸承的壽命更長，可靠性和安全性更高。盤刀齒4也可以為錐形齒和圓柱型切削齒相間布置，如圖12所示。

實(shí)施例五

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于，盤刀2上設(shè)置有兩個(gè)盤刀齒圈，如圖13所示，前排齒圈為錐形齒，后排齒圈為圓柱形切削齒。如圖14所示，后排齒圈為錐形齒，前排為圓柱形切削齒。同樣的，兩個(gè)齒圈均可以同時(shí)為錐形齒組成，兩個(gè)齒圈亦可以錐形齒和圓柱形齒相間隔布置。

實(shí)施例六

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于，固定切削結(jié)構(gòu)3（刀翼）上設(shè)置錐形齒，如圖17所示，固定刀翼上亦可以設(shè)置錐形齒。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。