一種適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，鉆頭上還設(shè)有沖擊切削結(jié)構(gòu)和沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)上布置有沖擊切削齒，至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。這種結(jié)構(gòu)特征可使鉆頭以異步切削方式工作，不僅能增加鉆頭的縱向磨損長(zhǎng)度，延長(zhǎng)鉆頭壽命，而且能使鉆頭在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程都處于高比壓鉆進(jìn)狀態(tài)，增強(qiáng)鉆頭侵入巖石的能力，從而使鉆頭在難鉆地層的鉆速和壽命都得到提高。
【專利說(shuō)明】
一種適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)鉆探、隧道工程、水文、盾構(gòu)及非開(kāi)挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鉆進(jìn)鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，常用的有PDC鉆頭、牙輪鉆頭和沖旋鉆頭。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、能自銳的聚晶金剛石復(fù)合片來(lái)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(zhǎng)，鉆進(jìn)成本低，在鉆井工程中得到廣泛使用。現(xiàn)有的以roc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(對(duì)PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復(fù)合片，簡(jiǎn)稱復(fù)合片或PDC齒)ο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。牙輪鉆頭以沖擊壓碎的方式破巖，在井底形成較深的破碎齒坑。當(dāng)?shù)貙虞^硬時(shí)，不能使巖石產(chǎn)生體積破巖，從而降低能量的利用率，破巖效率較低。沖旋鉆頭是沖旋鉆井中配合潛孔沖擊器(潛孔錘)使用的固定齒破巖工具。沖旋鉆頭的破巖機(jī)理與牙輪鉆頭的壓碎機(jī)理以及roc鉆頭的切削機(jī)理均具有顯著區(qū)別。沖旋鉆頭的依靠牙齒的瞬間沖擊力實(shí)現(xiàn)對(duì)井底巖石的破碎。沖旋鉆頭的上端連接著潛孔沖擊器，工作時(shí)其沖錘在循環(huán)流體的作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)撞擊鉆頭，給牙齒提供沖擊載荷。通常情況下，沖旋鉆頭在脆性地層特別是較硬地層鉆進(jìn)時(shí)，能取得較高的破巖效率。
[0003]西南石油大學(xué)提交的中國(guó)專利“一種刮切一沖擊復(fù)合式鉆頭”(專利號(hào):2012101255406.8)中，在鉆頭固定切削結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了沖擊切削結(jié)構(gòu)和沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)，充分利用沖擊破巖方式的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)沖擊切削結(jié)構(gòu)對(duì)巖石的破碎和損傷，增進(jìn)鉆頭切削齒對(duì)巖石的吃入，提尚破巖效率，從而達(dá)到提尚鉆頭在尚強(qiáng)度、尚研磨性或強(qiáng)非均質(zhì)性等難鉆地層的工作能力。此外，通過(guò)傳力機(jī)構(gòu)傳遞的沖擊力只作用在沖擊切削結(jié)構(gòu)上，而固定刀翼上的切削齒不會(huì)受到?jīng)_擊力的作用，在提高破巖效率的同時(shí)，能夠保證切削齒具有較長(zhǎng)的工作壽命。本發(fā)明中的沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)，與上訴專利相同。
[0004]但是，在包括上述專利技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)中，固定切削齒所在的刀翼均按照同步切削原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即每個(gè)刀翼上不同徑向位置的切削齒同時(shí)或同步(或基本同時(shí)、基本同步)進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始切削井底巖石，并同時(shí)開(kāi)始發(fā)生磨損。新鉆頭在理想工作狀態(tài)下(鉆頭中心與井眼中心重合的穩(wěn)定鉆進(jìn)狀態(tài))鉆削巖石時(shí)，同時(shí)參與刮切巖石的所有切削齒均為主切削齒，主切削齒是鉆頭破碎巖石的主要切削元件，通常被設(shè)置在各刀翼的前側(cè)，以利于達(dá)到更好的冷卻和清洗效果。除了切削齒以外，還可根據(jù)需要在鉆頭上設(shè)置后備切削齒(即當(dāng)主切削齒磨損到一定程度后才投入工作的切削齒，如后排齒等)和輔助切削結(jié)構(gòu)(主要指幫助主切削齒破巖的結(jié)構(gòu)，如錐齒，或保護(hù)切削齒作用的緩沖結(jié)構(gòu)，如緩沖節(jié)或緩沖齒等)O
[0005]在鉆頭設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常會(huì)任意確定一個(gè)通過(guò)鉆頭中心軸線的平面作為布齒軸面(亦簡(jiǎn)稱為軸面)，鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置均能在該軸面上得到準(zhǔn)確的表達(dá)。當(dāng)鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削齒的齒刃輪廓線與軸面相交形成交線，該交線為切削齒的軸面輪廓線，再將鉆頭上所有主切削齒(或若干指定刀翼或盤刀上的所有主切削齒)的軸面輪廓線匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖(或若干指定刀翼或盤刀的軸面布齒圖)。因?yàn)檩S面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對(duì)井底巖石的覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡(jiǎn)稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。
[0006]在鉆頭的井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，即為鉆頭的切削輪廓線(也即鉆頭的冠部輪廓線)，如圖3所示，為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)roc鉆頭的井底覆蓋圖，其中，標(biāo)記為R的水平方向?yàn)殂@頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向?yàn)殂@頭軸向，標(biāo)號(hào)11的曲線即為現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭的切削輪廓線。
[0007]在鉆頭的井底覆蓋圖中，若僅將某個(gè)指定刀翼或盤刀上的切削齒表示出來(lái)，而將其它刀翼或盤刀上的切削齒隱去，就形成了該刀翼或盤刀的軸面布齒圖。在刀翼或盤刀的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，該包絡(luò)線則稱之為該刀翼或盤刀的切削輪廓線。刀翼的切削輪廓線反映了當(dāng)?shù)兑砩现髑邢鼾X分布足夠密(能完全覆蓋該刀翼所在的井底徑向區(qū)域)時(shí)，該刀翼所獨(dú)立切削出的井底的基本或理想輪廓形狀特征。
