杨迎新 (中国四川省成都市新都区新都大道8号, Sichuan 0, 610500, CN)
CHEN, Lian (Xin Du Main Street 8#, Xin Du DistrictCheng Du, Sichuan 0, 610500, CN)
陈炼 (中国四川省成都市新都区新都大道8号, Sichuan 0, 610500, CN)
LIN, Min (Xin Du Main Street 8#, Xin Du DistrictCheng Du, Sichuan 0, 610500, CN)
西南石油大学 (中国四川省成都市新都区新都大道8号, Sichuan 0, 610500, CN)
YANG, Ying Xin (Xin Du Main Street 8#, Xin Du DistrictCheng Du, Sichuan 0, 610500, CN)
杨迎新 (中国四川省成都市新都区新都大道8号, Sichuan 0, 610500, CN)
CHEN, Lian (Xin Du Main Street 8#, Xin Du DistrictCheng Du, Sichuan 0, 610500, CN)
陈炼 (中国四川省成都市新都区新都大道8号, Sichuan 0, 610500, CN)
| 权 利 要 求 书 1、 一种轮式钻头， 包括钻头本体 （ 1)、 轮刀 （ 2), 所述钻头本体 （ 1 )上 具有轮掌 （ 3 )， 所述轮刀 （ 2 ) 安装在所述轮掌 （ 3 ) 的轴颈 （ 6 )上， 与轮掌 ( 3)形成转动连接， 在所述轮刀 （ 2)上布置有外排切削齿圏 （4)， 其特征在 于： 所述轮刀 （ 2) 的偏移角 α的范围是 20。 | o | <90° 。 2、 根据权利要求 1所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述钻头本体（ 1) 上具有至少一组由所述轮刀 （ 1 )及轮掌 （ 3 )所构成的切削单元。 3、 根据权利要求 2所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 在所述轮刀 （ 2) 上设置有至少一个内侧切削齿圏 （ 5)。 4、 根据权利要求 1所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述外排切削齿圈 (4) 中的切削齿为聚晶金刚石复合片、 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。 5、 根据权利要求 4所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述外排切削齿圏 (4) 中的切削齿为聚晶金刚石复合片。 6、 根据权利要求 3所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述内侧切削齿圏 (5) 中的切削齿为聚晶金刚石复合片、 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。 7、 根据权利要求 6所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述内侧切削齿圈 (5) 中的切削齿为聚晶金刚石复合片。 8、 根据权利要求 3所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述切削单元为 2 组， 在至少 1组所述切削单元中的轮刀 （ 2)上设置有所述内侧切削齿圏 （ 5)。 9、 根据权利要求 3所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述切削单元为 3 权 利 要 求 书 组， 在至少 1组所述切削单元中的轮刀 （ 2 )上设置有所述内侧切削齿圏 （ 5)。 10、 根据权利要求 1或 3所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述轮刀 （ 2) 的偏移角 α的范围是 30° | α |<90° 。 