一种基于模块化布齿的PDC单牙轮钻头的制作方法

本发明涉及一种用于石油天然气、矿山、地质钻探及地热开采等领域的单牙轮钻头，特别涉及一种基于模块化布齿的PDC单牙轮钻头。

背景技术：

单牙轮钻头是介于三牙轮钻头与PDC钻头之间的一种新型钻头，既同时兼有二者的优点，又分别弥补了二者的不足。在井下动力钻具钻进深井和小尺寸井眼中尤能显示其独特的优越性，是石油钻井钻头中值得发展的一个新品种，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。

目前应用的单牙轮钻头主要由牙爪和牙轮组成，牙爪上分布有不具备切削功能的硬质合金保径齿，牙轮上的切削齿一般采用硬质合金镶齿，呈纵排或螺旋形布置于牙轮上，其齿型包括锥球齿、楔形齿、勺形齿和平头齿等，在软地层中有较高的机械钻速和寿命，但在硬地层和高研磨性地层中由于牙齿不耐磨，造成钻头的平均机械钻速和寿命较低。单牙轮钻头主要依赖牙齿的刮挤、剪切加扭切方式破碎岩石，牙齿以变角度压入岩石；刮切的破岩方式要求单牙轮钻头的牙齿具有较强的耐磨性，但单牙轮钻头失效的主要形式仍是牙齿的先期过度磨损和切削“死点”。单牙轮钻头对井壁的规径主要靠牙轮顶部区域的齿，如果该区域的齿被先期磨损，则对井壁的规径只能依靠牙爪上的保径齿了，但是现目前单牙轮钻头上的保径齿基本不具备切削功能；同时，由于单牙轮钻头的牙轮空间布齿区域有限，在牙轮表面布置PDC齿，特别是在牙轮顶部布PDC齿较困难。因此，研究抗磨性强、岩性适应性更广泛、布齿覆盖率更好的单牙轮钻头，不仅是提高单牙轮钻头寿命和小井眼侧钻及深井提速的当务之急，而且也对今后相关学科研究有着重要的参考价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于模块化布齿的PDC单牙轮钻头，克服现有技术的缺点，提升牙轮的布齿效率、规径功能，提高牙齿耐磨性能和钻头的机械钻速、消除切削死点。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于模块化布齿的PDC单牙轮钻头，它包括牙爪和牙轮，所述牙轮上等间距分布有齿带和水槽，所述齿带上设有齿槽，所述齿槽内分别交错镶装一号弧形模块PDC齿带、二号弧形模块PDC齿带和三号弧形模块PDC齿带，所述一号弧形模块PDC齿带、二号弧形模块PDC齿带和三号弧形模块PDC齿带均是同心圆齿带，弧形模块齿带的轮廓外径与单牙轮钻头外径相同，弧形模块齿带的内径与齿槽的外径相同，所述牙爪上交错分布有孕镶PDC齿。

所述一号弧形模块PDC齿带、二号弧形模块PDC齿带和三号弧形模块PDC齿带由聚晶金刚石层和硬质合金基体构成。

所述一号弧形模块PDC齿带、二号弧形模块PDC齿带和三号弧形模块PDC齿带的外轮廓为等间距的圆形、椭圆形、锥形、波浪形。

所述的齿槽端口形状为矩形、梯形、燕尾槽形。

本发明具有以下优点：(1)本发明牙轮采用弧形模块PDC齿带时，通过滚压+刮挤+扭切方式破岩，较普通单牙轮钻头的硬质合金齿等更易于吃入地层，有利于提高钻头破岩效率和机械钻速，同时提高了牙齿耐磨性能，有利于提高牙齿的使用寿命，而且使得单牙轮钻头可以应用于较硬的研磨性地层。(2)本发明牙轮上的模块PDC齿带在井底形成“又”字形和“人”字形网状破碎带，两种不同破岩轨迹的交叉作用，对提高井底覆盖率，消除切削死点、死区，提升破岩效率都是十分有益的。(3)模块化布齿可有效利用单牙轮的布齿面，对单牙轮齿面结构进行参数优化，提升牙轮的布齿覆盖率，同时降低了加工生产的难度，提升了加工效率。(4)牙爪上分布的具有切削功能的孕镶PDC齿，可对井壁起到有效的规径功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明沿着牙轮轴线从牙轮尖向牙轮方向看的示意图；

图3为本发明的牙轮齿面结构示意图；

图4为本发明的牙轮齿槽结构正视图；

图5为本发明的牙轮齿槽结构轴测图；

图6为本发明的一号弧形模块PDC齿带结构示意图；

图7为本发明的二号弧形模块PDC齿带结构示意图；

图8为本发明的三号弧形模块PDC齿带结构示意图；

图9为本发明在井底刮切出的“又”字形刮痕示意图；

图10为本发明在井底刮切出的复杂交错网状刮痕示意图。

图中：1-牙爪，2-牙轮，3-齿带，4-孕镶PDC齿，5-一号弧形模块PDC齿带，6-二号弧形模块PDC齿带，7-三号弧形模块PDC齿带，8-水槽，9-齿槽，10-聚晶金刚石层，11-硬质合金基体，12-“又”字形井底轨迹，13-“人”字形井底轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1、2、3所示，一种基于模块化布齿的PDC单牙轮钻头，它包括牙爪1和牙轮2，所述牙轮2上等间距分布有齿带3和水槽8，所述齿带3上设有齿槽9，所述齿槽9内分别交错镶装一号弧形模块PDC齿带5、二号弧形模块PDC齿带6和三号弧形模块PDC齿带7；所述牙爪1上交错分布有孕镶PDC齿4。

如图4、5所示，所述的齿槽9端口形状为矩形、梯形、燕尾槽形，本实施例中齿槽9端口形状为矩形。

如图6、7、8所示，所述一号弧形模块PDC齿带5、二号弧形模块PDC齿带6和三号弧形模块PDC齿带7均是同心圆齿带，弧形模块齿带的轮廓外径与单牙轮钻头外径相同，弧形模块齿带的内径与齿槽9的外径相同；所述一号弧形模块PDC齿带5、二号弧形模块PDC齿带6和三号弧形模块PDC齿带7由聚晶金刚石层10和硬质合金基体11构成；所述一号弧形模块PDC齿带5、二号弧形模块PDC齿带6和三号弧形模块PDC齿带7的外轮廓为等间距的圆形、椭圆形、锥形、波浪形，本实施例中，一号弧形模块PDC齿带5、二号弧形模块PDC齿带6和三号弧形模块PDC齿带7的外轮廓均为等间距的圆形。本实施例采用了三种不同的弧形模块齿带，但是本发明的保护范围不局限于上述三种不同的弧形模块齿带，也可将多种不行形式的模块齿带复合于单牙轮布齿面上。

如图9所示，工作时，在钻头牙爪1的旋转带动下，牙轮2围绕钻头中心轴线作公转的同时，还绕牙爪1轴颈作自转运动，一号弧形模块PDC齿带5、二号弧形模块PDC齿带6和三号弧形模块PDC齿带7通过滚压+刮挤+扭切方式破岩，在井底形成“又”字形井底轨迹12；通过调整模块化布齿参数及齿面形状，可得到如图10所示的“又”字形井底轨迹12与“人”字形井底轨迹交叉作用下的交错网状刮切破碎带。