[0008]若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則對(duì)某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個(gè)以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面，該回轉(zhuǎn)曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線，如圖3或12所示，其中標(biāo)號(hào)為32的曲線，即為刀翼的本體輪廓線。同樣地，盤刀的本體輪廓線也是如此。通常情況下，由于布置在刀翼布齒面上的主切削齒的出露高度是相同或相近的(臨近規(guī)徑面的區(qū)域除外)，所以刀翼的切削輪廓線與其本體輪廓線的形狀基本呈平行狀態(tài)，僅在臨近規(guī)徑的區(qū)域可能有明顯差異。因此，基于實(shí)現(xiàn)同步切削原理的需要，現(xiàn)有技術(shù)中鉆頭各個(gè)刀翼的本體輪廓線是互相重合或基本重合的。換言之，理論上鉆頭各刀翼的本體輪廓線均在同一個(gè)以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面上，因而它們都是相同的一條曲線或相同曲線上的一段。這種特征可稱之為鉆頭各刀翼本體輪廓線的一致性或共線性。顯然，這種一致性或共線性不僅存在于各刀翼的本體輪廓線，而且對(duì)各刀翼的切削輪廓線也是成立的。正是這一結(jié)構(gòu)特征，使得固結(jié)在鉆頭各刀翼上的主切削齒能夠同時(shí)或同步切削井底巖石，進(jìn)而形成井筒。
[0009]現(xiàn)有的具有同步切削原理的roc鉆頭在面對(duì)復(fù)雜難鉆地層(高硬度、高研磨性乃至含礫石層、夾層等不均質(zhì)地層)時(shí)，不僅鉆進(jìn)效率受到限制，其使用壽命也不理想。其主要原因是:第一，為了保證鉆頭在硬地層鉆進(jìn)時(shí)能夠具備較強(qiáng)的吃入或侵入巖石表面的能力，就需要采用尺寸(直徑)較小的切削齒，然而小直徑切削齒的出露高度小，可磨損高度顯著低于大直徑切削齒，但此時(shí)切削齒的磨損速度卻更快，因此就形成了一個(gè)難鉆地層鉆頭設(shè)計(jì)中難以解決的矛盾:若采用大直徑切削齒，切削齒難以侵入巖石(特別是發(fā)生一定程度磨損以后)，鉆頭破巖效率低;若采用小直徑切削齒，切削齒的工作壽命又不夠。第二，鉆頭在硬地層、不均質(zhì)地層中鉆進(jìn)時(shí)切削齒常常受到較強(qiáng)的沖擊載荷，易發(fā)生少量甚至個(gè)別切削齒的脫落、斷裂、碎裂、金剛石層的崩裂等快速失效現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，將引發(fā)臨近區(qū)域切削齒因工作負(fù)荷增加而導(dǎo)致的連鎖失效，繼而產(chǎn)生環(huán)切現(xiàn)象，即鉆頭在該徑向區(qū)域內(nèi)的切削齒的出露部分被全部或大部分磨掉，并進(jìn)而在鉆頭各刀翼本體上磨出環(huán)形槽。環(huán)切現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，鉆頭上各刀翼的本體均直接與巖石形成面接觸，即便刀翼上的切削齒尚未全部磨完，但由于比壓嚴(yán)重降低，所以鉆頭的破巖效率會(huì)顯著下降。所以，當(dāng)鉆頭上磨出環(huán)槽后，一般就認(rèn)為鉆頭已喪失或接近喪失切削能力，不僅不能再入井使用，嚴(yán)重時(shí)甚至連修復(fù)(更換或翻新已磨損的切削齒)都難以實(shí)施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于:提出一種適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，能顯著提升鉆頭在復(fù)雜應(yīng)用條件、難鉆地層，特別是高硬度、高研磨性、高不均質(zhì)性等地層條件下的工作性會(huì)K。
[0011 ]本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0012]—種適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，鉆頭本體上還設(shè)有沖擊切削結(jié)構(gòu)和沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)上布置有沖擊切削齒，沖擊切削結(jié)構(gòu)能夠相對(duì)于鉆頭本體滑移，至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域(或稱為異廓區(qū)域)，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域(或稱為同廓區(qū)域)。
[0013]對(duì)于本發(fā)明所涉及的鉆頭本體、刀翼、刀翼布齒面、水眼、噴嘴、刀翼本體輪廓線，乃至第一組切削齒和沖擊切削結(jié)構(gòu)及其沖擊切削齒，為本領(lǐng)域公知的概念，在此不做贅述，可以參考如圖1、2、19所示，為本發(fā)明鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I為鉆頭本體、2為沖擊切削結(jié)構(gòu)、221為沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)、21為沖擊切削齒、3為刀翼、33為刀翼布齒面、41為第一組切削齒、61為水眼或噴嘴;如圖12所示，為本發(fā)明中各刀翼本體輪廓線示意圖(圖12為圖1鉆頭各刀翼本體輪廓線在覆蓋圖中形狀和位置)，其中，32為刀翼本體輪廓線。
[0014]在現(xiàn)有的技術(shù)中，鉆頭上所有刀翼的本體輪廓線均在同一個(gè)以鉆頭中心軸線為軸線的回轉(zhuǎn)曲面上，因而它們都屬于相同的一條曲線，或各為相同曲線上的一段。但在本發(fā)明中，各刀翼可以具有獨(dú)立的、不隸屬于同一回轉(zhuǎn)曲面的刀翼本體輪廓線，且至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)具有不重合區(qū)域(以下稱為異廓區(qū)域)和重合點(diǎn)或重合區(qū)域(以下統(tǒng)稱為同廓區(qū)域，包含重合點(diǎn)和重合區(qū)域)。
[0015]值得說(shuō)明的是，刀翼的覆蓋范圍(也即刀翼的徑向切削工作范圍或區(qū)域)是指刀翼上最內(nèi)側(cè)切削齒與最外側(cè)切削齒之間的徑向范圍。也可以用刀翼輪廓線起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的徑向范圍作為刀翼的覆蓋范圍。本文中所述的共同覆蓋范圍，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上刀翼相重疊的(即共同負(fù)責(zé)的)徑向工作區(qū)域，如圖8(a)雙向箭頭所指區(qū)域的共同覆蓋范圍a和圖8(b)所示的雙向箭頭所指區(qū)域的共同覆蓋范圍b，其中圖8(a)所示為同一鉆頭上一個(gè)長(zhǎng)刀翼(主刀翼)和一個(gè)短刀翼(副刀翼)的本體輪廓線示意圖，圖8(b)所示為同一鉆頭上兩個(gè)長(zhǎng)刀翼(主刀翼)的本體輪廓線示意圖，顯然，圖8(a)和圖8(b)所表示刀翼共同覆蓋范圍是不同的。進(jìn)一步地，各刀翼本體輪廓線在其共同覆蓋范圍內(nèi)的重合點(diǎn)可以是各曲線的交點(diǎn)，也可以是曲線之間的切點(diǎn)，如圖8(a)中陰影部分34所示的交點(diǎn)和切點(diǎn)；各刀翼本體輪廓線在其共同覆蓋范圍內(nèi)的重合區(qū)域即為各刀翼本體輪廓線重合或基本重合的部分，如圖8(a)、圖8(b)中陰影部分34所示的重合區(qū)域;另一方面，在共同覆蓋范圍內(nèi)，刀翼本體輪廓線上除開(kāi)重合點(diǎn)和重合區(qū)域(亦稱為同廓區(qū)域)的部分即為刀翼本體輪廓線的不重合區(qū)域(亦稱為異廓區(qū)域)。除重合點(diǎn)外，不重合區(qū)域以及重合區(qū)域的寬度定義為其沿鉆頭徑向所占寬度。