11、 根据权利要求 10所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述轮刀 （ 2) 的偏移角 α的范围是 40° | α |<90° 。 12、 根据权利要求 11所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述轮刀 （ 2) 的偏移角 α的范围是 45° | α |<90° 。 13、 根据权利要求 2所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述切削单元至 少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀 （2 ) 的偏移角与其它组切削单元的 轮刀 （2 ) 的偏移角不相等。 14、 根据权利要求 2所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述切削单元至 少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀 （2 ) 的外径大小与其它组切削单元 的轮刀 （2 ) 的外径大小不相等。 15、 根据权利要求 2所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述切削单元至 少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀 （2 ) 的轴倾角与其它组切削单元的 轮刀 （2 ) 的轴倾角不相等。 16、 根据权利要求 2所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述切削单元至 单元轮刀上的布齿间距不相同。 17、 根据权利要求 1所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述同一轮刀 （2) 上的切削齿不等间距布置。 18、 根据权利要求 3所述的一种轮式钻头， 其特征在于： 所述同一轮刀 （2) 上外排切削齿圏 （4 ) 与内侧切削齿圈 （5 ) 的布齿间距不相同。 |
技术领域
本发明属于石油天然气、 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， 具体的讲涉及一种轮式钻头。
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。 现今钻井工程中所使用的钻头 主要有牙轮钻头 （包括三牙轮钻头和单牙轮钻头） 和 PDC (聚晶金刚石复合片） 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。 岩石的抗压强度较抗剪强度和抗拉强度均要高 得多， 三牙轮钻头利用牙齿 对岩石的冲压作用来破岩， 能量利用率不高， 破岩效率相对较低。特别是在深部地层钻进时 , 在高密度钻井液作用条件下井底的岩屑压持效 应十分明显， 牙齿难以压入地层并形成有效的 破碎。 轴承寿命低是制约三牙轮钻头使用寿命的主要 因素之一。 由于三牙轮钻头是以冲击压 碎的形式破岩， 轴承受到的冲击大， 载荷幅值高， 加之轴承转速相对较快， 因此三牙轮钻头 的轴承寿命较短。 现有牙轮钻头的牙轮偏移角大多不超过 5 ° ， 钻头在井底旋转钻进时， 轮 体速比高， 牙轮绕牙掌轴颈的转动速度快， 牙轮上的牙齿与井底岩石相接触的时间很短， 牙 齿在井底滑移的距离也很短， 牙齿在井底岩石上冲压出一个个凹坑 9， 如图 24所示， 凹坑 9 沿圆周方向和半径方向的长度均很短。
单牙轮钻头轴承尺寸较大， 牙轮转速低， 寿命优于三牙轮钻头。 但单牙轮钻头也有一个 无法避免的弱点， 那就是牙齿耐磨性严重不足， 齿一旦磨钝， 钻速就会急剧降低。
