一种复合式偏心单牙轮钻头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种复合式偏心单牙轮钻头，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【技术领域】，包括钻头体、牙轮、牙轮前固定切削结构，所述牙轮上布置有牙轮切削齿，所述牙轮前固定切削结构上布置有固定切削齿，所述钻头体上设置有轴颈，所述牙轮与所述轴颈形成转动连接，所述牙轮前固定切削结构与所述轴颈的前端固定连接，所述轴颈的轴线与钻头的轴线存在偏移S，S的取值范围是0＜|S|≤d/3，d为钻头外径。本实用新型的目的是提供一种复合式偏心单牙轮钻头，在提高钻头破岩效率的同时，能改善钻头的水力情况，增加钻头使用寿命。
【专利说明】 一种复合式偏心单牙轮钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备【技术领域】，具体的讲涉及一种复合式偏心单牙轮钻头。
【背景技术】
[0002]钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和roc (聚晶金刚石复合片)钻头。
[0003]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齿钻头。
[0004]单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压刮切作用破岩，牙轮上的牙齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头的牙轮与井底的接触为满眼接触，单牙轮钻头为满眼钻头。单牙轮钻头牙轮上的牙齿一部分(牙轮前端)始终与井底接触破岩，一部分牙齿轮换与井底接触破岩，这就把单牙轮钻头的牙轮分成了恒接触区(牙轮前端，如图7、图8的21)和交替接触区(如图7、图8的22)。
[0005]对于恒接触区(牙轮前端)21的切削齿来讲，其寿命往往低于交替接触区22，因为恒接触区21的切削齿始终处于工作状态(如图7、图8)，牙轮前端的转动不能给其上的切削齿带来轮换的效果。钻头钻进过程中牙轮绕钻头轴线旋转的同时还绕自身的轴线自转，牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断的变化:牙轮恒接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在O?360°之间不断变化；牙轮交替接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在O?180°之间变化。这使单牙轮钻头上无法应用极适合于以刮切形式破岩的聚晶金刚石复合片(PDC齿)等耐磨性极强的金刚石类切削齿。原因在于聚晶金刚石复合片(PDC齿)是由基体和聚晶金刚石层两部分组成,对岩石起主要刮削效果的是聚晶金刚石层，PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前基体在后。如果PDC齿在工作过程中受力方向变化幅度过大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。
[0006]因此，现有单牙轮钻头上的切削齿一般为硬质合金齿，硬质合金齿的耐磨性远不及PDC齿等金刚石类切削齿。切削齿的耐磨性不足是单牙轮钻头的致命弱点，切削齿易磨损严重影响了单牙轮钻头的使用寿命。单牙轮钻头在井底工作时，牙轮上的牙齿磨损不均匀，其恒接触区(牙轮前端)的切削齿磨损较快、最严重，这使钻头机械钻速下降，加快钻头的失效，致使钻头寿命降低。
[0007]另外，单牙轮钻头的水眼喷口一般较高，在牙轮上部的钻头体上，或在牙轮尖部上增设水眼孔，由于牙轮下半部分与井底完全贴合(为满眼钻头)，钻头水眼喷射出的水力流难以清洗低于水眼以下的牙轮下部部分及井底。单牙轮钻头工作时，牙轮下半部分与井底之间的水力不足，不能及时带走切削齿破碎岩石产生的岩屑，不利切削齿及井底的清洗，切削齿也不能充分冷却。牙轮与井底之间滞留的岩屑影响了钻头的钻进速度，也影响了切削齿的冷却，加剧了切削齿温度的升高和磨损。单牙轮钻头井底水力的缺陷一直是钻头研究者们关注，但仍未较好解决的主要问题之一。
