本實(shí)用新型屬于屬于石油天然氣鉆采領(lǐng)域，尤其涉及一種復(fù)合鉆頭。

背景技術(shù)：

在石油天然氣的鉆采歷史進(jìn)程中，旋轉(zhuǎn)鉆探方式的實(shí)用新型毫無疑問具有里程碑的意義。而旋轉(zhuǎn)鉆探開采的切削工具又以牙輪鉆頭和PDC鉆頭使用最為常見和廣泛。而且隨著金剛石等超硬材料的不斷發(fā)展，PDC鉆頭以其獨(dú)特的破巖方式和在軟到中硬地層的良好工作性能，使其成為了油氣鉆采中的主要切削工具。但是，由于PDC鉆頭以剪切方式破巖為主，在硬地層中適應(yīng)性差，轉(zhuǎn)速低，壽命短，容易出現(xiàn)崩齒、碎齒、磨損嚴(yán)重等情況。目前，國內(nèi)外在硬地層鉆進(jìn)中主要使用牙輪鉆頭。牙輪鉆頭通過沖擊破碎、剪切等復(fù)合作用切削巖石，主要適用于中到硬地層鉆進(jìn)，在軟地層中使用效果比較差，而且容易出現(xiàn)泥包等現(xiàn)象，在高轉(zhuǎn)速大鉆壓鉆井條件下，容易出現(xiàn)掉齒、磨損嚴(yán)重等情況，最終導(dǎo)致牙輪鉆頭的失效。為了克服牙輪鉆頭與PDC鉆頭各自的不足，根據(jù)牙輪鉆頭和PDC鉆頭破碎與切削巖石的特點(diǎn)，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，人們提出了牙輪-PDC混合式鉆頭。

目前國內(nèi)外現(xiàn)有的牙輪-PDC混合式鉆頭的結(jié)構(gòu)主要是具有滾動(dòng)牙輪和固定刀翼的混合式鉆頭。當(dāng)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，牙輪先以沖擊的方式破巖，而后固定刀翼上的PDC齒以刮削的方式破巖。由于牙輪的破巖方式與PDC存在本質(zhì)的不同，牙輪主要依靠沖擊破巖，PDC為固定剪切，這使得牙輪在破巖時(shí)形成的沖擊會(huì)很大的干擾PDC在固定切削時(shí)的工作穩(wěn)定性。這種相異的工作模式組合使得PDC的PDC齒容易損壞，影響鉆頭整體的壽命。而且牙輪工作時(shí)產(chǎn)生的縱向震動(dòng)使得PDC切削深度不穩(wěn)定，降低了鉆頭整體的破巖效率。在實(shí)際使用中，以上牙輪滾壓沖擊與PDC刮削的組合破巖方式容易在井底形成重復(fù)破碎區(qū)域和井底墊層，特別是在深井鉆進(jìn)時(shí)，井底圍壓較大，水利作用受限，極大影響鉆頭整體的破巖效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于：提供一種交替犁削與刮切方式聯(lián)合破巖的復(fù)合鉆頭，其提出牙輪以犁削方式破巖，固定切削結(jié)構(gòu)上PDC切削齒以齒剪切方式破巖。這種組合破巖方式使牙輪在工作時(shí)沖擊小，工作平穩(wěn)，提高了PDC在固定切削時(shí)的工作穩(wěn)定性和鉆頭的整體壽命與破巖效率。

本實(shí)用新型目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種交替犁削與刮切方式聯(lián)合破巖的復(fù)合鉆頭，包括鉆頭體、帶有切削齒的固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的切削齒為“犁削型”齒，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪相對鉆頭體中心具有軸偏移；“犁削型”齒具有特征型面A和特征面B，特征型面A為齒的中心對稱剖面，齒在該面的正交面方向的投影為特征面B；

