一种具有转向轮盘的复合钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。本实用新型专利技术解决轮盘切削齿的寿命太短的问题的同时，能提高钻头的破岩效率。

Composite drill bit with steering wheel

The utility model discloses a steering wheel with composite drill, which comprises a bit body, wheel, wheel is arranged on the ring gear wheel can rotate relative to the drill bit body, the body is provided with at least one steering wheel, the steering wheel and the steering wheel by the seat, steering seat is installed on the body of the drill bit through the rotary connection. A bit of physical rotation relative to the wheel, mounted on the steering seat through a connecting disc, a rotating relative to the axis of rotation of the steering wheel, relative rotation axis seat are offset and offset is greater than the radius of the wheel gear ring 1/20, less than three times the diameter of the wheel gear ring, close to the steering wheel drill core the steering rotation axis and axis of the drill bit seat do not coincide, the drill body is also provided with a fixed cutting structure or non fixed cutting structure. The utility model solves the problem that the life of the wheel disk cutting tooth is too short, and simultaneously, the rock breaking efficiency of the drill bit can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种具有转向轮盘的复合钻头
本专利技术属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备
，尤其涉及一种复合钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。盘式钻头（也称盘形钻头、碟形钻头或碟式钻头）是一种全新齿形结构的钻头，其齿面制成与牙轮（或称轮盘）母线垂直或成一定螺旋角的圆环形连续或断续齿圈。盘式钻头的破岩机理不同于常规的牙轮钻头，当齿圈沿岩石滚碾时，利用大的接触应力迫使岩石破碎，形成环形的岩石破碎带。由于齿圈成圆环形，便于牙轮（或称轮盘）在岩石上的连续滚动，因此，与三牙轮钻头相比盘式钻头的工作载荷较平稳，轴承所受的载荷波动幅度也要小得多。不同规格类型的盘式钻头的台架试验和工业试验结果都表明，与常规的三牙轮钻头相比，盘式钻头在硬、极硬、研磨性地层和深井、小井眼的钻进更为有效。上世纪中期，在前苏联、美国、法国、英国等国家都有盘式钻头的研究和试验，当时的台架实验和现场实验的结果都显示出良好的前景，但今天却难以见到盘式钻头在钻井中的使用。盘式钻头切削齿（齿盘）的疲劳破坏、齿圈塑变和磨料磨损是其主要失效形式。钻头在井底工作时的工况非常复杂，钻头工作时发生振动（包括轴向振动和横向振动）是不可避免的，钻头的横向振动是造成轮盘疲劳破坏、齿圈塑变和磨损的主要因素之一。因为钻头发生横向振动时，轮盘将会沿着垂直（或接近垂直）于轮盘圆周方向相对岩石滑移刮切，即轮盘横向刮切岩石。轮盘横向刮切岩石将直接造成轮盘齿圈的折损和塑变，并加剧轮盘齿圈的磨损。盘式钻头没有真正在现场推广应用的主要原因就是切削齿的寿命太短，难以满足钻井的要求。钻头体上同时具有固定切削结构和非固定切削结构（如牙轮结构）的复合钻头是近年来逐渐兴起并推广应用的新型破岩工具。复合钻头利用不同切削结构的联合作用来破岩，在一些难钻地层能起到明显的钻进提速作用。由于盘式钻头的上述缺点，限制了其与其他结构复合带来的优势的发挥。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有转向轮盘的复合钻头，以提高钻头的破岩效率和使用寿命。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。钻头上的切削结构根据切削结构是否能相对钻头体运动而分为固定切削结构和非固定切削结构。如PDC钻头上的切削齿固接在钻头体上，切削齿与钻头体相对固定，PDC钻头属固定切削结构钻头。牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削结构钻头。本专利的复合钻头破岩钻进工作时，钻头体旋转带动本专利的轮盘绕钻头的轴线转动，轮盘与井底岩石接触，在岩石反力作用下轮盘将绕自身的轴线转动，在上述两种运动的复合作用下，轮盘将在井底岩石上作滚动。