[0008]另外，由于现有单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压刮切作用破岩，主要适用于软或中硬地层，现有技术中存在一些利用偏心的方式提高钻头在硬地层中的适应能力的方案。
[0009]偏心的方式主要为两种，一种是将普通单牙轮钻头的牙轮的轴承孔的旋转中心与牙轮外表面切削轮廓的旋转中心设置偏心，使牙轮自转时存在偏转(即为一凸轮机构)，这样，牙轮在与井底岩石互作用时由于牙轮旋转中心的偏置，钻头会在井底沿钻头轴线形成上下起伏的工作状态，其会增加钻头牙齿对岩石的冲击压入效应。
[0010]另一种就是牙轮轴承的轴颈轴线与钻头轴线偏移的单牙轮钻头，该方案的目的是增加钻头牙轮上牙齿对岩石的冲击破碎作用。由于单牙轮钻头的切削结构为牙轮，单牙轮钻头在井底工作时，只有牙轮上的切削齿(牙齿)与井底岩石作用形成进尺，钻压全部都由牙轮来承担，牙轮在将钻压传递分配给其上的切削齿，切削齿再作用在井底岩石上。牙轮在钻压的作用下(钻压沿钻头轴线方向施加)，牙轮上的切削齿必须贴紧井底工作，牙轮下部的切削齿必须与井底作用以平衡钻压，由于牙轮内的轴颈有偏心，钻头上的切削齿受的钻压的载荷分配(沿钻头轴线方向)将不对称，钻头工作时振动较大，牙轮上的部分切削齿将会对岩石形成冲压效应。
[0011]目前的偏心单牙轮钻头只是在一定程度上提高了冲击破碎效应，扩大了对硬地层的适应能力，但冲击效应的产生会减短切削齿的寿命，增加轴承的动载、降低轴承寿命。偏心无法改善钻头井底流场及水力结构。
[0012]专利“一种复合式单牙轮钻头”(专利号201010614370.6)公开了一种由转动的牙轮和固定的牙轮尖复合而成的单牙轮钻头。该钻头破岩时，在牙轮尖固定切削齿和牙轮上的非固定切削齿的共同作用下，井底形成交叉网状刮切，能提高破岩效率，延长切削齿寿命。但该钻头的牙轮上的切削齿在井底刮切破岩时，其相对岩石的刮切方向在O?180°之间变，刮切过程中切削齿的刮切方向会反向，转动的牙轮上任只能使用硬质合金齿，齿的耐磨性和寿命均较短，硬质合金齿的破岩效率和耐磨寿命均远不及金刚石类切削齿(特别是PDC齿)，该复合钻头的牙轮切削齿的切削效率和寿命限制了钻头的破岩效率和使用寿命。该复合钻头牙轮的下部均与井底贴合工作，也同样存在牙轮的下部与井底之间水力不足的问题，影响了牙轮和钻头的钻进速度，也影响了牙轮切削齿和钻头的使用寿命。
[0013]现今，无运动部件、耐磨且寿命长的roc (聚晶金刚石复合片)钻头在钻井工程中使用得越来越多，比例越来越大。现有的PDC钻头均属固定切削齿钻头，作为切削元件的聚晶金刚石复合片(即PDC齿,亦简称齿)按照一定的规律布置并固结在钻头本体上,构成F1DC钻头破碎岩石的切削结构。在理想工作条件(即钻头中心线与井眼中心线重合的条件)下，钻头钻进时各切削齿所负责破碎的区域为相对固定的同心圆环带。这种固定齿PDC钻头主要有三方面的缺点:第一，PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象)的发生。第二，钻头上个别齿的失效(齿的脱落、断裂或过度磨损等)会显著增加失效齿井底环带附近的PDC齿的工作负荷，加快其磨损速度，进而导致钻头提前失效。第三，钻头不同径向区域上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)的切削齿磨损速度明显快于心部区域的齿。
实用新型内容
[0014]本实用新型的目的是提供一种复合式偏心单牙轮钻头，在提高钻头破岩效率的同时，能改善钻头的水力情况，增加钻头使用寿命。
[0015]本实用新型的技术方案如下:
[0016]一种复合式偏心单牙轮钻头，包括钻头体、牙轮、牙轮前固定切削结构，所述牙轮上布置有牙轮切削齿，所述牙轮前固定切削结构上布置有固定切削齿，所述钻头体上设置有轴颈，所述牙轮与所述轴颈形成转动连接，所述牙轮前固定切削结构与所述轴颈的前端固定连接，所述轴颈的轴线与钻头的轴线存在偏移S，S的取值范围是O < |S| <d/3，d为钻头外径。