特征型面A具有包括以下幾何特征：

a.齒底往上至分型面為安裝固定部分，齒頂往下至分型面為犁削部分；

b.從分型面到齒頂方向，犁削部分的曲線呈楔形收斂；

c.犁削部分兩側(cè)曲線其駐點(diǎn)切線在收斂方向所成夾角在45°～80°；

d.犁削部分曲線其齒尖部分為圓弧，圓弧寬度不大于6mm，圓弧半徑范圍2mm～5mm；

特征面B具有包括以下幾何特征：

a.從分型面到齒頂方向，犁削部分的曲線呈錐形；

b.錐形的錐頂角范圍為45°～90°。

本實(shí)用新型的復(fù)合鉆頭是以轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上設(shè)置的“犁削型”切削齒和固定切削結(jié)構(gòu)上的(PDC)切削齒聯(lián)合切削破碎巖石，其中至少一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪與復(fù)合鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪相對鉆頭體可以自轉(zhuǎn)。其特點(diǎn)是：由于轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的切削齒采用本專利的“犁削型”齒，因此轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪以一種區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的新的“犁削”的方式破巖，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的“犁削型”齒交替著以犁削的方式破巖，進(jìn)一步與固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合后，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的“犁削型”齒交替以“犁削”的方式破巖，而固定切削結(jié)構(gòu)上的(PDC)切削齒以剪切破碎的方式進(jìn)行破巖。轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的“犁削型”齒交替犁削破巖，其切向破巖效果符合剪切破巖特點(diǎn)，其側(cè)向破巖為擠壓破巖，多個(gè)“犁削型”齒之間在破巖時(shí)會(huì)產(chǎn)生“相鄰”效果。參考圖3、4所示，圖3中a為斷裂體，b為碎裂體，c為密實(shí)核，d為徑向裂紋，圖4中X為破碎區(qū)域。這種破巖效果使牙輪在工作時(shí)沖擊小，工作平穩(wěn)，而且切削巖石更容易且?guī)r石破碎效率更高，因而提高了(PDC)切削齒在固定切削時(shí)的工作穩(wěn)定性，同時(shí)提高了鉆頭的整體壽命和破巖效率。

本實(shí)用新型的復(fù)合鉆頭相比目前國內(nèi)外現(xiàn)有的復(fù)合鉆頭，提出了一種不同的復(fù)合切削破巖方式，其中牙輪以交替“犁削”的破巖方式進(jìn)行切削破巖，該破巖方式不同于以往的牙輪通過沖擊和剪切破巖，常規(guī)牙輪在工作時(shí)，牙輪滾動(dòng)，牙齒與井底的接觸是單齒、雙齒交錯(cuò)進(jìn)行的。單齒接觸井底時(shí)，牙輪中心處于最高位置；雙齒接觸井底時(shí)牙齒的中心位置下降。常規(guī)牙輪在滾動(dòng)的過程中，牙輪中心位置不斷上下交換，使鉆頭沿軸向作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這就是鉆頭的縱向震動(dòng)。鉆頭的縱向震動(dòng)使牙齒產(chǎn)生沖擊力，以沖擊方式破碎巖石。

本專利所述牙輪是以一種微小沖擊吃入并擠壓破碎巖石，巖石破碎主要是拉應(yīng)力失效。所以使牙輪在切削破巖時(shí)產(chǎn)生的沖擊力小，極大的減小了以往牙輪對PDC在固定切削時(shí)的工作穩(wěn)定性的影響，從而提高了鉆頭的使用壽命和破巖效率。

而從具體結(jié)構(gòu)上來說，本專利的“犁削型”齒相比現(xiàn)有技術(shù)的牙輪上的切削齒，其主要區(qū)別在于：

牙齒頂端型態(tài)：現(xiàn)有牙輪上的切削齒結(jié)構(gòu)主要滿足牙齒對井底巖石的沖擊要求，要求牙齒耐沖擊。故而牙齒頂端結(jié)構(gòu)型態(tài)上比較“鈍”。本專利的“犁削型”齒主要滿足牙齒對井底巖石的吃入要求，要求牙齒易于鑿痕。故而牙齒頂端結(jié)構(gòu)型態(tài)上較“銳”。