[0016]刀翼上的第一組切削齒通常沿著刀翼的本體輪廓線布置，并形成相應(yīng)的刀翼切削輪廓線。按以上所述，現(xiàn)有鉆頭技術(shù)中，各個(gè)的刀翼切削輪廓線在井底覆蓋圖中重合為同一曲線，同時(shí)，這條曲線也是整個(gè)鉆頭的切削輪廓線，且與刀翼的本體輪廓線平行或基本平行。而本發(fā)明中具有若干不重合區(qū)域的各刀翼本體輪廓線將會(huì)自然形成具有若干不重合區(qū)域的刀翼切削輪廓線，如圖4所示，由兩個(gè)刀翼組成的鉆頭覆蓋圖中P是重合區(qū)域，N是不重合區(qū)域。另一方面，按照前文所述的定義內(nèi)容，鉆頭切削輪廓線實(shí)際上就是各刀翼切削輪廓線在同一軸面內(nèi)的率先與地層接觸區(qū)域的疊加，如圖4、13，標(biāo)號(hào)11即為鉆頭切削輪廓線，標(biāo)號(hào)31為刀翼切削輪廓線。綜合起來(lái)，若某一個(gè)刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)同時(shí)具有若干個(gè)異廓區(qū)域和若干個(gè)同廓區(qū)域，則該刀翼的切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線在部分區(qū)域不重合(稱為異步切削區(qū)域，以下簡(jiǎn)稱異步區(qū)域)，而在另一部分區(qū)域(包括一個(gè)點(diǎn)或一段曲線)相重合或基本重合(稱為同步切削區(qū)域，以下簡(jiǎn)稱同步區(qū)域)。顯然，刀翼本體輪廓線的異廓區(qū)域?qū)?yīng)于刀翼切削輪廓線的異步區(qū)域，同廓區(qū)域則與同步區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
[0017]在工作原理上，具有異步區(qū)域的刀翼相比常規(guī)同步切削刀翼的不同之處在于:刀翼上并非所有齒同時(shí)參與工作，而是僅有部分切削齒(同步區(qū)域的切削齒)參與工作，等這些切削齒磨損到一定程度以后，其它區(qū)域(異步區(qū)域的切削齒)的切削齒才能接觸到巖石并開(kāi)始切削巖石工作。顯然，具有這種切削齒分階段工作特點(diǎn)的刀翼稱之為異步切削刀翼(簡(jiǎn)稱異步刀翼)，在承擔(dān)的鉆壓相同時(shí)，相比于具有現(xiàn)有技術(shù)(刀翼上不同徑向位置的切削齒均同時(shí)或同步的參與切削巖)，作用于巖石的比壓高。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡(jiǎn)稱增壓效用)越顯著，如果鉆頭全部刀翼都采用具有異步切削特點(diǎn)的刀翼，其增壓效用更加突出，十分有利于提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力。對(duì)于常規(guī)鉆頭而言，刀翼切削輪廓與鉆頭切削輪廓相互重合或基本重合，刀翼上不同徑向位置的切削齒均同時(shí)或同步的參與切削巖石稱之為同步切削。包含異步刀翼的鉆頭稱為異步切削鉆頭(簡(jiǎn)稱異步鉆頭)。
[0018]如果鉆頭上某異步刀翼的切削輪廓線上只有單個(gè)點(diǎn)或者單個(gè)很窄的區(qū)域與鉆頭切削輪廓線相重合或基本重合，則意味著該刀翼的切削輪廓線在這個(gè)點(diǎn)或者很窄區(qū)域所在的位置上是外凸的，而刀翼其他位置的切削輪廓線則相對(duì)鉆頭切削輪廓線內(nèi)凹，顯然，只有在凸起部位的切削齒是從一開(kāi)始就工作，隨著這個(gè)或這些齒的不斷磨損，刀翼上處于內(nèi)凹部位的切削齒才逐漸開(kāi)始接觸并切削巖石。同樣，如果某異步刀翼的切削輪廓線上有若干個(gè)點(diǎn)或若干相互間斷的局部區(qū)域與鉆頭切削輪廓線相重合，則該刀翼的切削輪廓線在這些位置是局部外凸的，而其余區(qū)域則相對(duì)鉆頭切削輪廓線內(nèi)凹，故在鉆頭的鉆進(jìn)過(guò)程之初，只有這些外凸部位的切削齒在切削巖石，其余內(nèi)凹部位的切削齒則在外凸部位切削齒磨損至一定程度后才逐漸進(jìn)入切削巖石的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)同一刀翼上不同部位切削齒的分階段工作。顯然，異步刀翼實(shí)質(zhì)上就是具有局部切削特征的刀翼，當(dāng)?shù)兑沓袚?dān)的鉆壓相同時(shí)，這種刀翼在局部切削區(qū)域內(nèi)作用于巖石的比壓明顯高過(guò)常規(guī)刀翼。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡(jiǎn)稱增壓效用)越顯著。如果鉆頭全部刀翼都采用異步刀翼，則此時(shí)鉆頭可稱為全異步鉆頭，其增壓效用更加突出，十分有利于提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力。
[0019]與前述內(nèi)容相應(yīng)，異步刀翼上參與初始切削的局部區(qū)域，其切削輪廓線是外凸的，相應(yīng)位置的刀翼本體輪廓線自然也外凸，如圖9所示。進(jìn)一步，刀翼本體輪廓線上具有多個(gè)局部凸起時(shí)，使刀翼本體輪廓呈現(xiàn)峰巒起伏狀的形狀特征，如圖10、13、15、16所示。對(duì)兩個(gè)本體輪廓形狀不相同的異步刀翼而言，刀翼上的局部凸起越多，則在其共同覆蓋區(qū)域之內(nèi)，兩刀翼本體輪廓線之間的交叉或相交點(diǎn)就越多。若將鉆頭上多個(gè)異步刀翼的局部凸起位置交錯(cuò)分布，就能利用相互交疊的多個(gè)局部凸起完成對(duì)井底部分甚至全部徑向區(qū)域的覆蓋。在鉆井過(guò)程中，只要鉆頭上的凸起部分未被磨平，增壓效應(yīng)就不同程度地存在著。此外，局部凸起的高度可以顯著地高于切削齒的直徑(圓齒)或工作高度(非圓齒)，高差越大，不僅刀翼的增壓切削作用時(shí)效越長(zhǎng)，另一方面刀翼本體輪廓線的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，自然地同一刀翼上的布齒區(qū)域就越大，切削齒數(shù)量也就越多，齒數(shù)增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配，從而在增加了刀翼鉆進(jìn)比壓的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了異步鉆頭的工作壽命。
[0020]本發(fā)明中，通過(guò)刀翼本體輪廓線可以有效調(diào)節(jié)鉆頭的布齒密度，提高鉆頭適應(yīng)地層的范圍以及持續(xù)鉆進(jìn)能力。按本發(fā)明方案形成的梯次布齒可有效增加鉆頭的軸向可磨損體積，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。根據(jù)中國(guó)專利“一種刮切-沖擊復(fù)合式鉆頭”(專利號(hào):201220225028.1)所述，固定切削結(jié)構(gòu)和沖擊切削結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)，沖頭上的沖擊切削齒在沖擊力作用下以一定頻率不斷沖擊井底，配合鉆頭上的固定切削結(jié)構(gòu)共同完成對(duì)井底巖石的破碎。在兩套切削結(jié)構(gòu)共同作用的區(qū)域，沖擊切削齒的破巖作用使得該區(qū)域的固定切削齒吃入、切削巖石所需要的能耗明顯減少，提高破巖效率。
[0021]此外，來(lái)自上部沖擊發(fā)生器的沖擊力，通過(guò)傳力機(jī)構(gòu)只作用在沖擊切削結(jié)構(gòu)上，而沖擊切削結(jié)構(gòu)能夠相對(duì)鉆頭本體滑移，而不會(huì)傳遞到鉆頭本體乃至轉(zhuǎn)柱上，即不會(huì)對(duì)鉆頭本體和轉(zhuǎn)柱造成損傷，如圖2所示為沖擊力傳遞原理示意圖。
[0022]根據(jù)以上對(duì)本發(fā)明目的和原理的闡述，可以理解和確認(rèn)的是，本發(fā)明所界定的“刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域(或稱為異廓區(qū)域)”不應(yīng)該做絕對(duì)的理解，即不應(yīng)該把現(xiàn)有技術(shù)中可能存在的，某些無(wú)意識(shí)下或偶然下或出于與本發(fā)明毫不相關(guān)的其他目的下導(dǎo)致的刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線存在較小程度的不重合涵蓋在內(nèi)；本領(lǐng)域技術(shù)人員基于前述本發(fā)明目的和原理的闡述，根據(jù)掌握的現(xiàn)有技術(shù)、公知常識(shí)，對(duì)于所述“不重合區(qū)域”的程度顯然能夠正確理解，無(wú)需特別予以界定;通常而言，為了較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的“提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力”目的，這個(gè)不重合區(qū)域占整個(gè)共同覆蓋范圍區(qū)域的比例宜不小于25%。
[0023]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線，且所述各曲線外凸部分頂點(diǎn)沿鉆頭徑向的徑向位置不相同。