[0017]轴颈的轴线与钻头的轴线之间的偏移S是指:当轴颈轴线与钻头轴线不平行且不重合时，轴颈轴线与经过钻头轴线且平行于轴颈轴线的平面之间的距离，如图1、2所示，并规定:从牙轮前固定切削结构向牙轮看时，轴颈轴线相对钻头轴线往左偏移为正偏移，反之则为负偏移；当轴颈轴线与钻头轴线平行时，轴颈轴线偏移量S为两轴线之间的距离；当轴颈轴线与钻头轴线重合或相交时，偏移量S为零。本实用新型中S的取值范围是O < S < d/3或-d/3 ≤ S < O。
[0018]钻头工作时，在上部钻柱的驱动下，钻头绕钻头轴线旋转运动，固定切削结构上的切削齿在钻头体的带动下，绕钻头轴线旋转刮切破岩。钻头体旋转时，牙轮绕钻头轴线公转的同时，还会绕其自身的轴线(轴颈)自转，牙轮上的切削齿在上述复合运动下与岩石互作用破碎岩石。
[0019]本实用新型钻头的切削结构由牙轮前固定切削结构和牙轮切削结构组合而成。牙轮前固定切削结构相对钻头体固定，钻头钻进时的钻压由固定切削结构和牙轮共同承担。
[0020]当牙轮(轴颈)轴线相对钻头轴线无偏移时,如图3所示，牙轮上AB平面(AB平面为过牙轮上离钻头中心线最远的点且垂直于钻头轴线的平面)以下区域上的切削齿均与井底岩石接触(即牙轮在AB平面以下的部分全部都与井底接触，全接触，相当于普通当牙轮钻头的满眼接触)，参与刮切破岩。由于钻头旋转时牙轮还会绕自身的轴线自转，牙轮上交替接触区上的切削齿以复合运动的形式从A点所示的高度位置上开始与岩石接触切入井底，在牙轮绕钻头轴线公转和牙轮绕自身轴线自转的带动下，切削齿在井底刮切一段较长距离的空间曲线后从B点位置高度切出井底脱离岩石，交替接触区上的切削齿从切入井底到切出井底的刮切过程中其相对井底岩石的刮切速度方向的变化角度在180°左右，即切削齿的刮切角度变化极大，直至反向刮切；牙轮上恒接触区上的切削齿以复合运动的形式始终在井底刮切破岩，其相对岩石的刮切速度方向在O~360°之间变化。[0021]当轴颈轴线相对钻头轴线偏移时，如图1、2所示，牙轮的横向最大尺寸将小于钻头(井眼)直径，由于本实用新型中存在有牙轮前固定切削结构，其与井底接触，在牙轮前固定切削结构的支承下，偏心的牙轮上只有AB平面以下且在牙轮轴线CD左边(图4为CD右边)的区域上的切削齿与井底岩石接触(即牙轮在AB平面以下的部分中只有部分与井底岩石接触，牙轮上与井底接触的部分小于AB平面以下的部分的一半，偏移越大接触的区域将越少)，参与刮切破岩，而牙轮上在AB平面以下且在牙轮轴线⑶右边(图4为⑶左边)的区域上的切削齿将不与井底岩石接触，不会参与破岩。牙轮上的切削齿从A点所示的高度位置上开始与岩石接触切入井底，然后从牙轮下部相应的某较低点的位置上切出井底脱离岩石。由于牙轮轴线相对钻头轴线偏移，牙轮的旋转存在偏心，牙轮上与井底岩石接触的区域将明显减少，牙轮上的切削齿从切入到切出井底的过程中其相对岩石的刮切速度的方向改变将大大减小。牙轮轴线相对钻头轴线有偏移后，牙轮上的切削齿在井底刮切过程中其相对井底岩石的刮切速度方向的变化将在90°以内，甚至更低。
[0022]本实用新型中牙轮的偏移S的取值范围是O < S≤d/3或-d/3≤S < O。在本实用新型固定切削结构与牙轮结构的组合结构下，由于有固定切削结构的存在，其能支承在井底，牙轮的偏移能使牙轮的一边与井底接触而另一边不与井底接触。但牙轮的偏心量不宜过大，因为偏心量越大牙轮外形尺寸就相对越小，太小的牙轮尺寸会对牙轮强度、轴承尺寸及强度、牙轮上切削齿的布置等带来不利。
[0023]本实用新型与现有技术相比，其有益效果是:
[0024](I)本实用新型的轴颈轴线相对钻头轴线偏移，且由于牙轮前固定切削结构的存在，非满眼接触下，牙轮与井底的接触区域变少，牙轮切削齿相对岩石的刮切速度的方向改变减小，这将有利于金刚石类切削齿在牙轮上的使用，切削齿相对岩石的刮切速度方向改变量减少，金刚石类切削齿(特别是极适合于刮切破岩的roc齿)就能应用在牙轮上，其能显著增加牙轮切削齿的吃入能力、牙轮切削齿的破岩效率以及磨损寿命。因此，本实用新型能明显提高牙轮切削齿的破岩效率和使用寿命，从而提高钻头的破岩效率及使用寿命。
[0025](2)本实用新型的牙轮(轴颈)轴线相对钻头轴线偏移，且由于牙轮前固定切削结构的存在，非满眼接触下，牙轮上与井底岩石接触的区域减少，一方面，牙轮下半部分与井底的非接触区域增大，钻井液流体能更充分地接触并冲洗牙轮切削齿，能改善单牙轮钻头的井底流场，钻头切削结构上的水力流动更充沛，流量分配更均匀合理，有利于牙齿的清洗、冷却及井底岩屑的上 返； 另一方面，牙轮上牙齿接触井底的时间变短，切削过程中产生的热量减少，有利于牙齿的散热，从而减少牙轮切削齿的热磨损趋势。因此，本实用新型的牙轮(轴颈)轴线相对钻头轴线偏移能改善牙轮切削齿的工作条件，增强切削齿寿命，并改善钻头井底流场及水力结构，从而提闻钻头的钻进性能及使用寿命。
