[发明专利]一种定向钻井金刚石钻头

说明书

一种定向钻井金刚石钻头，包括钻头体、钻头体上的固定刀翼、牙轮、水力结构等，固定刀翼上有切削齿，牙轮上有牙齿，其特征在于：至少有一个固定刀翼上设置有一个或数个凹槽，凹槽内设置有牙轮，牙轮与固定刀翼形成转动连接。这样的结构采用牙轮减小钻头扭矩、提高钻头工具面稳定性的同时，提高钻头的工作安全性，减小甚至避免运动部件掉落井底情况的发生，并扩大钻头切削结构及水力结构的可用空间。

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种定向钻井金刚石钻头。

背景技术

在石油天然气钻井工程中，通常使用钻头破碎岩石，钻头是破碎岩石形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中使用的钻头主要有三牙轮钻头和PDC钻头，三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，三牙轮钻头的轮体速比（钻头旋转钻进时牙轮转速与钻头转速之比）均大于1，钻头旋转钻进时牙轮转速快，牙轮上的牙齿对井底岩石形成冲击压碎作用破岩，能量利用率不高，破岩效率相对较低，机械钻速太低。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿）来剪切和破碎岩石，PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用，但是在定向钻井中，PDC钻头容易出现扭矩波动大，不利于钻具工作面的稳定控制，不利于钻头的快速钻进。

美国贝克休斯公司提出的牙轮—PDC混合式钻头是在传统的PDC切削结构基础上增加牙轮切削结构而形成的。当混合钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩,因此混合钻头依靠两种方式破碎岩石，它在某些特殊地层—如砾石地层，不均质地层能获得较好的效果，复合钻头在定向作业时，扭矩响应小，工具面更加稳定，提速效果明显。

在现有的牙轮—PDC混合钻头中，牙轮体通过其轴承孔与安装牙掌的轴颈上，由于牙掌轴颈结构的特殊性，牙掌与钻头体很难采用一体式结构，而必须通过焊接的方式将牙掌-牙轮部件与钻头体相连接。这样，焊缝就成为钻头强度的薄弱点，在实钻中容易发生因焊缝失效而导致的牙掌落井现象，落井事故一旦发生，将对后续的钻井进程产生非常不利的影响，增加钻井成本。另一方面，牙掌的存在，将会占据钻头上宝贵的布齿空间，限制固定切削结构的布齿密度。上述缺点的存在将严重制约混合钻头的使用。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种定向钻井金刚石钻头，在采用牙轮减小钻头扭矩、提高钻头工具面稳定性的同时，提高钻头的工作安全性，减小甚至避免运动部件掉落井底情况的发生，并扩大钻头切削结构及水力结构的可用空间。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种定向钻井金刚石钻头，包括钻头体、钻头体上的固定刀翼、牙轮、水力结构等，固定刀翼上有切削齿，牙轮上有牙齿，其特征在于：至少有一个固定刀翼上设置有一个或数个凹槽，牙轮设置在凹槽内，牙轮通过牙轮轴与固定刀翼形成转动连接。