现今， 无运动部件、 耐磨且寿命长的 PDC (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 PDC钻 头破碎岩石的切削结构。 为了及时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面 ， 同时也为了清洗钻 头和冷却切削齿， PDC钻头上还需具有水力结构。 水力结构通常由钻头内流道、 外流道和喷 射孔组成。 喷射孔又称喷嘴， 可以是直接设置在钻头本体上的固定式喷嘴， 也可以是安装在 钻头上的可替换式喷嘴。 为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的 工作效果， 在设计、 制造钻头时，通常按照一定的规律将 PDC齿分成若干组， 同组的 PDC齿固结在同一个齿座上, 每个齿座以及分布于其上的 PDC齿构成一个切削结构单元， 称为刀翼（齿座为刀翼体）。刀翼 之间的沟槽就形成了钻头的外流道。 这种钻头为刀翼式 PDC钻头。 刀翼式 PDC钻头是 PDC钻 头的主要结构类型。 说 明 书 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。 发明内容
本发明的目的是提供一种以切削或刮切方式破 岩的大偏移角轮式钻头， 大偏移角使钻头 轮刀上的切削齿以切削或刮切方式交替破碎岩 石， 能够在增加钻头使用寿命的同时， 提高破 岩效率。
本发明的技术方案如下：
一种轮式钻头， 包括钻头本体、 轮刀， 所述钻头本体上具有轮掌， 所述轮刀安装在所述 轮掌的轴颈上， 与轮掌形成转动连接， 在所述轮刀上布置有外排切削齿圏， 所述轮刀的偏移 角 α的范围是 20° | α | 90° 。 上述结构中， 所述轮刀的偏移角 a = arctani-l , 其中 s为轮刀的移轴距， c为轮刀的基准
)
距。 如图 3、 图 4、 图 5所示， AB为钻头中心轴线， CD为轮刀中心轴线， 经过轮刀轴线 CD并 平行于钻头轴线 AB的面为轮刀极轴面 A 1 ; A 2 是经过钻头轴线 AB且垂直于轮刀极轴面 At的平 面， A 3 是经过钻头轴线 AB且平行于轮刀极轴面 1 的平面。 轮刀上表征各切削齿位置坐标的 点为各切削齿的定位点， 圆柱形 PDC齿的定位点为齿的金刚石工作平面的中心点 ， 其它类型 切削齿的定位点设置在齿的某个特定点上。 轮刀外排齿圈上各切削齿定位点所在的平面 A 4 为 轮刀基准平面，轮刀基准平面 A 4 与轮刀轴线 CD的交点 E为轮刀基准点。过点 E向钻头轴线 AB 作垂线， 垂足为 F。 轮刀基准距 c即为轮刀基准点 E到平面 ^的距离； 轮刀移轴距 S 即为钻 头轴线 AB与轮刀极轴面 At之间的距离， 并规定， 沿钻头轴线从轮刀向钻头接头螺纹方向看 (即逆钻头钻进方向看）， 使轮刀基准点 E位于平面 A 2 左侧， 此时若极轴面 在平面 A 3 下方 则为正移轴， 反之， 则为负移轴 （图 5所示为正移轴， 图 6所示为负移轴）； 轮刀的偏移角 ct 即为直线 EF与平面 A 3 之间的夹角， 即有偏移角 a = arctani-l， 正移轴时偏移角 α为正， 负移 c ) 说 明 书 轴时偏移角 α为负；轮刀的轴倾角 β即为轮刀轴线 CD与垂直于钻头轴线 AB的平面之间的夹 角。
当钻头在钻压、 扭矩的驱动下旋转钻进时， 轮刀在随钻头本体绕钻头轴线做旋转运动和 沿轴线做轴向进给运动外，还会相对于钻头本 体发生旋转运动，即会绕轮掌的轴颈中心线（ 即 轮刀轴线）做转动。 如果轮刀的偏移角等于零， 轮刀的轴线与钻头轴线相交， 轮刀会以纯滚 动或接近于纯滚动的方式在井底岩石上滚动， 其平均转速等于或近似等于由钻头转速和轮刀 滚动轨迹圆半径所确定的纯滚动速度。 此时， 轮刀将以与井底岩石相作用的切削齿的作用点 为瞬时转动中心发生相对转动， 切削齿与岩石之间不存在相对滑移。 如果轮刀的偏移角不等 于零， 则轮刀的轴线与钻头轴线不再相交， 而是空间交错， 轮刀的纯滚动条件不再满足。 此 时， 轮刀仍会在岩石上滚动， 但其滚动速度不再等于纯滚动速度， 而是低于纯滚动速度。 轮 刀上的切削齿在滚过岩石的过程中会与岩石发 生相对滑移， 从而形成切削齿对岩石的刮切或 切削作用。