[0024]本方案中，刀翼本體輪廓線外凸區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上僅有一部分對(duì)應(yīng)于刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相重合的區(qū)域(同步區(qū)域)；而刀翼本體輪廓線上的其余區(qū)域?qū)?yīng)于刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線不重合的區(qū)域(異步區(qū)域)。兩個(gè)刀翼外凸部分的頂點(diǎn)的徑向位置不相同，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以使刀翼切削輪廓線在頂點(diǎn)相應(yīng)位置與鉆頭切削輪廓線相重合，此時(shí)兩個(gè)刀翼頂點(diǎn)及臨近位置的切削齒就成為初始參與工作的切削齒，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的切削齒(同步區(qū)域除外)暫不參加切削工作。這樣，作用在初始工作切削齒上的比壓高于常規(guī)鉆頭，有利于提高鉆頭侵入巖石的能力。本方案中，本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線實(shí)際上是單峰曲線，即刀翼本體輪廓線上僅存在一個(gè)凸起，如圖5所示。圖5(a)中所示的刀翼本體輪廓線為整體外凸的曲線，圖5(b)中所示的刀翼本體輪廓線為大部分外凸的曲線，標(biāo)號(hào)32c的曲線為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線，在此以虛線形式標(biāo)出，以便凸顯本發(fā)明中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線的特征。盡管刀翼本體輪廓為單峰曲線，若各刀翼本體輪廓曲線的局部凸起沿鉆頭徑向相互錯(cuò)開(kāi)，則這些刀翼仍然能具備異步區(qū)域。
[0025]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個(gè)局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。
[0026]與前述方案中僅有單個(gè)整體或大部分外凸的刀翼本體輪廓線不同，本方案中的刀翼本體輪廓線具有多個(gè)局部凸起，因此，各局部凸起的分布可以有不同的情況，如圖7所示。其中，圖7(a)所示為各局部凸起沿鉆頭徑向分布，且不同刀翼本體輪廓線上局部凸起沿鉆頭徑向(圖中箭頭A方向)部分或全部錯(cuò)開(kāi)；圖7(b)所示為各局部凸起沿鉆頭切削輪廓線分布，且不同刀翼本體輪廓線上局部凸起沿鉆頭切削輪廓線(圖中箭頭B方向)部分或全部錯(cuò)開(kāi)。值得說(shuō)明的是，圖7(a)和圖7(b)中所表示的局部凸起分布以及錯(cuò)開(kāi)方式僅為兩種較為典型的分布方式，但并不局限于該兩種方式。
[0027]上述方案中，刀翼本體輪廓線為具有一個(gè)或多個(gè)局部凸起的曲線，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以使刀翼切削輪廓線在局部凸起的頂點(diǎn)相應(yīng)位置與鉆頭切削輪廓線相重合，此時(shí)各刀翼局部凸起的頂點(diǎn)及臨近位置的切削齒就成為初始參與工作的切削齒，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的切削齒(同步區(qū)域除外)暫不參加切削工作。這樣的結(jié)構(gòu)使鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中，同一時(shí)刻刀翼上只有局部凸起的頂部的部分切削齒接觸井底，減小了鉆頭與巖石的接觸面積，切削齒上的比壓高于常規(guī)鉆頭，使鉆頭能有效的吃入地層；即使鉆頭發(fā)生磨損，造成部分切削齒被破壞，仍然會(huì)有其余未被磨損的部分切削齒相繼接觸井底，投入切削工作，保證鉆頭鉆進(jìn)全過(guò)程都是尚比壓，有利于鉆頭機(jī)械鉆速的提尚。
[0028]其次，起伏的刀翼本體輪廓線不僅使得同一刀翼本體輪廓線上的切削齒分階段參與破巖，也使其布齒長(zhǎng)度更長(zhǎng)，自然地同一刀翼上的布齒數(shù)量就更多，齒數(shù)增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配，從而在增加了刀翼鉆進(jìn)比壓的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了鉆頭的工作壽命。特別是刀翼的本體輪廓線上的局部凸起相互錯(cuò)開(kāi)，具有較佳的布齒效果，即可以形成局部凸起的交叉覆蓋(也可以理解為在縱向形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)，如圖14的心部區(qū)域)，明顯延長(zhǎng)切削齒的可磨損長(zhǎng)度。且在交叉覆蓋區(qū)域的切削齒仍然為暴露在刀翼外的表鑲齒，可保持鉆進(jìn)時(shí)的高比壓。此外，本方案中，也允許各曲線上的局部凸起在鉆頭的徑向位置重合。具有二級(jí)齒結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(200620033337.3)和具有獨(dú)立式縱向后備切削結(jié)構(gòu)的聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(200720082270.7)，均公開(kāi)了一種后備(二級(jí))齒結(jié)構(gòu)的I3DC鉆頭，其共同特點(diǎn)是后備齒均鑲嵌于主齒(基齒)之下的鉆頭體內(nèi)，即后備齒相對(duì)于鉆頭體向內(nèi)布置，從而在鉆頭縱向上形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)，但上述兩方案中的縱向后備齒均為內(nèi)鑲齒，是在初始接觸地層的第一組切削齒磨損殆盡后且本體有部分磨損后才開(kāi)始工作，在后備齒切削巖石的同時(shí)，刀翼本體已經(jīng)與地層發(fā)生大面積接觸，顯著地降低了后備切削齒作用于巖石的比壓，從而使鉆頭的鉆進(jìn)效率受到很大限制。
[0029]同時(shí)，刀翼上有若干個(gè)局部凸起的存在，增加了鉆頭的排肩空間，減少巖肩在切削齒附近的堆積，有利于切削齒的散熱與冷卻，減少切削齒的熱磨損，從另一方面提升了鉆頭的工作性能。
[0030]作為優(yōu)選，至少有40%數(shù)量的刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個(gè)局部凸起沿鉆頭徑向部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。
[0031]上述方案中，異廓的刀翼數(shù)量若保持在一定比例范圍，能夠更好、更科學(xué)地發(fā)揮異廓刀翼的異步切削作用。顯然，在該方案中40%的比例可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)非整數(shù)的結(jié)果，此時(shí)，根據(jù)常識(shí)的理解，需要進(jìn)行圓整:例如，鉆頭總共有6個(gè)刀翼，那么40%就是2.4，圓整為2個(gè)刀翼。
[0032]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線的不重合區(qū)域?qū)挾戎辽僬笺@頭半徑的四分之一。
[0033]上述方案中，異步區(qū)域范圍若保持在一定比例，能夠更好地發(fā)揮鉆頭的異步切削作用。增加異步區(qū)域的長(zhǎng)度能夠讓鉆頭各個(gè)區(qū)域內(nèi)切削齒的壽命相互匹配，達(dá)到降低鉆進(jìn)成本的目的。
[0034]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區(qū)域。
[0035]PDC鉆頭在外三分之一區(qū)域的切削齒磨損速度快，采用上述方案，異步區(qū)域能覆蓋鉆頭上切削齒失效速度快的區(qū)域，從而顯著提高鉆頭在這些部位的可磨損高度、增加切削結(jié)構(gòu)侵入巖石的能力，提升鉆頭壽命，降低鉆進(jìn)成本。
[0036]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之二半徑以內(nèi)的徑向區(qū)域。
