[发明专利]PDC复合片单牙轮钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油地质钻井工程用PDC钻头及单牙轮钻头，特别是实现了PDC钻头与单牙轮钻头一体化的高速密封轴承PDC复合片单牙轮钻头，属于地质钻井工程机械领域。

背景技术

目前使用的PDC钻头和单牙轮钻头是以齿切削方式破碎岩石，PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片钻头，PDC片是圆柱形硬质合金，齿顶部复合有2mm左右厚的金刚石层，用金刚石层切削破碎岩石，在低钻压高转速条件下PDC钻头的齿切削破碎岩石，PDC复合片是现有岩石钻头切削中效率最高寿命最长的，缺点是钻头承受较大扭矩易产生回旋现象而损坏PDC片，特别是钻到软硬交错或含有砾石岩层时更易损坏PDC片，抗回旋是提高PDC钻头的指标途径之一，PDC片损坏形式是磨损、接触岩石的边棱碎裂、断齿及掉齿。PDC钻头目前有两种结构；一是把圆柱形PDC片钎焊在胎体或钢体各刀翼的齿柱槽或孔内，使井底岩石得到全面破碎；二是把焊有PDC片的硬质合金齿柱镶焊进胎体或钢体的齿孔内，布齿是采用以单个齿的等切削面积，等破碎功率和等破碎体积，从钻头中心布至规径面，再加强保径，按等切削面积布齿，从PDC钻头失效分析可看出，金刚石PDC片圆柱外缘磨损2-3mm时因各刀翼工作面积增加，降低机械钻速而起钻，一只钻头可下井使用3至4次，最终以PDC片磨损，碎片和掉片严重而报废。

单牙轮钻头的齿多采用三牙轮钻头用的硬质合金如：楔形齿、锥球齿和球齿等，切削效率较低，不适合用于切削破碎岩石，且易磨损，在遇到硬岩石时采用齿面上有人造聚晶层的硬质合金复合齿，齿型有锥球齿和球齿，能提高单牙轮工作指标，但切削破碎岩石效率大大低于PDC齿。在国外单牙轮钻头多用于上部地层钻井，俄罗斯使用超高转速为600r/min的涡沦钻具带动单牙轮钻头钻进上部地层，代替刮刀钻头获较高的钻头进尺和机械钻速。单牙轮钻头牙轮的转速约为三牙轮钻头牙轮转速的一半，为钻头转速的75％，是一种减速牙轮钻头，但轴承密封仍易早期失效，目前采用O形橡胶密封圈的内径密封轴颈和外径密封牙轮槽内径，这种密封是不适应在超高转速条件下工作，只有金属密封圈的端面密封能满足高转速或超高转速下使用。单牙轮钻头牙轮的轴承空间比同尺寸三牙轮钻头一个牙轮的轴承空间约大一倍多，可以设计出较大的轴承，目前有两种轴承结构：一是钢球锁紧牙轮的O形橡胶密封的滑动轴承结构；二是钢球锁紧牙轮的能喷射出部分泥浆的O形圈密封的滑动轴承结构。单牙轮钻头轴承的主要承压面是大轴和它的止推面，在超高转速条件下应采用喷射式浮动套轴承结构有利于提高钻头工作指标。单牙轮钻头是靠牙齿切削井底岩石，不是靠牙齿冲击破碎岩石，在布齿和齿型方面单牙轮钻头不同于普通牙轮钻头，但现有技术中单牙轮钻头仍采用普通牙轮钻头布齿，一是把牙轮齿的齿顶从井底中心向井径的球面上布齿，使井底岩石全面破碎，有的牙轮顶部无布齿影响破碎效率，还有的利用轮顶布喷射水孔清洗井底岩屑，甚至造成冲蚀轮内孔及轮端面轴承密封失效；二是仍采用普通三牙轮钻头硬质合金楔形齿、锥球齿和球齿，不利于提高切削岩石效率；三是为提高井底中心附近的主切削齿寿命，多采用金刚石复合锥球齿，在锥球表面有耐磨的聚晶金刚石层，它的球面齿顶不利于切削井底岩石，只是提高了齿顶的耐磨性，没提高切削破碎岩石效率。

发明内容

本发明目的是克服目前PDC钻头和单牙轮钻头的缺陷，公开一种高速密封轴承的PDC复合片单牙轮钻头，是在超高转速条件下对目前单牙轮钻头中的高速密封轴承及切削齿进行技术改进，实现单牙轮钻头与PDC钻头一体化。

本发明的技术方案如下：