牙齒結(jié)構(gòu)劃分：本專利的“犁削型”齒將整顆牙齒分為兩部分，安裝固定部分與犁削部分。其中安裝部分其徑向截面形狀豐富，可為常規(guī)圓形，橢圓形等也可根據(jù)地層條件進(jìn)行定制設(shè)計(jì)。

犁削部分：本專利的“犁削型”齒其犁削部分結(jié)構(gòu)形態(tài)明確，如本文中對該齒的特征型面A和特征面B的描述。

作為選擇，帶有“犁削型”齒的轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪與帶有切削齒的固定切削結(jié)構(gòu)交替設(shè)置在鉆頭上。本方案中，使牙輪與固定切削結(jié)構(gòu)切削破巖交替進(jìn)行切削井底巖石。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的齒圈與固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒在鉆頭徑向上非同軌布置(即切削軌跡不同軌)，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上的“犁削型”齒與固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒的切削軌跡交替交錯(cuò)，形成交替式網(wǎng)狀切削區(qū)域。該方案中，這種交替犁削與刮切聯(lián)合的破巖方式不會(huì)在井底形成重復(fù)破碎區(qū)域，避免了形成井底墊層，其效果好于現(xiàn)有的牙輪-PDC復(fù)合鉆頭。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪各齒圈上的“犁削型”齒井底軌跡不淺于固定切削結(jié)構(gòu)上與之相鄰切削軌跡的切削齒的切削軌跡。該方案中，當(dāng)牙輪上的“犁削型”齒井底軌跡深于所述固定切削結(jié)構(gòu)上與之相鄰切削軌跡的切削齒的切削軌跡時(shí)，“犁削型”齒先行吃入巖層，減少鉆頭的振動(dòng)，增加鉆頭工作時(shí)的穩(wěn)定性。

作為選擇，“犁削型”齒的錐頂角范圍為45°～80°。該方案中，當(dāng)“犁削型”齒的錐頂角大于80°時(shí)，錐頂太鈍，切削破巖效果變差，而錐頂角小于45°時(shí)，“犁削型”齒的錐頂部分相對太薄而容易斷裂，影響鉆頭壽命。而“犁削型”齒的錐頂角范圍為45°到80°之間時(shí)，其工作時(shí)的抗沖擊性和耐磨性較好。

作為選擇，“犁削型”齒正切削角度為5°～65°。該方案中，“犁削型”齒在工作時(shí)沿運(yùn)動(dòng)方向的切向上，有兩處應(yīng)力最大區(qū)，分別位于“犁削型”齒正前方偏兩側(cè)，其犁削作用明顯；而且“犁削型”齒在犁削過程中兩側(cè)對巖石也會(huì)產(chǎn)生擠壓作用，多個(gè)“犁削型”齒同時(shí)破巖過程中還會(huì)產(chǎn)生“相鄰”效應(yīng),這種“相鄰”效應(yīng)使得巖脊再次被固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒切削時(shí)變得更容易破碎。