[0026](3)本实用新型的牙轮(轴颈)轴线相对钻头轴线偏移，且由于牙轮前固定切削结构的存在，非满眼接触下，牙轮上与井底岩石接触的区域减少，牙轮上能使用极适合于刮切破岩的PDC齿等金刚石类切削齿，切削齿吃入地层岩石所需的载荷较小，本实用新型钻进时所需的钻压将会减小。在有限的钻压下或在较小的钻压下，本实用新型就能达到较高的破岩效率，因此本实用新型的轴承受载情况将优于无偏心时的复合钻头和普通牙轮钻头，轴承寿命将高于上述钻头。
[0027](4)本实用新型的牙轮(轴颈)轴线相对钻头轴线偏移，且由于牙轮前固定切削结构的存在，非满眼接触下，牙轮与井底的接触区域变少，但牙轮上的切削齿与井底岩石互作用时仍为刮切破岩作用。钻头结构的改变并未给钻头带来冲击作用，不会增加牙轮切削齿、轴承的动载荷和由于冲击引起的 不利影响。[0028]在所述钻头体上相对轴颈的轴线偏移的反向的180°区域内设置有止推块(如图6)。止推块上可设置耐磨齿或耐磨材料。
[0029]钻头体上相对轴颈的轴线偏移的反向的180°区域内设置止推块能平衡由于牙轮下部接触井底区域较小和接触区域不对称而产生的横向力，能使钻头上的切削齿稳定切肖IJ，钻头钻进更稳定。
[0030]所述牙轮的轴倾角α的范围是45° < α < 90°。牙轮的轴倾角α是指牙轮轴线与垂直于钻头轴线的平面之间的夹角(如图5、7、8、9)。
[0031]牙轮上的切削齿为非固定切削齿，钻头旋转工作时牙轮还会自转，牙轮切削齿以复合运动的方式在井底刮切出空间曲线形破碎痕。固结在牙轮上的切削齿有一定的齿间距。钻头钻进时整个井底的岩石全部都被破碎完全后，钻头才能形成有效的进尺。牙轮所覆盖的区域如只有牙轮切削齿来负责刮切破碎，将所覆盖的区域完全破碎掉一般需要钻头旋转5圈以上，这是由牙轮的结构与其上的布齿形式、以及牙轮的运动特点所决定的。钻头旋转工作时，固定切削结构上的固定切削齿围绕钻头轴线作同心圆的圆周运动，其所覆盖的区域只要在钻头的径向上能覆盖完全(即径向覆盖连续)，钻头旋转一周固定切削齿就能将其覆盖区域的所有岩石完全破碎而直接形成进尺。
[0032]若α <45° (如图7)，牙轮前固定切削结构将不过钻头中心，钻头心部区域的岩石将由牙轮上的部分切削齿来负责破碎。由于钻头工作时牙轮会自转，其上的切削齿为非固定切削齿，牙轮上负责破碎钻头心部区域的切削齿还会参与钻头心部以外区域的岩石的破碎，这部分切削齿参与破岩的任务量最大，能覆盖到的区域也最大。而钻头心部以外区域既有固定切削齿的刮切，又有牙轮切削齿的刮切，参与心部以外区域岩石破碎的切削齿较多，且心部以外区域为高效的交叉刮切破碎方式。钻头心部只有牙轮上的部分切削齿负责破碎，这部分牙轮切削齿的磨损速度将明显快于其他切削齿，当其有较明显的磨损后，钻头心部将难以破碎，这将显著降低钻头的钻进速度。α在45?90°之间时(如图8)，固定切削结构过钻头的中心，钻头心部区域由固定切削结构覆盖，钻头心部附近的岩石由固定切削结构上的固定切削齿负责破碎。心部以外(至钻头外径)区域由固定切削结构和牙轮共同覆盖、共同负责破碎。钻头心部由固定切削齿来破碎，心部以外磨损快的外部区域(特别是钻头半径的外1/3区域)由齿固定切削齿和牙轮切削齿形成交叉刮切共同破碎，这不仅能使钻头上的切削齿达到磨损均衡，而且还能克服因牙轮切削齿不耐磨而过快磨损或牙轮切削齿失效而引起的钻头早起失效。因为固定切削结构上的固定切削齿从钻头中心到外径均能覆盖，即使牙轮切削齿有严重磨损或部分失效，钻头仍能继续钻进。因此，心部区域由固定切削结构来覆盖破碎将比由牙轮切削齿来覆盖破碎的破岩效率要显著增高，α在45?90°之间将比α <45°时钻头的破岩效率显著提高。
[0033]所述牙轮前固定切削结构上设置有内锥。
