一种用于水平井和硬地层井的三牙轮钻头 |
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| 申请号 | CN201180072951.4 | 申请日 | 2011-09-28 | 公开(公告)号 | CN103781986B | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 江汉石油钻头股份有限公司; | 发明人 | 邵增元; 蒲斌; 樊孝兵; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于 水 平井和硬 地层 井的三 牙轮 钻头 ，包括有三个牙掌和安设在牙掌下端的牙轮，三个牙掌的上部相联成一体构成钻头体，在钻头体上的牙掌之间安设有 喷嘴 座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，其特征在于在牙掌掌背的上部后侧安设保径齿，形成牙掌上部的保径面，牙掌前侧面为一个直纹面，并向后偏斜α 角 度、向外偏斜β角度。本发明的优点在于横向振动小，钻头 稳定性 强，井底清洗和 牙齿 冷却效果好，具有相对较高的使用寿命和机械钻速。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于水平井和硬地层井的三牙轮钻头，包括有三个牙掌和安设在牙掌下端的牙轮，三个牙掌的上部相联成一体构成钻头体，在钻头体上各牙掌之间安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，其特征在于在牙掌掌背的上部后侧安设保径齿，形成牙掌上部的保径面，牙掌前侧面为一个直纹面，并向后偏斜α角度、向外偏斜β角度，其中，α的取值为10°～ |
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| 说明书全文 | 一种用于水平井和硬地层井的三牙轮钻头技术领域[0001] 本发明涉及一种三牙轮钻头，尤其涉及一种用于水平井和硬地层井的三牙轮钻头，属于地质钻探和石油钻井技术领域。技术背景 [0002] 现有的三牙轮钻头通常包括有一个钻头体，钻头体上有三片牙掌，牙轮安装在牙掌下端倾斜的牙掌轴上，牙轮上有钢齿或硬质合金镶齿，钻井液从钻柱进入钻头流道，然后从三个喷嘴喷出。喷嘴安装在喷嘴座中，喷嘴座设在牙掌的后侧。钻井液冲击井底后从喷嘴座两侧上返。钻头牙轮的外排齿上有三点接触井壁，接触点在每个牙轮的前侧。在钻水平井和硬地层井时，牙轮钻头存在下述问题：快速的横向移动和强冲击，导致钻头旋转中心偏离其几何中心，加速牙齿的磨损和断裂，甚至导致轴承早期失效；由于重力作用，井底岩屑排除不畅，也容易导致牙轮壳体磨损、牙齿折断或脱落；水力喷射方位不尽合理，使牙齿得不到及时冷却从而加速磨损。在牙掌掌背上方布置耐磨齿应对横向振动，由于掌背布齿中心通常就在牙掌轴线上，因此并不足以抑制严重的横向振动。 [0003] 美国专利US6227314（“INCLINED LEG EARTH-BORING BIT”）将常规的后置喷嘴座改为前置，牙掌掌背上部在圆周方向上相对下部偏后一个距离，在掌背上部形成保径点，喷嘴座与牙掌下部形成泥浆上返通道，但该通道在牙掌上部改变方向，不利于泥浆顺利上返。 [0004] 美国专利US6688410（“Hydro-lifter rock bit with PDC inserts”）取消牙轮保径点，而将保径点设置在牙掌掌背上部，牙掌掌背上部几何中心线与钻头中心线平行，下部几何中心线与钻头中心线成一定角度。