当偏移角不为零时， 轮刀上的切削齿在井底岩石上的相对滑移 （刮切） 包含两个部分： 第一， 径向滑移。 轮刀上的切削齿从开始切削岩石 （切入） 到脱离切削岩石 （切出） 的过程 中， 岩石上的切入点与切出点的径向 （钻头径向） 位置不同， 表明切削齿在与岩石接触的过 程中发生了径向滑移， 切入点与切出点之间的径向距离， 代表了切削齿的径向滑移量。 偏移 角越大， 切削齿切入、 切出点之间的径向距离越大， 径向滑移量也就越大。 第二， 周向滑移。 当钻头转速确定时， 轮体速比决定了切削齿的切削工作时间 （即从切入岩石到切出岩石的一 次切削过程所经历的时间）。 由于偏移角不为零时的轮体速比低于纯滚动条 件下的轮体速比， 轮刀的转速变慢， 所以切削齿的切削工作时间变长， 因而使切削齿产生沿周向 （钻头圆周方 向） 的滑移量。 轮体速比越小， 切削齿的切削工作时间越长， 周向滑移量也就越大。 切削齿 在井底岩石上的总的滑移速度是径向滑移速度 与周向滑移速度的矢量合成。 根据钻头体与轮 刀的运动特征，切削齿在井底岩石上的滑移（ 刮切）轨迹是沿着钻头旋转方向的从外到内（ 偏 移角为正时） 或从内到外 （偏移角为负时） 的类似螺旋线形状。
轮刀的移轴距 s增大或基准距 c减小， 均导致轮刀偏移角 α增大， 故都会增大切削齿在 井底的径向滑移和周向滑移， 即增大切削齿在井底的总的滑移量。 上述轮刀的偏移角 a = arct an ^^， 使 20° ≤Ξ | ct | 90° 从而更好地实现切削齿以刮切的
^)
方式破岩。 具体的讲， 当钻头外径一定， 轮刀直径保持不变时， 增大轮刀的移轴距 s， 轮刀 的基准距 c就会相应地减小。
对固定切削齿钻头而言， 切削齿持续不断地切削井底岩石， 钻头不同径向区域上的 PDC 说 明 书 齿的磨损速度差异十分明显， 一般钻头外部区域 （特别是钻头半径的外 1/3区域） 切削齿的 磨损速度明显快于心部区域的齿。 本发明中的轮刀上的切削齿以缓慢交替的形式 轮流刮切破 岩， 每个切削齿的实际参与切削工作的总时间明显 少于钻头的运转时间， 因此切削齿的磨损 速度显著降低。 所以， 本发明的轮式钻头一方面更易于实现切削齿的 均衡磨损， 另一方面能 显著提高钻头的工作寿命。
轮刀上的切削齿的交替切削工作方式有利于切 削齿 （特别是 PDC齿） 的冷却， 避免或减 少了由于温度过高而导致磨损加剧的热磨损现 象的发生。
对常规固定齿钻头而言， 增加布齿密度可以减缓切削齿的磨损速度， 增加钻头的工作寿 命， 但同时也会降低钻头的钻进速度。 在本发明中， 轮刀上能布置更多的切削齿， 增加了切 削齿数量， 且轮刀上的切削齿能轮流工作。 由于轮刀上同时参与切削岩石的只有部分切削 齿, 所以， 钻头的有效工作齿数明显小于钻头的总切削齿 数。 换言之， 轮刀切削结构可以在增加 总切削齿数 （增加布齿密度） 的同时， 保持同时工作的齿数不变或基本不变。 其效果是在保 持钻头钻进速度的同时使钻头的工作寿命得以 延长。 这样， 在钻头设计中延长钻头寿命与提 高钻速之间的矛盾可得到明显的缓解。
由于轮刀上的切削齿以刮切方式破碎岩石， 轮刀所需的钻压相对较小， 钻压波动幅度也 较小， 且轮式钻头的轮体速比低于三牙轮钻头， 因而轮式钻头可以达到比三牙轮钻头更高的 轴承寿命。
本发明的思路是： 通过增大轮刀的移轴距8、 减小轮刀的基准距 C的方式增大轮刀偏移 角 α， 并使其在 20° | α | 90° 范围内， 达到增大轮刀上的切削齿在井底的径向滑移量 ， 并同时降低轮体速比， 增大切削齿在井底的刮切时间和周向滑移量， 从而增加切削齿在井底 岩石上总的滑移量（刮切量）。这样， 当钻头在井底工作时， 轮刀上的切削齿以缓慢的速度切 入岩石， 并在钻头体的带动下相对井底岩石刮切一段较 长距离后再缓慢切出， 从而实现轮刀 上的切削齿以缓慢交替的形式在井底轮流刮切 或切削破岩的目的。
本发明与现有技术相比， 其有益效果是：
( 1 )本发明轮刀偏移角 α较大， 钻头旋转钻进时， 轮体速比较小， 切削齿在井底滑移量 大， 可实现切削齿的刮切破岩工作方式， 有利于提高破岩效率。
( 2 )轮式钻头的切削齿交替工作， 减少或避免了固定切削齿钻头因少数切削齿失 效带来 的钻头早期失效， 延长了钻头使用寿命。
( 3 )轮式钻头的切削齿交替工作， 磨损均匀， 各切削齿的工作能力可得到充分利用。
(4)轮式钻头的切削齿交替工作， 冷却效果好， 不易发生热磨损。
( 5 )轮式钻头可以利用 PDC复合片等金刚石复合元件作为切削齿， 齿的工作寿命和切削 说 明 书 效率均优于单牙轮钻头。
( 6 )轮式钻头钻进时所需的钻压小， 轴承所受载荷小， 且载荷波动幅度低； 钻头的轮体 速比低， 故轴承相对转动缓慢、 发热少。 所以， 轮式钻头的轴承工作寿命长于同等规格的三 牙轮钻头。