[0034]牙轮前固定切削结构上设置有内锥，如图9所示，钻头旋转工作时，钻头中心区域上的内锥将在井底钻出与内锥相吻合的井底凸锥形貌。钻头心部凸起的岩石锥体有利于钻头与井底岩石的稳定贴合，有利于钻头旋转钻进时的稳定，能减少钻头钻进工作时的振动。固定切削齿多为金刚石类切削齿，振动冲击损坏是固定切削齿损坏的主要形式之一。本实用新型内锥的存在能明显减小钻头的振动，减小切削齿的冲击损坏、牙轮壳体及牙轮轴承的冲击载荷，增强钻头的工作稳定性，并提供钻头切削齿、牙轮、轴承的使用寿命，从而提供钻头的使用寿命。
[0035]牙轮前固定切削结构上设置有内锥，其能增加钻头心部的布齿面积，能为心部提供更多的布齿空间，因此能提高钻头的切削结构的使用寿命，从而延长钻头的使用寿命。
[0036]所述牙轮前固定切削结构及轴颈内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔。
[0037]牙轮前固定切削结构及轴颈内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔能为固定切削结构提供水力，有利于固定切削结构刮切破岩时产生的岩屑的及时带走及切削齿和井底的清洗，有利于切削齿的充分冷却。喷嘴孔上可根据需要安装喷嘴。
[0038]所述牙轮前固定切削结构的切削轮廓面为球冠面或近似球冠面。
[0039]当切削轮廓面为球冠面或近似球冠面时，钻头钻出的井底也为球冠面或近似球冠面，球冠面易于使钻头切削工作面与井底较好吻合，钻头钻进时的稳定性、钻进的导向性及可控性均较好。
[0040]所述钻头体上设置有切削齿。
[0041]钻头体上设置切削齿有利于钻头的保径，并能增强钻头钻进时的稳定性。特别是在与牙轮前固定切削结构相对的钻头体上设置切削齿时，能平衡因牙轮前固定切削结构分配的钻压比重较大时引起的不平衡力，能增加钻头钻进时的稳定性。
[0042]所述牙轮切削齿、固定切削齿和钻头体上的切削齿可选为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。
[0043]所述牙轮上的牙轮切削齿、牙轮前固定切削结构上的固定切削齿、钻头体上的切削齿为PDC齿。
[0044]PDC齿具有极好的吃入地层能力和刮切破岩能力。本实用新型的牙轮为偏心牙轮，其上能直接应用PDC齿，钻头上全部采用PDC齿能明显增强钻头的破岩效率。
[0045]本实用新型的有益效果:本实用新型能明显提高牙轮切削齿的破岩效率，提高切削齿、轴承的使用寿命，改善钻头井底流场及水力结构。因此能提高钻头的破岩效率、使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0047]图1为本实用新型的结构示意图。
[0048]图2为本实用新型复合式偏心单牙轮钻头在井底工作破岩时，钻头切削结构与井底岩石接触情况示意图。
[0049]图3为无偏心的复合式单牙轮钻头在井底工作破岩时，钻头切削结构与井底岩石接触情况示意图。
[0050]图4为图1所示视图反向看时的本实用新型的结构示意图。
[0051]图5为本实用新型的牙轮部分剖开后的结构示意图。
[0052]图6为本实用新型钻头体上设置止推块时，沿着轴颈轴线从固定切削结构向牙轮方向看的示意图。
[0053]图7为牙轮轴倾角α <45°时牙轮与井底接触区域的示意图。
[0054]图8为牙轮轴倾角α在45?90°之间时牙轮与井底接触区域的示意图。[0055]图9为本实用新型牙轮轴倾角α在45?90°之间且固定切削结构上设置有内锥时，牙轮及固定切削结构与井底接触的示意图。
[0056]图10为在本实用新型固定切削结构上的固定切削齿和牙轮上的非固定切削齿共同作用下，钻头在井底刮切出的交错网状刮痕示意图。
【具体实施方式】
[0057]下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
[0058]如图1至10所示，基本例为:一种复合式偏心单牙轮钻头，包括钻头体1、牙轮2、牙轮前固定切削结构3，牙轮2上布置有牙轮切削齿5，牙轮前固定切削结构3上布置有固定切削齿6，钻头体I上设置有轴颈4，牙轮2与轴颈4形成转动连接，牙轮前固定切削结构3与轴颈4的前端固定连接，轴颈4的轴线与钻头的轴线存在偏移S，S的取值范围是O< |S| ( d/3，d为钻头外径。
[0059]作为基本例的选择一:牙轮2的轴倾角α的范围是45° < α < 90°。牙轮2的轴倾角α是指牙轮轴线与垂直于钻头轴线的平面之间的夹角(如图5、8、9)。