[0037]在某些特殊工況下，如復(fù)合鉆井過(guò)程中，鉆頭運(yùn)動(dòng)條件復(fù)雜，不僅存在橫向振動(dòng)，而且存在擺振，且鉆頭可能處于與井眼中心線不平行的工作狀態(tài)。對(duì)于本發(fā)明復(fù)合鉆頭而言，在外部區(qū)域由盤刀與固定刀翼的共同工作區(qū)域，而心部區(qū)域相對(duì)比較薄弱，在這種條件下，鉆頭內(nèi)部區(qū)域的切削齒容易因偏載而發(fā)生快速磨損。由于PDC鉆頭的內(nèi)部區(qū)域齒數(shù)較少，所以，一旦個(gè)別齒失效，很容易發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部環(huán)切失效現(xiàn)象的發(fā)生，這種失效現(xiàn)象俗稱“掏心”現(xiàn)象。該方案中，將異步區(qū)域布置在鉆頭三分之二半徑以內(nèi)的區(qū)域，能夠顯著提高鉆頭在這些部位的可磨損高度，從而延長(zhǎng)了 PDC鉆頭在復(fù)合鉆井等特殊復(fù)雜工況下的使用壽命，減少甚至避免掏心現(xiàn)象的發(fā)生。
[0038]作為優(yōu)選，刀翼本體輪廓線的局部凸起形狀相似或相同，亦可以不相似或不相同。作為優(yōu)選，至少50%數(shù)量的刀翼本體輪廓線的局部凸起形狀相似或相同。顯然，在該方案中50%的比例可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)非整數(shù)的結(jié)果，此時(shí)，需要進(jìn)行圓整。例如，鉆頭總共有5個(gè)刀翼本體輪廓線，那么50 %就是2.5，圓整為2個(gè)刀翼本體輪廓線。
[0039]作為優(yōu)選，局部凸起的形狀可以為類似拋物線形，梯形，圓形，橢圓形等等，亦可以為它們之間的組合，如圖10所示。
[0040]作為優(yōu)選，所有刀翼本體輪廓線局部凸起的高度不低于8_。
[0041]作為優(yōu)選，所有刀翼本體輪廓線整體或大部分外凸的高度不低于8_。
[0042]上述方案中，首先對(duì)凸起區(qū)域的界點(diǎn)作如下闡述:對(duì)于整體外凸的區(qū)域，其凸起界點(diǎn)應(yīng)分別為刀翼本體輪廓線靠近鉆頭心部的端點(diǎn)以及刀翼本體輪廓線冠部與保徑區(qū)域的分界點(diǎn)，如圖11(a)中所示的點(diǎn)322;對(duì)于大部分外凸或局部凸起的區(qū)域，若整個(gè)凸起居于同一條平滑曲線的兩個(gè)波谷之間，那么這兩個(gè)波谷必有一條公切線以及分別兩個(gè)切點(diǎn)，這兩個(gè)切點(diǎn)即為其凸起界點(diǎn)，如圖11(b)中所示的點(diǎn)322;若整個(gè)凸起兩端為不同曲線段的非光滑連接點(diǎn)，則此連接點(diǎn)即作為該凸起的界點(diǎn)，如圖11 (C)中所示的點(diǎn)322;若某個(gè)凸起的一側(cè)為具有波谷的連續(xù)平滑曲線，另一側(cè)為前文所述的曲線段非光滑連接點(diǎn)，則該連接點(diǎn)首先作為其界點(diǎn)之一，另一界點(diǎn)即為自該點(diǎn)向凸起另一側(cè)平滑曲線段波谷處所作切線的切點(diǎn)，如圖11(d)中所示的點(diǎn)322。據(jù)此，某凸起(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的寬度定義為該凸起兩側(cè)界點(diǎn)連線之長(zhǎng)度，如圖11中所示的W，其高度則定義為凸起曲線上的點(diǎn)至兩側(cè)界點(diǎn)連線的最遠(yuǎn)距離，如圖11中所示的H，凸起曲線上取得該最遠(yuǎn)距離的點(diǎn)即為該凸起的頂點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，由于凸起的形狀可以有很多的變化情況，上述定義雖然只是針對(duì)有限的幾種凸起形狀做出的，但其基本精神同樣適用于不同形狀凸起(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的其它情況。本專利全文中涉及凸起的區(qū)域(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的計(jì)算均按此方法，不再重復(fù)。
[0043]作為優(yōu)選，異廓刀翼在鉆頭冠頂區(qū)域或鼻部區(qū)域的局部凸起高度大于其他區(qū)域。
[0044]在鉆頭穿越夾層、礫石層等不均質(zhì)地層條件時(shí)，鉆頭的鼻部、肩部往往承載大量破巖載荷、功耗，使得這些部位的切削齒快速磨損，進(jìn)而使鉆頭過(guò)早失效。該方案中，通過(guò)增高鉆頭冠頂區(qū)域或鼻部區(qū)域的局部凸起，不僅提升了鉆頭在這些部位的巖石吃入能力，也增加了其磨損長(zhǎng)度，從而在提升鉆進(jìn)效率的基礎(chǔ)上延長(zhǎng)了鉆頭壽命。
[0045]作為優(yōu)選，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，所述各曲線之間至少有一個(gè)局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本體輪廓線之間布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯(cuò)開(kāi)。
[0046]作為優(yōu)選，至少有一個(gè)刀翼同時(shí)具有前置刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼本體輪廓線，前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線。優(yōu)選，局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。
[0047]上述方案實(shí)質(zhì)上是將兩個(gè)異步刀翼的切削結(jié)構(gòu)合并在一個(gè)刀翼體上。該方案中，同一刀翼上沿兩條不同的刀翼本體輪廓線設(shè)置有至少兩排切削齒，因此可以不增加刀翼數(shù)量的條件下，增加鉆頭的布齒密度，強(qiáng)化鉆頭的異步切削結(jié)構(gòu)，同時(shí)也利于擴(kuò)大鉆頭的流道，更充分、有效地利用鉆頭工作空間，提高鉆頭的綜合性能。
[0048]作為優(yōu)選，至少有一個(gè)刀翼同時(shí)具有前置刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼本體輪廓線，前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，所述各曲線上至少有一個(gè)局部凸起相互重合或基本重合，且不同刀翼本體輪廓線之間布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯(cuò)開(kāi)。這樣能使鉆頭上特殊部位的異步切削結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)。
[0049]作為優(yōu)選，所述刀翼上設(shè)置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。
[0050]該方案中，相對(duì)于刀翼本體輪廓線其出露高度小于或等于零的第二組切削齒和空槽(包括內(nèi)置齒和內(nèi)置表鑲齒等)以混合的方式同時(shí)布置于刀翼體，不僅能大大增加刀翼的磨損長(zhǎng)度，也有效利用了刀翼體空間，在確保鉆進(jìn)比壓的同時(shí)，進(jìn)一步地延長(zhǎng)了鉆頭壽命。
[0051]作為優(yōu)選，刀翼本體輪廓線上整體或大部分外凸或局部凸起對(duì)應(yīng)的刀翼區(qū)域內(nèi)布置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。
[0052]該方案中，由于刀翼體的局部凸起鉆進(jìn)比壓高，切削齒布置數(shù)量較少，因此相對(duì)普通刀翼更容易磨損，這部分刀翼體磨損后，該區(qū)域設(shè)置空槽可使已磨損的切削齒在外部載荷下迅速脫離刀翼體，進(jìn)而暴露出空槽以及第二組切削齒，對(duì)已磨損區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，在保證了鉆頭使用壽命的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆頭切削巖石的能力進(jìn)行了更新。
[0053]作為優(yōu)選，對(duì)應(yīng)于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相切。