作為選擇，所述“犁削型”齒為錐形齒，即切削齒出露牙輪的部分為錐尖圓弧過渡的圓錐面的切削齒。犁削方式破巖時(shí)要求所用切削齒既不能太尖銳也不能太鈍，太尖銳時(shí)切削齒容易磨損，太鈍時(shí)切削齒的破巖方式會(huì)發(fā)生改變并且磨損也會(huì)加劇。錐形齒以犁削方式破巖時(shí)，巖石表面破碎形狀為倒“Λ”形，能很好的控制切削齒的磨損與破巖方式，很好的滿足了犁削破巖的要求。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪軸線與鉆頭軸線之間的距離與鉆頭直徑的比值范圍在0.05-0.25之間。該方案中，所述轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪軸線與鉆頭軸線之間的距離與鉆頭直徑的比值越大，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪自轉(zhuǎn)速度越慢，則轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的相對比值越低。通過設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪在相對于鉆頭體不同的位置和角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪上牙齒的不同布置方式，可以方便的控制和改變轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪與鉆頭的輪頭速比。復(fù)合鉆頭工作時(shí)，不同的輪頭速比使轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪在鉆進(jìn)過程中的切削巖石效果不同，本復(fù)合鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪自轉(zhuǎn)的主要目的不是使切削齒產(chǎn)生沖擊力，而是使“犁削型”齒交替工作，均勻磨損。而小的輪頭速比使鉆頭軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅度較小，減小了鉆頭的軸向震動(dòng)，在硬地層中鉆進(jìn)時(shí)，牙輪軸承受到的周期性動(dòng)載荷沖擊也相應(yīng)減小，不容易出現(xiàn)疲勞失效。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪通過牙爪設(shè)置在鉆頭體上，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪與牙爪轉(zhuǎn)動(dòng)連接，牙爪與鉆頭體固定。該方案中，所述轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪通過牙爪直接固定安裝在鉆頭體上，其軸向載荷通過牙爪直接傳遞到鉆頭體上，該結(jié)構(gòu)承載能力好，增加了鉆頭工作的可靠性。此安裝方式的技術(shù)成熟，可降低鉆頭的生產(chǎn)成本。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)連接在固定切削結(jié)構(gòu)上。該方案中，由于牙輪的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)，它帶有一套潤滑系統(tǒng)，而潤滑系統(tǒng)的安裝會(huì)影響整個(gè)復(fù)合鉆頭的尺寸。而本結(jié)構(gòu)中潤滑系統(tǒng)可植入固定切削結(jié)構(gòu)，從而使復(fù)合鉆頭結(jié)構(gòu)尺寸更加自由。另外，在小尺寸鉆頭中由于空間有限，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪通過牙爪設(shè)置在固定切削結(jié)構(gòu)上有利于牙輪的軸偏移設(shè)計(jì)和鉆頭的整體結(jié)構(gòu)尺寸與水力結(jié)構(gòu)，而且增大了排削槽體積，并且可以避免鉆頭工作時(shí)牙爪背的磨損。

作為選擇，固定切削結(jié)構(gòu)為固定刀翼，其上切削齒為PDC齒。該方案中，采用最常見的固定切削結(jié)構(gòu)：固定刀翼+PDC齒。

前述本實(shí)用新型主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本實(shí)用新型可采用并要求保護(hù)的方案；且本實(shí)用新型，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，均為本實(shí)用新型所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪設(shè)置在牙爪上的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1復(fù)合鉆頭的俯視圖；

圖3為本實(shí)用新型鉆頭牙輪上“犁削型”齒“犁削”巖石時(shí)的示意圖(切向)；

圖4為本實(shí)用新型鉆頭牙輪上“犁削型”齒“犁削”巖石時(shí)的“相鄰效應(yīng)”示意圖；

圖5為本實(shí)用新型鉆頭牙輪上“犁削型”齒與固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒的徑向井底覆蓋示意圖；

圖6為本實(shí)用新型鉆頭牙輪上”犁削型”齒與固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒的井底切削軌跡示意圖；

圖7為本實(shí)用新型鉆頭牙輪上“犁削型”齒“犁削”巖石時(shí)的正切削角α示意圖；

圖8為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪設(shè)置在固定切削結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本實(shí)用新型“犁削型”齒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本實(shí)用新型“犁削型”齒的特征型面A的示意圖；

圖11為本實(shí)用新型“犁削型”齒的特征面B的示意圖；

其中1為鉆頭體、2為固定切削結(jié)構(gòu)、3為牙爪、4為轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪、9為井底切削面、10為鉆頭、41為“犁削型”齒、21為固定切削結(jié)構(gòu)的切削齒、22為分型面、23為安裝固定部分、24為犁削部分。

