一种牙轮PDC复合钻头的制作方法

本实用新型属于石油钻井机械技术领域，具体涉及一种攻击性强、岩石破碎效率高、使用寿命长的牙轮PDC(聚晶金刚石复合片)复合钻头。

背景技术：

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，钻头的好坏直接影响到钻井的质量和钻井的效率。现今钻井工程中所使用的钻头主要有PDC(聚晶金刚石复合片)钻头和牙轮钻头。

PDC钻头是人造聚晶金刚石复合片钻头，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。

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。牙轮钻头工作时切削齿交替接触井底，破岩扭矩小，切削齿与井底接触面积小，比压高，易于吃入地层；工作刃总长度大，因而相对减少磨损。牙轮钻头能够适应从软到坚硬的多种地层。

钻头体上同时具有固定切削结构和牙轮结构(非固定切削结构)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，牙轮上的切削齿在复杂的复合运动下与井底岩石互作用。如申请号为CN201110390021.的中国专利公开了一种具有旋切破岩功能的复合钻头，其结构如附图1所示，其包括旋切钻头、PDC钻头、牙轮钻头的复合，包括主体01、旋切钻头牙轮02、旋切钻头切削齿03、PDC钻头刀翼04、PDC切削齿05、储油囊06、喷嘴07，旋切钻头的旋切牙轮02的安装面与钻头主体01上的牙轮轴颈连接，旋切牙轮的数目≥1；旋切牙轮的工作面朝向井壁与井底；复合钻头基于旋切钻头结构，旋切钻头覆盖复合钻头中心和井眼外围，PDC钻头是在井眼外围范围在旋切钻头的旋切牙轮间设置的PDC钻头副刀翼；井眼外围部分的钻进由旋切钻头和PDC钻头副刀翼的切削齿共同完成，旋切牙轮的大圈齿完成井眼中心位置的钻进。其存在一定的缺点：1、岩石破碎效率低，攻击力差，PDC切削齿易损坏，钻头使用寿命短；2、切削屑不易排出。

综上，目前需要一种新型的运用于石油、天然气勘探开发的钻头，以满足生产需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：提供一种牙轮PDC复合钻头，其采用牙轮钻头与PDC钻头相复合的形式，PDC钻头又包括有心部PDC刀翼钻头和冠部PDC刀翼钻头，从而使其岩石破碎效率高、岩石攻击力强、不易损坏PDC复合片，使用寿命长。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种牙轮PDC复合钻头，包括钻头本体，所述钻头本体由牙轮钻头和PDC钻头复合而成，所述钻头本体的下部设有用于连接钻柱的连接螺纹；其特征在于，所述PDC钻头包括至少一个冠部PDC刀翼和至少一个与冠部PDC刀翼对应设置的心部PDC刀翼，所述冠部PDC刀翼和心部PDC刀翼呈辐射状均匀交错地分布于所述钻头本体的头部，且冠部PDC刀翼向钻头本体连接螺纹的方向延伸；所述冠部PDC刀翼和心部PDC刀翼均具有凸面切削齿面,且凸面切削齿面的相同一侧都均匀分布有多个PDC复合片；所述牙轮钻头包括至少一个具有切削齿的牙轮，所述牙轮对应设置在所述心部PDC刀翼的外围；所述冠部PDC刀翼、心部PDC刀翼和牙轮钻头之间形成切屑流道。其通过设置心部PDC刀翼大大提高了钻头的破岩性能。

优选的方案，所述心部PDC刀翼具有大小不等的两个弧形端部，且心部PDC刀翼的大弧形端部向小弧形端部由外向内延伸，且心部PDC刀翼从大弧形端部到小弧形端部整体向下倾斜设置。设置弧形的心部PDC刀翼，能使刀翼受力均匀，避免出现应力集中现象，延长钻头的使用寿命。

进一步优选的方案，所述心部PDC刀翼的小弧形端部不接触所述钻头本体的中心线。这样使得各心部PDC刀翼之间形成切屑流道，便于冷却钻头和切削屑的排出。

更进一步优选的方案，所述牙轮由多个柱径不等的圆柱组成，其中圆柱的柱径由外向内依次减小。此种设置方式使牙轮钻头在钻井时的强度更强，使用寿命更长。

再进一步优选的方案，所述牙轮钻头的切削齿为硬质合金切削部件。硬质合金切削部件沿牙轮钻头的中心线在圆周方向均匀分布，使受力更均匀，且采用硬质合金切削部件，切削效率高、使用寿命长。

所述牙轮钻头与钻头本体之间通过轴承转动连接。轴承处可采用O形橡胶圈密封，或采用O形橡胶圈与金属环组合密封形式。

所述冠部PDC刀翼的表面还设有多个硬质合金切削部件。除了在牙轮钻头的表面设置硬质合金切削部件外，在冠部PDC刀翼的表面也设置硬质合金切削部件，所述硬质合金切削部件为多个，可以是单排，也可以是多排，从而可以保证钻头在全方位均可实现岩石破碎，加快了破碎效率。