[0054]作為優(yōu)選，對(duì)應(yīng)于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線部分重合。
[0055]作為優(yōu)選，所述切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片、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。沖擊切削齒可以為硬質(zhì)合金齒、或用金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒。
[0056]前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案;且本發(fā)明，(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)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。
[0057]名詞解釋:
[0058]切削齒的出露高度:是指切削齒刃的最高點(diǎn)到刀翼本體輪廓線上的距離。出露高度可以是正、是負(fù)，也可以等于零，當(dāng)切削齒刃暴露于刀翼本體之外時(shí)，齒的出露高度為正值。
[0059]第一組切削齒:布置于刀翼體布齒面上出露高度大于零的切削齒。
[0060]第二組切削齒:布置于刀翼上，且相對(duì)于刀翼本體輪廓線出露高度小于或等于零的切削齒。內(nèi)鑲齒以及內(nèi)置表鑲齒等等均屬于第二組切削齒。
[0061]內(nèi)鑲齒:相對(duì)于刀翼本體輪廓線出露高度小于等于零的切削齒，切削齒除了切削工作平面以外的其它表面(主要是側(cè)面和底部端面)與刀翼體全面接觸，并依靠這種接觸關(guān)系實(shí)現(xiàn)切削齒的固結(jié)。即切削齒完全鑲嵌在刀翼體或鉆頭體內(nèi)，如圖17b所示。
[0062]空槽:設(shè)置于第一組切削下方的刀翼體上，可以為貫通槽，也可為非貫通的盲槽?？詹鄣淖饔靡皇强梢云鸬綔p小鉆頭磨損后刀翼本體所承擔(dān)的對(duì)切削巖石不利的無(wú)效鉆壓，二是為內(nèi)置表鑲齒提供了布齒空間。
[0063]內(nèi)置表鑲齒:固定于刀翼體上設(shè)置的空槽內(nèi)，并且其齒刃出露于其所在空槽表面的切削齒。當(dāng)內(nèi)置表鑲齒前方的第一組切削齒和刀翼本體完全磨損后，內(nèi)置表鑲齒能像第一組切削齒那樣以表鑲齒的高比壓方式切削巖石，使鉆頭的切削效率得到一定程度的恢復(fù)。內(nèi)置表鑲齒不像內(nèi)鑲齒那樣完全嵌入在刀翼體內(nèi)，如圖17a所示?？詹鄣脑O(shè)計(jì)使得施加于內(nèi)置表鑲齒的鉆壓不被其周圍的刀翼體吸收，亦即內(nèi)置表鑲齒的比壓不因附近刀翼體的存在而明顯降低，使得其工作條件與第一組切削齒一致或接近，亦即空槽內(nèi)切削齒附近的刀翼體不參與接觸巖石，從而使內(nèi)置表鑲齒工作時(shí)以表鑲形式切削巖石，因而其鉆進(jìn)比壓相對(duì)第一組切削齒而言沒(méi)有明顯降低，在保證切削齒吃入能力的同時(shí)，提高鉆頭的使用壽命O
[0064]布齒軸面或軸面:通過(guò)鉆頭中心軸線的平面，主要用于表達(dá)鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置，以及切削齒對(duì)井底巖石的覆蓋情況，以及井底的基本輪廓特征。
[0065]井底覆蓋圖:當(dāng)鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削齒的齒刃輪廓線與軸面相交形成交線，該交線為切削齒的軸面輪廓線，再將所有主切削齒的軸面輪廓線匯集在該軸面內(nèi)，就形成了鉆頭的軸面布齒圖。因?yàn)檩S面布齒圖能準(zhǔn)確反映鉆頭上切削齒對(duì)井底巖石的覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡(jiǎn)稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。
[0066]鉆頭切削輪廓線:在井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，即為鉆頭切削輪廓線。該曲線表征了鉆頭所鉆出井底的基本輪廓特征。
[0067]刀翼切削輪廓線:在鉆頭的井底覆蓋圖中，僅將某個(gè)指定刀翼上的切削齒表示出來(lái)，而將其它刀翼上的切削齒隱去，就形成了該刀翼的軸面布齒圖。在刀翼的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡(luò)曲線，該包絡(luò)線即為該刀翼的切削輪廓線。
[0068]刀翼本體輪廓線:在定義布齒軸面內(nèi)，若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，則對(duì)某一刀翼體而言，其前側(cè)面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉(zhuǎn)掃掠形成一個(gè)空間曲面，該空間曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線。
[0069]前置、后置刀翼本體輪廓線:若將兩個(gè)或更多的各自具有刀翼本體輪廓線的相鄰刀翼合并為同一刀翼，則合并后的刀翼體上就會(huì)出現(xiàn)多條刀翼本體輪廓線，這種情況下，沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向最前沿的稱為前置刀翼本體輪廓線，其余均為后置刀翼輪廓線。同一刀翼體上的相鄰刀翼本體輪廓線之間也可設(shè)置流道、水眼以及噴嘴等必要結(jié)構(gòu)。
[0070]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0071](I)本發(fā)明沖擊混合鉆頭中固定刀翼的本體輪廓線的不相同，可以有效調(diào)節(jié)鉆頭的布齒密度，提高鉆頭適應(yīng)地層的范圍以及持續(xù)鉆進(jìn)能力。
[0072](2)本發(fā)明沖擊混合鉆頭沖頭切削結(jié)構(gòu)以沖擊的機(jī)理破碎井底巖石，有利于固定刀翼上切削齒對(duì)巖石的有效吃入，提高破巖效率
[0073](3)本發(fā)明沿刀翼本體輪廓線布置的切削齒在井底覆蓋圖中形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)，能夠增加鉆頭的軸向磨損體積，延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。在第一級(jí)切削齒(主切削齒)發(fā)生磨損后，而暴露在外的次級(jí)切削齒能夠快速參與切削，并保持鉆進(jìn)的高比壓狀態(tài)。
[0074](4)本發(fā)明技術(shù)方案中鉆頭的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線不完全相同，而是部分重合或接觸，其他區(qū)域不接觸。本發(fā)明中這種具有異步切削特征的的刀翼，在承擔(dān)的鉆壓相同時(shí)，相比于具有同步切削特征的刀翼，作用于巖石的比壓明顯高。異步刀翼數(shù)越多，這種提升比壓的效用(簡(jiǎn)稱增壓效用)越顯著。
[0075](5)刀翼本體輪廓線由凸起部和凹陷部交替連接而成時(shí)。刀翼有凸起部與凹陷部的存在，增加鉆頭的排肩空間，減少巖肩在切削齒附近的堆積，有利于切削齒的散熱與冷卻，減少切削齒的熱磨損。
[0076](6)本發(fā)明減少鉆頭對(duì)地層條件的敏感性，拓寬單一鉆頭對(duì)地層的適應(yīng)范圍(從軟地層到硬地層)，在軟地層中，凸起附近的切削齒可以看做一個(gè)大的切削元件來(lái)刮切地層，獲得較高的機(jī)械鉆速和鉆井效率。在硬地層中，依靠全程高比壓和軸向多層可磨損體積，獲得較高的機(jī)械鉆速和使用壽命。
[0077](7)本發(fā)明技術(shù)能夠?qū)_擊混合鉆頭局部薄弱的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，使得沖擊混合鉆頭的可持續(xù)鉆進(jìn)能力得到進(jìn)一步提高。
【附圖說(shuō)明】
[0078]圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0079]圖2為沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)原理示意圖；