该专利钻井井筒直径由掌背切削形成，会降低钻头的破岩效率。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种用于水平井和硬地层井的三牙轮钻头，它能减小水平井和硬地层井钻井时牙轮钻头的横向振动，同时具有更好的井底清洗效果，从而进一步提高牙轮钻头的钻井效率和综合效果。 [0006] 本发明为解决上述提出的问题而提出了一种用于水平井和硬地层井的三牙轮钻头，包括有三个牙掌和安设在牙掌下端的牙轮，三个牙掌的上部相联成一体构成钻头体，在钻头体上各牙掌之间安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，其特征在于在牙掌掌背的上部后侧安设保径齿，形成牙掌上部的保径面，牙掌前侧面为一个直纹面（在本申请中，所述直纹面是指这样的面：该面是由一条直线（该直线可以称为母线）沿与其平行的一轴线连续渐变（无突变）地移动扫掠而形成的面，其可以是例如为平面，或者沿所述母线投影为一曲线的曲面，例如圆弧形面等），并向后偏斜α角度、向外偏斜β角度，其中，α的取值为10°～50°，β的取值为0°～15°；牙掌前侧面能够由一平面或曲面从初始方位依序绕着一水平轴线X和钻头体的纵向轴线Z旋转角度α和β然后平移获得，其中，所述水平轴线X与钻头体的纵向轴线Z相交于O点；当牙掌前侧面为平面时，其初始方位位于由该水平轴线X和该纵向轴线Z限定的平面XOZ内，而当牙掌前侧面为沿所述母线的投影为一曲线的曲面时，其初始方位定义为如下方位，其中：所述母线与所述纵向轴线Z平行，且所述水平轴线X延伸经过所述曲线的两个端点。 [0007] 根据本发明的一个方面，所述掌背前侧面为平面，在其初始方位中，该平面位于XOZ平面内，该牙掌前侧面的最终位置如下获得：首先将平面绕X轴旋转所述角度α，然后再绕Z轴旋转所述角度β，然后该平面可以经过平移并与牙掌掌背其他面相接，最终形成掌背前侧面。 [0008] 根据本发明的一个方面，所述的牙掌前侧面为圆柱面的一部分，在其初始方位中，其母线与竖直轴线Z平行，且该圆柱面沿竖直轴线Z的投影为一段圆弧，且水平轴线X延伸经过所述圆弧的两个端点，该牙掌前侧面的最终位置如下获得：首先，将该圆柱面绕X轴旋转所述角度α，然后再绕Z轴旋转所述角度β，然后，将该圆柱面平移并与牙掌掌背其他面相接，最终形成掌背前侧面。 [0009] 根据本发明的一个方面，绕X轴的旋转为当沿着X轴逆着X轴的正方向观察时沿顺时针方向的旋转，绕Z轴的旋转为沿着Z轴逆着Z轴的正方向观察时沿逆时针方向的旋转。 [0010] 根据本发明的一个方面，向后偏斜的角度α的取值为20°～40°；更进一步，向后偏斜的角度α的取值为20°～30°，向外偏斜的角度β的取值为3°～10° [0011] 根据本发明的一个方面，所述的牙掌掌背的上部后侧向后延伸一段距离，所述的喷嘴座安设在牙掌掌背的上部后侧向后延伸的牙掌部分内。 [0012] 根据本发明的一个方面，所述的牙掌后侧面形成有上下两个斜面，与后一个牙掌的前侧面形成一条向后偏斜的泥浆上返通道。 [0013] 根据本发明的一个方面，所述的牙掌前侧面的径向截面（即垂直于母线的截面）形状为直线、圆弧线、抛物线或双曲线形。 [0014] 根据本发明的一个方面，所述的喷嘴座中喷嘴的喷射方向朝向后一个牙轮的前侧，外排齿和中排齿之间。 [0015] 根据本发明的一个方面，在牙掌掌背上部后侧保径面或向后延伸的牙掌部分镶装2～3排保径齿，每排2～3个保径齿，间隔交错排列；还可以在牙掌掌背上镶装2～3排保径齿，每排4～8个保径齿，间隔交错排列；牙掌掌背包括上部向后延伸的牙掌部分所有保径齿的回转直径小于规径0～2mm，且从下到上从前到后回转直径逐步递减；所述的保径齿为硬质合金齿或金刚石复合齿，所述的保径齿的齿冠形状为平头形或球形。 [0016] 本发明的有益效果在于：1、在牙掌掌背后侧上部设置保径点，增强了钻头钻井的稳定性，减小横向振动，在钻水平井时钻头不易偏移，从而提高了牙轮钻头的有效使用寿命；2、掌背前侧面整体向后、向外偏斜，形成顺畅的泥浆上返通道，同时对井底岩屑形成举升力，促进岩屑随泥浆上返，泥浆上返速度快，有利于钻井效率的提高；3、喷嘴的喷射方向导向后一个牙轮的前侧，使钻井液能够直接喷射和冲刷牙齿的工作面，增强了井底清洗和牙轮牙齿的冷却效果。该型钻头在实际使用中取得很好的效果，在水平井和硬地层井段，与常规钻头相比，平均进尺提高40%，平均使用寿命提高一倍。附图说明 [0017] 图1是本发明一个实施例的钻头的正视图。 [0018] 图2是本发明一个实施例的钻头的仰视图。 [0019] 图3是本发明一个实施例的钻头的带有喷嘴座局部剖图的正视图。 [0020] 图4是本发明另一个实施例的钻头的正视图。 [0021] 图5是本发明第三个实施例的钻头的正视图。 [0022] 图6a至图6c是示出掌背前侧面为平面时是如何由初始方位获得其最终方位的示意图。 [0023] 图7a至图7c是示出掌背前侧面为圆柱面的一部分时是如何由初始方位获得其最终方位的示意图。 具体实施方式[0024] 下面结合附图进一步详细说明本发明的实施例。 [0025] 第一实施例如图1至3所示，为一个三牙轮钻头，包括有三个牙掌3和安设在牙掌下端的牙轮4，三个牙掌的上部通过组焊相联成一体构成钻头体，钻头体的上部设置有锥螺纹1，用以与钻杆联接；在牙掌掌背的上部后侧向后延伸一段距离，形成向后延伸的牙掌部分，在向后延伸的掌背部位安设保径齿，保径齿镶嵌在掌背上，可前后设置2～3排，每排2～3个保径齿，可间隔相错排列，所述的保径齿为金刚石复合齿或硬质合金齿，形成牙掌上部的保径面，还可以在牙掌掌背上镶装2～3排保径齿，每排4～8个保径齿，间隔交错排列；牙掌掌背所有保径齿的回转直径小于规径0～1mm，且从下到上从前到后回转直径逐步递减；牙掌上部保径面镶装保径齿后，该部位直径小于牙轮钻头规径1mm，钻头横向稳定性增强。 [0026] 牙掌前侧面为一个直纹面，该直纹面与钻头轴线的夹角为α角度（向后偏斜），与水平面基准轴线（X轴）的夹角为β角度（向外偏斜），其中，α的取值为10°～50°，例如20°～30°，β的取值为0°～15°，例如8°～10°；在本申请中，所述直纹面是指这样的面：该面是由一条直线（该直线可以称为母线）沿与其平行的一轴线连续渐变（无突变）地移动扫掠而形成的面，例如为平面，或者沿所述母线投影为一曲线的曲面，例如圆弧形面等。 [0027] 所述的牙掌后侧面形成有上下两个斜面，与后一个牙掌的前侧面形成一条下宽上窄向后偏斜的泥浆上返通道，对井底岩屑形成较大的举升力，促进岩屑随泥浆上返。在钻头体牙掌掌背的上部后侧向后延伸的牙掌部分内设有喷嘴座8，钻头体中设有钻头流道，与喷嘴座的喷孔相连通，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴7，喷嘴7的喷射方向6朝向后一个牙轮的前侧，外排齿和中排齿之间，射流等速核与后一个牙轮牙齿的最小距离为0，使牙齿5在进入工作面和工作过程中得到有效的冷却。 [0028] 本发明第二实施例如图4所示，它与上一个实施例的不同之处在于牙掌前侧面2不向外倾斜，与钻头中心面形成的夹角β=0。 [0029] 本发明的第三实施例如图5所示，它与第一个实施例的不同之处在于所述的牙掌前侧面2的径向截面形状（即垂直于母线的截面）为内凹圆弧线，形成向外倾斜的、呈内凹圆弧面的牙掌前侧面。 [0030] 替代性地，所述的牙掌前侧面的径向截面形状（即垂直于母线的截面）为抛物线或双曲线形。 [0031] 根据本发明的一个方面，牙掌前侧面能够由一初始方位依序绕着一水平轴线X和钻头体的纵向轴线Z旋转角度α和β然后平移获得，其中，所述水平轴线X与钻头体的纵向轴线Z相交于O点；当牙掌前侧面为平面时，其初始方位位于由该水平轴线X和该纵向轴线Z限定的平面XOZ内，而当牙掌前侧面为沿所述母线的投影为一曲线的曲面时，其初始方位定义为如下方位，其中：所述母线与所述纵向轴线Z平行，且所述水平轴线X延伸经过所述曲线的两个端点。 [0032] 根据本发明的一个方面，当所述掌背前侧面为平面，在其初始方位中，该平面位于XOZ平面内，该牙掌前侧面的最终位置如下获得：首先将平面绕X轴旋转所述角度α，然后再绕Z轴旋转所述角度β，然后该平面可以经过平移并与牙掌掌背其他面相接，最终形成掌背前侧面。 [0033] 根据本发明的另一个方面，当所述的牙掌前侧面为圆柱面的一部分时，在其初始方位中，其母线与竖直轴线Z平行，且该圆柱面沿竖直轴线Z的投影为一段圆弧，且水平轴线X延伸经过所述圆弧的两个端点，该牙掌圆柱面的最终位置如下获得：首先，将该圆柱面绕X轴旋转所述角度α，然后再绕Z轴旋转所述角度β，然后，将该圆柱面平移并与牙掌掌背其他面相接，最终形成掌背前侧面。 [0034] 图6a至6c示例性地示出了牙掌前侧面为平面时由初始方位形成最终方位的过程。 [0035] 如图6a至6c所示，当掌背前侧面为平面时，在其初始方位中，该平面位于XOZ平面内。为了描述方便而非限制性的目的，图示的代表平面的矩形的竖直边与Z轴重合或者平行于Z轴，且矩形的水平边与X轴重合，见图6a。这样，将平面绕X轴旋转（例如当沿着X轴逆着X轴的正方向观察时顺时针旋转）一个角度α（见图6b），再绕Z轴旋转（例如当沿着Z轴逆着Z轴的正方向观察时逆时针旋转）一个角度β（见图6c），然后平移并与牙掌掌背其他面相接，通过裁剪最终形成掌背前侧面。换句话说，该掌背前侧面能够由一个平面从初始方位依序绕着一水平轴线X和钻头体的纵向轴线Z旋转角度α和β然后平移获得。 [0036] 图7a至图7c示例性地示出了牙掌前侧面为圆柱面的一部分时从初始方位形成为最终方位的过程。当掌背前侧面为例如圆柱面的一部分的曲面时，在其初始方位中，如图7a所示，该圆柱面的母线与纵向轴线Z平行，且水平轴线X延伸经过所述圆柱面的沿所述纵向轴线Z的投影的圆弧的两个端点。这样，将该圆柱面该圆柱面绕X轴旋转（例如当沿着X轴逆着X轴的正方向观察时顺时针旋转）旋转一个角度α（见图7b），再绕Z轴旋转（例如当沿着Z轴逆着Z轴的正方向观察时逆时针旋转）一个角度β（见图7c），然后将该圆柱面平移并与牙掌掌背其他面相接，经过裁剪，最终形成掌背前侧面。换句话说，该掌背前侧面能够由一圆柱面从初始方位依序绕着一水平轴线X和钻头体的纵向轴线Z旋转角度α和β然后平移获得。 |
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