所述钻头本体上具有至少一组由所述轮刀及轮 掌所构成的切削单元。
在所述轮刀上设置有至少一组内侧切削齿圈。 内侧切削齿圈是指布置于轮刀上， 较外排 切削齿圈更靠里的切削齿圈， 其数量可为 1到多个。
所述外排切削齿圈中的切削齿为聚晶金刚石复 合片、 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。
所述外排切削齿圏中的切削齿为聚晶金刚石复 合片。
所述内侧切削齿圈中的切削齿为聚晶金刚石复 合片、 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。
所述内侧切削齿圈中的切削齿为聚晶金刚石复 合片。
所述切削单元为 2组，其中至少一组所述切削单元中的轮刀上 置有所述内侧切削齿圈。 所述切削单元为 3组，其中至少一组所述切削单元中的轮刀上 置有所述内侧切削齿圈。 所述轮刀的偏移角 α的范围是 30° | α | <90° 。
所述轮刀的偏移角 α的范围是 40° | α |〈90° 。
所述轮刀的偏移角 α的范围是 45 ° | ct |〈90° 。
轮刀上的切削齿在实际钻进过程中， 可能出现切削齿 "同轨切削" 的现象。 所谓 "同轨 切削"就是指， 钻头在旋转钻进过程中， 切削齿与岩石作用时落入井底上一破岩过程中 留下 的破碎槽 （或坑） 中的现象。 轮刀上的切削齿发生 "同轨切削"时， 切削齿进入井底原有的 破碎槽内， 既减少了岩石切削量， 又增加了切削齿吃入岩石的难度。 所以， "同轨切削"现象 将对钻头的破岩效率产生不利影响。
为减少和避免轮刀上切削齿 "同轨切削"现象的发生， 本发明可采取以下进一步的改进 方案来实现：
所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀的偏移角与其 它组切削单元 的轮刀的偏移角不相等。
所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀的外径大小与 其它组切削单 元的轮刀的外径大小不相等。 说 明 书 所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀的轴倾角与其 它组切削单元 的轮刀的轴倾角不相等。
所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元轮刀上的切削齿的布 齿间距与其它 组切削单元轮刀上的布齿间距不相同。
所述同一轮刀上的切削齿不等间距布置。
所述同一轮刀上外排切削齿圈与内侧切削齿圈 的布齿间距不相同。
上述方案的有益效果是：
( 7 )轮刀的偏移角不相等、 轮刀的外径大小不相等、 轮刀的轴倾角不相等、 轮刀上的切 削齿不等间距布置、 轮刀上各排切削齿的布齿间距不相同、 或 （和） 轮刀上的切削齿的布齿 间距与其它轮刀上的布齿间距不相同， 能减少和避免钻进过程中轮刀上切削齿 "同轨切削" 现象的发生， 使轮刀上的切削齿沿着井底岩石的"岩脊" （两破碎槽之间凸起的岩石带）刮切 破岩， 有利于切削齿对岩石的有效吃入和岩石的破碎 ， 所以能有效提高钻头的破岩效率。
( 8 )采用上述方案， 能减少和避免钻进过程中轮刀上切削齿破岩 "同轨"现象的发生， 使轮刀上的切削齿沿着井底岩石的 "岩脊"刮切破岩， 能减少和避免凸起的 "岩脊"对轮刀 本体的磨损伤害。 附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明， 其中：
图 1为本发明的结构示意图， 其切削单元为 2组， 其中一组切削单元的轮刀上设置有内 侧切削齿圈。 图中： 1、 钻头本体， 2、轮刀， 3、轮掌， 4、外排切削齿圈， 5、 内侧切削齿圈， 7、 喷嘴；
图 2为本发明沿钻头轴线俯视 （逆钻头钻进方向看） 时的视图；
图 3为本发明的轮刀几何位置参数移轴距 s、 基准距 c、 偏移角 α和轴倾角 β的示意图； 图 4为本发明的一组切削单元的轮刀沿轮刀极轴 的剖视图。 图中： 6、 轴颈； 图 5为本发明沿钻头轴线俯视时轮刀在钻头上的 对几何位置及参数 s、 c、 α的示意图， 图示偏移角为正值；