[0080]圖3現(xiàn)有鉆頭的布齒覆蓋圖；
[0081]圖4本發(fā)明中重疊區(qū)域和不重疊區(qū)域的原理示意圖；
[0082]圖5本體輪廓線整體外凸或大部分外凸的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0083]圖6刀翼的本體輪廓線為整體外凸的單峰曲線且不同刀翼的凸起部分的頂點(diǎn)在同一鉆頭軸面內(nèi)相互錯(cuò)開(kāi)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0084]圖7凸起沿徑向與鉆頭切削輪廓線方向錯(cuò)開(kāi)的示意圖；
[0085]圖8本發(fā)明中刀翼本體輪廓線共同覆蓋區(qū)域、重合點(diǎn)、重合區(qū)域以及不重合區(qū)域的示意圖。
[0086]圖9本體輪廓線局部凸起的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0087]圖10體輪廓線具有多個(gè)局部凸起且凸起形狀不同的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0088]圖11發(fā)明中凸起界點(diǎn)以及凸起寬度、凸起高度的定義示意圖；
[0089]圖12圖1的刀翼本體輪廓線在覆蓋圖中的形狀；
[0090]圖13圖1各刀翼的布齒圖；
[0091]圖14圖1的總體覆蓋圖；
[0092]圖15本發(fā)明第二實(shí)施例內(nèi)鑲齒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0093]圖16本發(fā)明第三實(shí)施例內(nèi)置表鑲齒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0094]圖17為內(nèi)置表鑲齒和內(nèi)鑲齒的剖視圖；
[0095]圖18本發(fā)明中不同內(nèi)置表鑲齒的區(qū)別示意圖；
[0096]圖19本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0097]圖20發(fā)明第六實(shí)施例各刀翼的布齒圖。
[0098]圖中:1、鉆頭本體；11、鉆頭切削輪廓線；2、沖擊切削結(jié)構(gòu)；21、沖擊切削齒；3、刀翼;31、刀翼切削輪廓線;32、刀翼的本體輪廓線;321、刀翼本體輪廓線的凸起部分;322、凸起界點(diǎn)；323、凸起頂點(diǎn)；33、刀翼布齒面;41、第一組切削齒;42a、內(nèi)置表鑲齒;42b、內(nèi)鑲齒；
5、空槽;61、水眼或噴嘴;221為沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0099]下列非限制性實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明。
[0100]實(shí)施例一
[0101]如圖1、2、12、13、14所示，一種具有異步切削原理的沖切復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體I，相對(duì)鉆頭本體I固結(jié)的刀翼3，以及布置在鉆頭本體I上的水眼或噴嘴61，刀翼3上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒41，刀翼3布齒面33上設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒41，鉆頭本體I上有沖擊力傳遞結(jié)構(gòu)221和沖擊切削結(jié)構(gòu)2，沖擊切削結(jié)構(gòu)上布置有沖擊切削齒21，在刀翼之間的流道中設(shè)置有水眼或噴嘴61，至少有一個(gè)刀翼3的本體輪廓線32(可以包含前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線)與至少另外一個(gè)刀翼3的本體輪廓線32在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。所述第一組切削齒41可以為聚晶金剛石復(fù)合片、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。沖擊切削齒21可以為硬質(zhì)合金齒，也可以為金剛石表面硬化的硬質(zhì)合金齒。
[0102]刀翼3的本體輪廓線可以是僅有一個(gè)整體或大部分外凸的單峰曲線，如圖5所示，也可以是如圖6所示的具有多個(gè)局部凸起的多峰曲線，其中，以圖3、5為例，標(biāo)記為R的水平方向?yàn)殂@頭徑向，標(biāo)記為Z的豎直方向?yàn)殂@頭軸向，本專利中鉆頭覆蓋圖、刀翼本體輪廓線圖等在鉆頭軸面內(nèi)表示的示意圖中所指的鉆頭徑向、軸向均應(yīng)如此理解，不再贅述。以鉆頭的鉆進(jìn)方向?yàn)榭v坐標(biāo)軸，徑向?yàn)闄M坐標(biāo)軸。整體或大部分外凸是指單個(gè)刀翼本體輪廓線上的整段或大部分(外凸部分寬度與鉆頭半徑之比大于1/2)是一條呈外凸形的曲線，該曲線由一個(gè)或多個(gè)外凸曲線段與一個(gè)或多個(gè)直線段連接而成?，F(xiàn)有roc鉆頭的本體輪廓曲線一般是由一個(gè)圓弧段和與之光滑連接的另一個(gè)不同的圓弧段或直線段構(gòu)成(如圖5中的虛線所示)，其外凸的頂部區(qū)域被稱為鉆頭的“冠頂”區(qū)域或鼻部區(qū)域?，F(xiàn)有PDC鉆頭所常用的本體輪廓曲線主要包括以下幾種類型(不計(jì)與鉆頭規(guī)徑相接處的小倒角):雙錐型:直線(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部)+直線(外肩部)；單圓弧型:直線(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部和外肩部)；雙圓弧型:直線(內(nèi)錐)+圓弧(鼻部)+圓弧(外肩部)。這幾類輪廓曲線都屬于整體或大部分外凸的情況，更具體地說(shuō)，均為整體外凸的單峰曲線。如圖5(a)、圖5(b)所示，其中圖5(a)中所示的刀翼本體輪廓線為整體外凸的曲線，圖5(b)中所示的刀翼本體輪廓線為大部分外凸的曲線，標(biāo)號(hào)32c的曲線為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線，在此以虛線形式標(biāo)出，以便凸顯本發(fā)明中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線的特征。圖7、圖8所示的幾種情況是鉆頭各刀翼本體輪廓線整體或大部分外凸部分的頂點(diǎn)的徑向位置不相同的參考例。
[0103]本發(fā)明中的局部凸起，是指設(shè)置在單個(gè)刀翼本體輪廓線上局部區(qū)域(外凸部分寬度與鉆頭半徑之比大于1/2)的凸起部分321，每一個(gè)凸起部分稱為一個(gè)局部凸起。構(gòu)成局部凸起的曲線可以是光滑曲線，也可以是非光滑曲線。如圖10(a)、(b)、(c)中所示的幾種情況，其中標(biāo)號(hào)32c的曲線為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)刀翼的本體輪廓線，以虛線形式標(biāo)出，以便凸顯本發(fā)明中所述的具有多個(gè)局部凸起的刀翼本體輪廓線的特征。作為示例，刀翼3的本體可以是僅有一個(gè)整體或大部分外凸的單峰曲線，如圖4、5、6所示，且凸起頂點(diǎn)323相互錯(cuò)開(kāi)，如圖
4、6所示。當(dāng)?shù)兑肀倔w由多個(gè)局部凸起組成時(shí)，局部凸起的形狀可以是連續(xù)的類拋物線如圖10(a)，也可以是多段曲線及圓弧組成的凸包形狀曲線，如圖10(b)，還可以是矩形，如圖10(C)，此外凸起的截面形狀還可以是梯形、橢圓形，菱形、正方形等折線形狀的凸起，以及其他形狀的曲線形式，在此僅列出其中較為典型的部分形式。
[0104]作為示例，當(dāng)?shù)兑?是具有多個(gè)局部凸起321的多峰曲線時(shí)，局部凸起的曲線可以是光滑曲線，也可以是非光滑曲線。在覆蓋圖中，各刀翼3在鉆頭徑向上相互錯(cuò)開(kāi)，如圖12所示。圖14為圖1的井底覆蓋圖，圖13為各個(gè)刀翼3的覆蓋圖，從圖中容易看出，各刀翼3的本體輪廓線32相互獨(dú)立，且各刀翼3的切削輪廓線32與鉆頭的切削輪廓線11僅在部分區(qū)域或點(diǎn)重合，各個(gè)刀翼3均具有異步切削功能。且在井底覆蓋圖中形成了交疊覆蓋(多級(jí)切削結(jié)構(gòu))，特別是在局部凸起321，暴露在刀翼體3外的切削齒相互交疊。當(dāng)率先與地層接觸的切削齒磨損后，暴露在外的次級(jí)切削結(jié)構(gòu)中的切削齒將很快參與切削，鉆頭鉆進(jìn)全過(guò)程都是尚比壓，有利于鉆頭機(jī)械鉆速的提尚。本方案中，也允許各刀翼本體輪廊線曲線上的凸起部分在鉆頭的徑向位置重合。
