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，具體的講涉及一種以切削方式破巖的復(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。現(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，牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用。巖石的抗壓強(qiáng)度較抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均要高得多，三牙輪鉆頭利用牙齒對巖石的沖壓作用來破巖，能量利用率不高，破巖效率相對較低。特別是在深部地層鉆進(jìn)時(shí)，在高密度鉆井液作用條件下井底的巖屑?jí)撼中?yīng)十分明顯，牙齒難以壓入地層并形成有效的破碎。軸承壽命低是制約三牙輪鉆頭使用壽命的主要因素之一。由于三牙輪鉆頭是以沖擊壓碎的形式破巖，軸承受到的沖擊大，載荷幅值高，加之軸承轉(zhuǎn)速相對較快，因此三牙輪鉆頭的軸承壽命較短。現(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11，如圖21所示，凹坑11沿圓周方向和半徑方向的長度均很短。

單牙輪鉆頭軸承尺寸較大，牙輪轉(zhuǎn)速低，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。

現(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。現(xiàn)有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭，作為切削元件的聚晶金剛石復(fù)合片(即PDC齒，亦簡稱齒)按照一定的規(guī)律布置并固結(jié)在鉆頭本體上，構(gòu)成PDC鉆頭破碎巖石的切削結(jié)構(gòu)。為了及時(shí)將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帶至地面，同時(shí)也為了清洗鉆頭和冷卻切削齒，PDC鉆頭上還需具有水力結(jié)構(gòu)。水力結(jié)構(gòu)通常由鉆頭內(nèi)流道、外流道和噴射孔組成。噴射孔又稱噴嘴，可以是直接設(shè)置在鉆頭本體上的固定式噴嘴，也可以是安裝在鉆頭上的可替換式噴嘴。為了使鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的工作效果，在設(shè)計(jì)、制造鉆頭時(shí)，通常按照一定的規(guī)律將PDC齒分成若干組，同組的PDC齒固結(jié)在同一個(gè)齒座上，每個(gè)齒座以及分布于其上的PDC齒構(gòu)成一個(gè)切削結(jié)構(gòu)單元，稱為刀翼(齒座為刀翼體)。刀翼之間的溝槽就形成了鉆頭的外流道。這種鉆頭為刀翼式PDC鉆頭。刀翼式PDC鉆頭是PDC鉆頭的主要結(jié)構(gòu)類型。

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潭ǖ耐膱A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。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型的目的是提供一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭，鉆頭由大偏移角轉(zhuǎn)輪切削單元和固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，大偏移角轉(zhuǎn)輪切削單元使轉(zhuǎn)輪上的切削齒以刮切方式交替破碎巖石，固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒與轉(zhuǎn)輪上的切削齒共同作用，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：

一種以切削方式破巖的復(fù)合式鉆頭，包括鉆頭本體、轉(zhuǎn)輪，所述鉆頭本體上具有輪掌，所述轉(zhuǎn)輪安裝在所述輪掌的軸頸上，與輪掌形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在所述轉(zhuǎn)輪上布置有外排切削齒圈，所述轉(zhuǎn)輪的偏移角α的范圍是20°≤|α|≤90°，在所述鉆頭本體上設(shè)置有包含固定切削齒的固定切削結(jié)構(gòu)。