图 6为本发明沿钻头轴线俯视时轮刀在钻头上的 对几何位置及参数 s、 c、 α的示意图， 图示偏移角为负值；
图 7为本发明切削单元为 2组， 在每组切削单元中的轮刀上均设置有内侧切削 齿圈的结 构示意图；
图 8为图 7所示结构沿钻头轴线俯视时的视图； 说 明 书 图 9为本发明切削单元为 3组的结构示意图；
图 10为图 9所示结构沿钻头轴线俯视时的视图；
图 11为本发明的轮刀的基准距 C很小且偏移角 α接近 90° 时的结构示意图； 图 12为图 11所示结构沿钻头轴线俯视时的视图；
图 13为本发明切削单元为 1组的结构示意图；
图 14为本发明的轮刀的偏移角 α =20° 时，切削齿在井底刮切出的刮痕示意图。图中 ： 8、 切削齿刮痕；
图 15为本发明的轮刀的偏移角 α =30° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 16为本发明的轮刀的偏移角 α =40° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 17为本发明的轮刀的偏移角 α =50° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 18为本发明的轮刀的偏移角 α =60° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 19为本发明的轮刀的偏移角 α =70° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 20为本发明的轮刀的偏移角 α =80° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 21为本发明的轮刀的偏移角 α =85 ° 或接近 90° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意 图；
图 22为本发明的轮刀的偏移角 α =-60° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕示意图； 图 23为本发明的轮刀上同时设置有外排切削齿圈 内侧切削齿圈时，钻头切削齿在井底 刮切出的刮痕示意图；
图 24为普通三牙轮钻头在井底岩石上造出的齿坑 意图； 图中： 9、 齿坑。
图 25为本发明的轮刀偏移角不相等时的示意图； 图中， α ι ≠α 2 ;
图 26为本发明的轮刀外径大小不相等时的示意图 图中， η≠ Γ2 ;
图 27为本发明的轮刀轴倾角不相等时的示意图； 图中， P i^^ f^;
图 28为本发明的轮刀上的切削齿布齿间距不等时 示意图。
图 29为本发明的轮刀上设置有两个内侧切削齿圈 结构示意图。 具体实施方式 下面结合附图， 对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对本发 明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明 ， 并不用 于限定本发明。
如图 1 、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13所示： 一种轮式钻头， 包括钻头本 说 明 书
体 1、 轮刀 2， 所述钻头本体 1上具有轮掌 3， 所述轮刀 2安装在所述轮掌 3的轴颈 6上， 与 轮掌 3形成转动连接， 在所述轮刀 2上布置有外排切削齿圈 4， 所述轮刀 2的偏移角 α的范 围是 20° | α | 90° 。
实施例 1 :
当轮刀 2的偏移角 α = ± 20。 时， 以外径 D=8. 5英寸 （215. 9mm) 的钻头为例。 取轮刀 2 外排切削齿圈 4的半径 r为 65 轮刀 2的轴倾角 β =0° ， 由于
s = c . tanla I ( 1 )
由式 （1 )和 （2 ) 可得， 基准距 c=62. 75mm， 轮刀 2的移轴距 s=22. 84mm。