[0105]本發(fā)明沖擊混合鉆頭在工作時(shí)，沖擊切削結(jié)構(gòu)2在上端連接著潛孔沖擊器的反復(fù)沖擊下，通過(guò)傳力機(jī)構(gòu)221將沖擊力傳遞給沖擊切削齒21率先接觸井底巖石，并形成沖擊坑，弱化地層。其次，在刀翼上的金剛石切削齒容易吃入地層，并以較少的能耗破巖，提高了破巖效率。同時(shí)，具有異步切削能力的刀翼3，能夠保持鉆進(jìn)的全程高比壓，保證在混合鉆頭在延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命的同時(shí)，提高破巖效率。作為上述實(shí)施方案的進(jìn)一步改進(jìn)，同一刀翼3同時(shí)具備一條刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼輪廓線，且沿刀翼本體輪廓線和刀翼附加輪廓線固定有總共至少兩排第一組切削齒41。
[0106]實(shí)施例二
[0107]如圖15-18所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于，刀翼3上布置有第二組切削齒。在本發(fā)明中，凸起部分321布置的第一組切削齒41，是首先與地層接觸的切削齒，也最先磨損的切削齒。在凸起部分321布置內(nèi)鑲齒42a，能夠進(jìn)一步增加切削齒的可磨損體積，進(jìn)而延長(zhǎng)鉆頭壽命，如圖17b所示。此外，刀翼上還可以布置另一種形式的第二組切削齒(內(nèi)置表鑲齒42b)，內(nèi)置表鑲齒42b設(shè)置在空槽5內(nèi)，如圖17a所不。其中，空槽5可以是如圖18(a)中貫穿刀翼前后側(cè)面的通槽，也可以是如圖18(b)中凹入刀翼前側(cè)面的凹槽。作為進(jìn)一步優(yōu)選，刀翼3的凸起部分321(局部凸起)及其附近區(qū)域設(shè)置有空槽5及內(nèi)置表鑲齒42a，作為鉆頭的第二組切削齒，如圖15、16所示。
[0108]實(shí)施例三
[0109]如圖19所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一、二基本相同，不同之處在于，至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線32為具有局部凸起321的曲線，且各曲線的不重合區(qū)域分布于鉆頭的內(nèi)徑向三分之二區(qū)域。曲線是具有多個(gè)凸起部分321的多峰曲線，沿著刀翼本體輪廓線32布齒，在心部區(qū)域形成多級(jí)切削結(jié)構(gòu)。對(duì)于復(fù)合鉆頭來(lái)講，在復(fù)雜鉆井條件下，心部區(qū)域相對(duì)薄弱，容易造成切削齒的早期失效，進(jìn)而造成鉆頭的失效。本發(fā)明能夠很好的加強(qiáng)心部區(qū)域的切削能能力和使用壽命，有效避免心部環(huán)切或掏心失效現(xiàn)象，進(jìn)而延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。
[0110]實(shí)施例六
[0111]如圖20所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，其區(qū)別在于:所述刀翼3的本體輪廓線32為具有多個(gè)凸起部分321(局部凸起)的多峰曲線，不同刀翼的局部凸起在同一鉆頭軸面內(nèi)相互錯(cuò)開(kāi)，且對(duì)應(yīng)于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相切。上述任一刀翼的本體輪廓線32都不相同，所述刀翼3的本體輪廓線32上至少有兩個(gè)局部凸起，局部凸起的高度大于等于2_。
[0112]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)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，包括鉆頭本體、刀翼以及布置在鉆頭本體上的水眼或噴嘴，刀翼上設(shè)置有若干個(gè)第一組切削齒，刀翼布齒面設(shè)置凹窩用以固定第一組切削齒，鉆頭本體上還設(shè)有沖擊切削結(jié)構(gòu)和沖擊力傳遞機(jī)構(gòu)，沖擊切削結(jié)構(gòu)上布置有沖擊切削齒，沖擊切削結(jié)構(gòu)能夠相對(duì)鉆頭本體滑移，其特征在于:至少有一個(gè)刀翼的本體輪廓線與至少另外一個(gè)刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內(nèi)具有至少一個(gè)不重合區(qū)域，以及至少一個(gè)重合點(diǎn)或重合區(qū)域。2.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線，且所述各曲線外凸區(qū)域頂點(diǎn)沿鉆頭徑向的徑向位置不同。3.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:至少有兩個(gè)刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個(gè)局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個(gè)局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)。4.如權(quán)利要求3所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述曲線之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區(qū)域。5.如權(quán)利要求3所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述曲線之間相互錯(cuò)開(kāi)的局部凸起分布于鉆頭徑向三分之二半徑以內(nèi)的徑向區(qū)域。6.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述刀翼上設(shè)置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。7.如權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:刀翼本體輪廓線上整體或大部分外凸或局部凸起對(duì)應(yīng)的刀翼區(qū)域內(nèi)布置有至少一個(gè)出露高度小于或等于零的第二組切削齒，或者至少一個(gè)空槽或/和固定于空槽內(nèi)的第二組切削齒。8.如權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:刀翼的本體輪廓線整體或大部分外凸或局部凸起的高度不低于2_。9.如權(quán)利要求2至6中任一權(quán)利要求所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:具有整體或大部分外凸或局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯(cuò)開(kāi)的各刀翼在鉆頭冠頂區(qū)域或鼻部區(qū)域的局部凸起高度大于其他區(qū)域。10.如權(quán)利要求1所述的適用于難鉆地層的沖切復(fù)合鉆頭，其特征在于:沖擊切削齒為硬質(zhì)合金齒、或用金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒。
【文檔編號(hào)】E21B10/36GK106089087SQ201610626566
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月2日 公開(kāi)號(hào)201610626566.4, CN 106089087 A, CN 106089087A, CN 201610626566, CN-A-106089087, CN106089087 A, CN106089087A, CN201610626566, CN201610626566.4
【發(fā)明人】楊迎新, 張春亮, 林敏 , 黃奎林, 戚清亮, 王吉
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué), 成都為一石油科技有限公司