本专利钻头体上的转向轮盘的转向座相对钻头体能自由旋转，安装在转向座上的轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移。转向轮盘接触岩石与岩石互作用破岩时，无论转向轮盘的轮盘与岩石接触时的开始状态如何，当轮盘受到岩石的作用力时，由于转向轮盘的转向座能相对钻头体转动，无论钻头如何运动（旋转、振动等），轮盘在外力的作用下，受垂直于转向座轴线的平面的力（分力）的作用，转向轮盘将会被推动绕转向座的轴线旋转，使转向轮盘上的轮盘的旋转轴线始终垂直于该处钻头体相对井底岩石运动的方向，即轮盘始终沿着轮盘相对井底运动的方向滚动。本专利靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，其能确保钻头旋转钻进时，靠近钻头心部的轮盘能在井底顺利滚动。减少或避免靠近钻头心部的轮盘横向刮磨岩石。本专利较现有技术的有益效果是：1、钻头在井底的工作状态非常复杂，钻头钻出的井眼也往往大于钻头外径，钻头在井底破岩钻进工作时一般均不是理想的同心旋转钻进，钻头旋转的同时还会产生振动、摆旋、偏心旋转等复杂运动，这些复杂的运动使钻头的切削结构无法绕井眼的中心做理想的圆周运动。普通的盘式钻头由于上述复杂运动，使轮盘齿圈产生侧向滑移（刮切），轮盘齿圈无法实现单纯的滚动，这种侧向滑移（刮切）将使轮盘齿圈磨损、折损和塑变，加剧轮盘齿圈的损坏，明显降低轮盘的使用寿命。本专利轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向轮盘具有方位自调节自适应功能。无论钻头的运动多么复杂，也无论轮盘的初始状态和方位如何，转向轮盘上的轮盘的旋转轴线始终垂直于相对井底岩石运动的方向，即轮盘始终沿着轮盘相对井底运动的方向滚动，减少或避免轮盘相对岩石发生侧向滑移和刮切，减少轮盘齿圈的磨损、折损和塑变等损坏，延长轮盘及钻头的使用寿命，进而延长钻头使用寿命。2、钻头在井底的运动往往是复杂的，振动、摆旋、偏心旋转等复杂运动使普通轮盘产生侧向滑移和刮切而受损。但本专利却可利用钻头的这些复杂运动来提高破岩效率，因为：本专利轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向轮盘具有方位自调节自适应功能，在上述复杂运动下，轮盘可实时调整改变滚动方向实现对岩石的滚压，在钻头的复杂运动作用下，邻近（径向位置接近）的轮盘齿圈将会发生交错碾压，邻近的轮盘齿圈可实现交叉碾压破岩。交叉碾压使井底的碾压破碎形貌更复杂，轮盘齿圈在井底岩石上的碾压破碎及岩石损伤裂纹会交叉及贯通，这有利于提高钻头的破岩效率。另外，本专利的钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构，无论钻头体上另设的是何种切削结构，其与转向轮盘相复合形成复合切削结构的钻头，固定切削结构或非固定切削结构与转向轮盘同时作用于井底岩石，多种不同切削结构使井底岩石产生不同机理的破碎，不同破岩机理的联合作用能提高井底岩石的破碎效率，从而提高钻头的破岩效率。3、本专利轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线偏移，使转向轮盘具有方位自调节自适应功能，轮盘齿圈始终沿着轮盘相对井底运动的方向滚动，这能显著降低钻头破岩工作时的横向不平衡力和钻头工作扭矩，因此本专利能提高钻头的钻进定向可控性和工具面稳定性，增强钻头的导向性能，提高钻头在定向井钻进中的钻井效率。作为选择，转向轮盘的轮盘旋转轴线相对转向座的旋转轴线的偏移距大于5mm，小于钻头半径与轮盘齿圈半径之差。该方案中，为使转向轮盘工作时能顺利旋转至正确的滚动方向，并保持良好的滚动方位，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线之间的偏移距不能太小，偏移距越大越易于转向轮盘的顺利旋转，驱使转向轮盘旋转到正常方位的驱动力也将越足，也越易于保证转向轮盘在钻头复杂运动过程中能保持良好的滚动方位。但偏移距也不能太大，太大的偏移距将使转向轮盘占据较大的旋转空间，造成钻头空间的浪费。作为选择，转向轮盘的轮盘齿圈顶圆与转向座的旋转轴线共面。该方案中，轮盘的齿圈顶圆与转向座的旋转轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，其特征在于：钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。

【技术特征摘要】
1.一种具有转向轮盘的复合钻头，包括钻头体、轮盘，轮盘上设置有齿圈，轮盘能相对钻头体转动，其特征在于：钻头体上设有至少一个转向轮盘，转向轮盘由轮盘和转向座组成，转向座通过转动连接安装在钻头体上，转向座相对钻头体能旋转，轮盘通过转动连接安装在转向座上，轮盘能相对转向座旋转，轮盘的旋转轴线相对转向座的旋转轴线有偏移，且偏移距大于轮盘齿圈半径的二十分之一，小于轮盘齿圈直径的三倍，靠近钻头心部的转向轮盘的转向座的旋转轴线与钻头轴线不重合，钻头体上还设置有固定切削结构或非固定切削结构。2.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向轮盘的轮盘旋转轴线相对转向座的旋转轴线的偏移距大于5mm，小于钻头半径与轮盘齿圈半径之差。3.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的复合钻头，其特征在于：转向轮盘的轮盘齿圈顶圆与转向座的旋转轴线共面。4.根据权利要求1所述的具有转向轮盘的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炼，杨迎新，黄丹兰，谢宗亮，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：新型
国别省市：四川,51