在上述参数下， 轮刀 2外排切削齿圈 4上的切削齿从切入到切出井底岩石的过程中 其 径向滑移量为 41. 17 。经理论计算和已做的实际实验都可得出此时 的轮体速比在 0. 96以下， 钻头旋转钻进时轮刀 2自转缓慢， 即可实现轮刀 2上的切削齿以缓慢的速度压入岩石， 并在 钻头体的带动下相对井底岩石刮切一段较长距 离后再缓慢切出。如图 14所示， 为本发明的轮 刀 2的偏移角 α =20° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8的示意图。从图中可看出， 切削齿在 井底的滑移量 （刮切轨迹线长度）较长， 明显体现了切削齿轮换交替并以刮切的形式破 岩的 特点。
在上述 D和 r取值不变， 且保证 ci 5s 20° 时， 若增大轴倾角 β , 此时基准距 c减小， 移 轴距 s增大。 这样虽会减小切削齿在井底的径向滑移量， 但同时会明显减小轮体速比， 增大 切削齿的周向滑移量， 切削齿的周向滑移增大量比其径向滑移减小量 要大。 即， 其它参数不 变时， 轴倾角 β的增大将会使切削齿在井底的滑移量进一步 长。 因此， 上述计算过程中取 β =0° 是上述参数下实现切削齿在井底的滑移量最小 的情形。
以下实施计算过程中， 均取 β =0° 。
实施例 2:
当轮刀 2的偏移角 a = ± 30 ° 时， 仍以外径 D=215. 9mm的钻头为例。取轮刀外排切削齿圈 4的半径 r为 65mm。
仍由式 ( 1 )和 ( 2 )可得， 基准距 c=51. 62 轮刀 2的移轴距 s=29. 81
在上述参数下， 切削齿径向滑移量为 48. 34mm。 经理论计算和已做的实际实验都可得出 此时的轮体速比在 0. 79以下，即可实现轮刀 2上的切削齿以缓慢交替的运动形式在井底轮 刮切或切削破岩。 如图 15所示， 为本发明的轮刀 2的偏移角 ct =30 ° 时， 切削齿在井底刮切 说 明 书
出的刮痕 8的示意图。 从图中可看出， 切削齿在井底的滑移量比 α =±20° 时要长多， 体现了 切削齿以刮切的形式破岩的特点。
实施例 3:
当轮刀 2的偏移角 α =±40° 时， D r取值同上， 代入式 （1)禾卩 （2) 可得， c=41.37 s=34.71
在上述参数下， 切削齿径向滑移量为 53.95 轮体速比在 0.64以下。 如图 16所示， 为偏移角 α =40° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8的示意图。从图中可看出， 切削齿在井底 的滑移量比 α =±30° 时要长。
实施例 4:
当轮刀 2的偏移角 α =±50° 时， D r取值同上， 可得， c=31.97 s=38.11 此时， 切削齿径向滑移量为 58.21mm， 轮体速比在 0.49以下。 如图 17所示， 为偏移角 α=50° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8的示意图。从图中可看出， 切削齿在井底的滑移量 比 α =±40° 时进一步加长。
实施例 5:
当轮刀 2的偏移角 α =±60° 时， D r取值同上， 可得， c=23.32 s=40.40 此时， 切削齿径向滑移量为 61.30 轮体速比在 0.36以下。 如图 18和图 22所示， 分 别为偏移角 α =60° 和 α=-60° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8的示意图。 从图中可看出， 切削齿在井底的滑移量比 α =±50° 时要长。
实施例 6:
当轮刀 2的偏移角 α =±70° 时， D r取值同上， 可得， c=15.24mm s=41.87 此时， 切削齿径向滑移量为 63.39mm， 轮体速比在 0.23以下。 如图 19所示， 为偏移角 α=70° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8的示意图。从图中可看出， 切削齿在井底的滑移量 比 α =±60。 时要长。
实施例 7:
当轮刀 2的偏移角 α =±80° 时， D r取值同上， 可得， c=7.53 s=42.69 此时， 切削齿径向滑移量为 64.60mm， 轮体速比在 0.12左右。 如图 20所示， 为本发明 的轮刀 2的偏移角 α =80° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8的示意图。从图中可看出， 切削 齿在井底的滑移量比 α =±70° 时要长。