具體實(shí)施方式

下列非限制性實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型。

如圖1至圖4所示，圖3中a為斷裂體，b為碎裂體，c為密實(shí)核，d為徑向裂紋，圖4中X為破碎區(qū)域。一種交替犁削與刮切方式聯(lián)合破巖的復(fù)合鉆頭10，主要包括：鉆頭體1、帶有切削齒21的固定切削結(jié)構(gòu)2和至少一個(gè)與復(fù)合鉆頭10轉(zhuǎn)動(dòng)連接的轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4，如圖1、2所示，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4通過牙爪3設(shè)置在鉆頭體1上，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4與牙爪3轉(zhuǎn)動(dòng)連接，牙爪3與鉆頭體1固定；或者如圖8所示，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4直接轉(zhuǎn)動(dòng)連接在固定切削結(jié)構(gòu)2(固定刀翼)上，代替將轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4通過牙爪3設(shè)置在鉆頭體1上。轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4上的切削齒為“犁削型”齒41，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4相對鉆頭體1可以自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4相對鉆頭體1中心有一定的軸偏移，使得轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4上的“犁削型”齒41交替著以犁削的方式破巖，“犁削型”齒41的犁削破巖方式與固定切削結(jié)構(gòu)2上的切削齒21的剪切破巖方式相聯(lián)合進(jìn)行破巖。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4與帶有切削齒21的固定切削結(jié)構(gòu)2交替設(shè)置在鉆頭10上，如圖1、2、8所示，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4與兩個(gè)帶有切削齒21(PDC齒)的固定切削結(jié)構(gòu)2(固定刀翼)交替設(shè)置。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4軸線與鉆頭10軸線之間的距離與鉆頭10直徑的比值范圍在0.05-0.25之間。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4上的齒圈與所述固定切削結(jié)構(gòu)2上的切削齒21在鉆頭10徑向上非同軌布置，如圖5所示，以此兩者的切削軌跡不同軌。轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4上的“犁削型”齒41與固定切削結(jié)構(gòu)2上的切削齒21的切削軌跡交替交錯(cuò)，形成交替式網(wǎng)狀切削區(qū)域。如圖6所示。

作為選擇，轉(zhuǎn)動(dòng)牙輪4各齒圈上的“犁削型”齒41井底軌跡不淺于所述固定切削結(jié)構(gòu)2上與之相鄰切削軌跡的切削齒21的切削軌跡。

“犁削型”齒具有特征型面A和特征面B，特征型面A為齒的中心對稱剖面(即過齒頂最高點(diǎn)的某一縱斷面，該縱斷面將犁削部分剖分成左右對稱的兩部分)，齒在該面的正交面方向的投影為特征面B(即與特征型面A垂直的另一縱斷面)，參見圖9、10、11。

特征型面A具有包括以下幾何特征：

a.齒底往上至分型面22為安裝固定部分23(即安裝固定于牙輪內(nèi)的不出露部分)，齒頂往下至分型面22為犁削部分24(即出露于牙輪外的出露部分)；

b.從分型面22到齒頂方向，犁削部分24的曲線呈楔形收斂；

c.犁削部分24兩側(cè)曲線其駐點(diǎn)切線在收斂方向所成夾角ɑ在45°～80°；

d.犁削部分24曲線其齒尖部分為圓弧，圓弧寬度D不大于6mm，圓弧半徑R范圍2mm～5mm；

特征面B具有包括以下幾何特征：

a.從分型面22到齒頂方向，犁削部分24的曲線呈錐形；

b.錐形的錐頂角β范圍為45°～90°，更進(jìn)一步優(yōu)選45°到80°之間。

作為優(yōu)選，如圖1-8所示，“犁削型”齒41為錐形齒，即切削齒出露牙輪的部分為錐尖圓弧過渡的圓錐面的切削齒。圖9-11中展示了一種優(yōu)選的“犁削型”齒，該齒具有相對規(guī)則的圓錐形的犁削部分24，具有一犁削部分24曲線為非對稱圖形的特征型面A，如圖10所示，特征型面A朝右側(cè)彎曲。

“犁削型”在布置時(shí)，優(yōu)選“犁削型”齒41正切削角度α(即布齒時(shí)使犁削部分朝向井底切削面9并沿切削方向向前傾斜，使得齒頂方向與垂直井底切削面的方向形成一夾角α，該夾角α即為本專利的正切削角度α。對于錐形齒而言，即齒的軸線x與井底切削面9的垂線y之間的夾角α)為5°到65°之間。如圖7所示。

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)。