所述切屑流道底部设有至少一个钻头水眼。所述钻头本体的上部的中心处和外围均设有钻头水眼，通过设置钻头水眼，实现对钻头工作时的冷却，并带走切削屑。

由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的PDC钻头包括有心部PDC刀翼和冠部PDC刀翼，心部PDC刀翼的外围又设有牙轮钻头，与现有技术相比，心部PDC刀翼钻头和冠部PDC刀翼钻头的结合使心部岩石的破碎力加强，而牙轮钻头和冠部PDC刀翼钻头的结合又使钻头外围的岩石破碎力加强，因此，从整体上看，牙轮钻头和PDC钻头的复合大大提高了钻头的破岩性能。

2、本实用新型的冠部PDC刀翼的表面上设有多个硬质合金切削部件，与现有技术相比，冠部PDC刀翼在实现对岩石旋转切削破碎的同时，也通过硬质合金切削部件实现了以冲击、压碎形式对岩石的破碎，从而提高了钻头的钻井效率。

3、心部PDC刀翼采用弧形形状设置，在提高岩石破碎能力的同时，能使刀翼受力均匀，避免出现应力集中现象，延长了钻头的使用寿命。

4、本实用新型的复合钻头融合了牙轮钻头和PDC钻头的优点，对岩石具有很强的攻击性，岩石破碎效率高，其工作方式包括牙轮钻头的冲击、压碎切屑和PDC钻头的旋转切屑，在可钻性极差的火成岩地层，经试验证明，其机械钻速可提高2倍以上。

5、通过PDC钻头与牙轮钻头相结合的形式，采用不同的复合结构，使钻头的冲击、压碎、切削性能大大提高，且能使钻头保持较高的机械钻速、保径效果好，使用寿命长。

附图说明

图1为现有技术一种具有旋切破岩功能的复合钻头的整体结构示意图；

图2是本实用新型一种牙轮PDC复合钻头的俯视图；

图3是本实用新型一种牙轮PDC复合钻头的侧视图。

附图标记：1-钻头本体；2-牙轮钻头；21-牙轮；22-切削齿；3-PDC钻头；31-冠部PDC刀翼；32-心部PDC刀翼；33-凸面切削齿面；34-PDC复合片；321-大弧形端部；322-小弧形端部；4-连接螺纹；5-钻头本体中心线；6-硬质合金切削部件；7-切削流道；8-钻头水眼。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例，对本实用新型做进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参照图2和附图3，本实用新型一种牙轮PDC复合钻头，包括钻头本体1，所述钻头本体1由牙轮钻头2和PDC钻头3复合而成，所述钻头本体1的下部设有用于连接钻柱的连接螺纹4。

所述PDC钻头3包括至少一个冠部PDC刀翼31和至少一个与冠部PDC刀翼31对应设置的心部PDC刀翼32，所述冠部PDC刀翼31和心部PDC刀翼32呈辐射状均匀交错地分布于所述钻头本体1的头部，且冠部PDC刀翼31向钻头本体1的连接螺纹4的方向延伸；所述冠部PDC刀翼31和心部PDC刀翼32均具有凸面切削齿面33,且凸面切削齿面33的相同一侧都均匀分布有多个PDC复合片34；所述心部PDC刀翼32具有大小不等的两个弧形端部，且心部PDC刀翼32的大弧形端部321向小弧形端部322由外向内延伸，且心部PDC刀翼32从大弧形端部321到小弧形端部322整体向下倾斜设置，且所述心部PDC刀翼32的小弧形端部322不接触所述钻头本体中心线5；所述冠部PDC刀翼31的表面还设有多个硬质合金切削部件6。

所述牙轮钻头2包括至少一个具有切削齿22的牙轮21，所述牙轮21由多个柱径不等的圆柱组成，其中圆柱的柱径由外向内依次减小，所述切削齿22为硬质合金切削部件，硬质合金切削部件沿牙轮钻头2的中心线在圆周方向均匀分布；所述牙轮钻头2与钻头本体1之间通过轴承转动连接，轴承处可采用O形橡胶圈密封，或采用O形橡胶圈与金属环组合密封形式；所述牙轮21对应设置在所述心部PDC刀翼32的外围。

所述冠部PDC刀翼31、心部PDC刀翼32和牙轮钻头2之间形成切屑流道7，所述切屑流道7的底部设有至少一个钻头水眼8。本实施例中，所述钻头本体1的上部的中心处和外围均设有钻头水眼8，通过设置钻头水眼8，实现对钻头工作时的冷却，并带走切削屑。

本实用新型采用了牙轮钻头2与PDC钻头3进行复合，且PDC钻头3又设有位于外围的冠部PDC刀翼钻头和位于中心的心部PDC刀翼钻头，采用多种钻头的复合，使钻头的攻击性更强、钻井效率更高。

本实用新型除了在牙轮钻头2的表面设置硬质合金切削部件外，在冠部PDC刀翼31的表面也设置硬质合金切削部件，所述硬质合金切削部件是多个，可以是单排，也可以是多排，从而可以保证钻头在全方位均可实现岩石破碎，加快了破碎效率。

上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。