[0060]作为基本例的选择二:牙轮前固定切削结构3上设置有内锥31，如图9所示。
[0061]作为基本例的选择三:牙轮前固定切削结构3及轴颈4内设置有与钻头体I内的内流道相连通的喷嘴孔32 (如图1、2、6)，喷嘴孔上可根据需要安装喷嘴。
[0062]作为基本例的选择四:牙轮前固定切削结构3的切削轮廓面为球冠面或近似球冠面，如图1、2、4、5-9所示。
[0063]作为基本例的选择五:钻头体I上设置有切削齿7，如图1、2、4、5、6所示。
[0064]作为基本例的选择六:牙轮切削齿5、固定切削齿6和钻头体I上的切削齿7可选为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿。优选，牙轮2上的牙轮切削齿5、牙轮前固定切削结构3上的固定切削齿
6、钻头体I上的切削齿7为I3DC齿，如图1、2、4、5、6所示。
[0065]作为基本例的选择七:在所述钻头体I上相对轴颈4的轴线偏移的反向的180°区域内设置有止推块11，如图6。止推块上可设置耐磨齿或耐磨材料。
[0066]前述本实用新型基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本实用新型可采用并要求保护的实施例。本实用新型方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。比如，如图1、2、4、5、6还可视为基本例和选择例1、3-6的组合，图9也还可视为基本例和选择例1、2、4的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。
[0067]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种复合式偏心单牙轮钻头，包括钻头体(1)、牙轮(2)、牙轮前固定切削结构(3)，所述牙轮(2)上布置有牙轮切削齿(5)，所述牙轮前固定切削结构(3)上布置有固定切削齿(6)，所述钻头体(1)上设置有轴颈(4)，所述牙轮(2)与所述轴颈(4)形成转动连接，其特征在于:所述牙轮前固定切削结构(3)与所述轴颈(4)的前端固定连接，所述轴颈(4)的轴线与钻头的轴线存在偏移S，S的取值范围是O < I S I < d/3, d为钻头外径。
2.根据权利要求1所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:在所述钻头体(1)上相对轴颈(4)的轴线偏移的反向的180°区域内设置有止推块(11)。
3.根据权利要求1所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮(2)的轴倾角α的范围是45° < α≤90°。
4.根据权利要求1或2所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮前固定切削结构(3)上设置有内锥(31)。
5.根据权利要求1所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮前固定切削结构(3)及轴颈(4)内设置有与钻头体内的内流道相连通的喷嘴孔(32)。
6.根据权利要求1所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮前固定切削结构(3)的切削轮廓面为球冠面或近似球冠面。
7.根据权利要求1所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述钻头体上设置有切削齿(7)。
8.根据权利要求1或6所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述牙轮(2)上的牙轮切削齿(5 )、牙轮前固定切削结构(3 )上的固定切削齿(6 )为PDC齿。·
9.根据权利要求7所述的一种复合式偏心单牙轮钻头，其特征在于:所述钻头体上的切削齿(7)为PDC齿。
【文档编号】E21B10/16GK203640607SQ201320697548
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】陈炼, 杨迎新, 任海涛, 张伟峰, 杨玮 申请人:西南石油大学