实施例 8:
当轮刀 2的偏移角 I α I接近或等于 90° 时，如图 8所示，此时轮刀 2的基准距 c非常小， 而轮刀 2的移轴距 s较基准距 c要大得多。 因此， 轮体速比将会更加小， 钻头钻进时轮刀自 说 明 书 转速度将更加缓慢。 切削齿在井底的滑移量会更长， 切削齿以刮切的形式破岩的特征将更明 显。 如图 21所示， 为当轮刀 2的偏移角 α接近或等于 90 ° 时， 切削齿在井底刮切出的刮痕 8 的示意图。
综合对比分析上述各实施例， 可知， 轮刀 2的偏移角 α的绝对值增大时， 轮体速比减小， 切削齿在井底的滑移量 （刮切量）将增大。 | α I越大， 切削齿在井底的刮切效果越明显。 轮 刀 2的偏移角 α的范围在 20° | α | 9(Γ 时， 均能实现钻头钻进时切削齿以缓慢交替的形 式轮流刮切破岩。
所述钻头本体 1上具有至少一组由所述轮刀 2及轮掌 3所构成的切削单元。
在所述轮刀 2上设置有至少一个内侧切削齿圈 5。 如图 29所示， 在所述轮刀上设置有两 个内侧切削齿圈。
所述切削单元为 2组， 在至少 1组所述切削单元中的轮刀 2上设置有一组所述内侧切削 齿圈 5。
所述切削单元为 3组， 在至少 1组所述切削单元中的轮刀 2上设置有一个所述内侧切削 齿圈 5。
所述外排切削齿圈 4以及内侧切削齿圈 5中的切削齿为聚晶金刚石复合片、 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。
所述外排切削齿圈 4以及内侧切削齿圈 5中的切削齿为聚晶金刚石复合片。
所述轮刀 2的偏移角 α的范围是 30° I α | <90° 。
所述轮刀 2的偏移角 α的范围是 40° I α |〈90° 。
所述轮刀 2的偏移角 α的范围是 45° I α |〈90° 。
为减少和避免轮刀上的切削齿破岩 "同轨"现象的发生， 本发明可采用以下实施方案： 所述轮刀 2及轮掌 3所构成的切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀的 偏移角与其它组切削单元的轮刀的偏移角不相 等。 如图 25所示， 两轮刀的偏移角不相等， α ι≠α 2 ； 若切削单元为三组， 则一组切削单元中的轮刀的偏移角为 α ι ， 另外两组都是 α 2 ， α ι≠α 2 ， 或者另外两组中一个是 α 2 ， 另一个是 α 3 ， α 2 ≠ α 3 。
所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀的外径大小与 其它组切削单 元的轮刀的外径大小不相等。 如图 26所示， 两轮刀的外径不相等， ri ≠r 2 ; 若切削单元为三 组， 则一组切削单元中的轮刀的外径为 n， 另外两组都是 Γι ， n≠r 2 ， 或者另外两组中一个 是 r 2 ， 另一个是 r 3 ， r 2 ≠r 3 。
所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元的轮刀的轴倾角与其 它组切削单元 说 明 书 的轮刀的轴倾角不相等。 如图 27所示， 两轮刀的轴倾角不相等， i f^; 若切削单元为三 组， 则一组切削单元中的轮刀的轴倾角为 f t， 另外两组都是 β 2 ， β ι≠ί 2 ， 或者另外两组 中一个是 β 2 , 另一个是 β 3 ， β 2 ≠β 3 。
所述切削单元至少有两组， 其中至少有一组切削单元轮刀上的切削齿的布 齿间距与其它 组切削单元轮刀上的布齿间距不相同。
所述同一轮刀上的切削齿不等间距布置。如图 28所示，轮刀上切削齿间的布齿间距不相 等。
所述同一轮刀上外排切削齿圈与内侧切削齿圈 的布齿间距不相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之 内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。
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