本發明涉及石油、天然氣鉆井的技術領域，特別涉及一種復合鉆頭。

背景技術：

隨著油氣田勘探開發工作的不斷深入，實際鉆井中遇到的地層越來越深，地層構造越來越復雜，導致鉆井難度越來越大。尤其是深部極硬、強研磨性的地層，如花崗巖、火成巖和致密砂巖等地層，面臨著鉆井速度慢，鉆頭壽命短，鉆井周期長，鉆井成本高的難題，制約著勘探開發的整體效益。而鉆頭的使用壽命和破巖效率是提高鉆井效率的關鍵因素，因此，如何提高在極硬、研磨性地層的鉆井速度，是目前亟待解決的技術難題。

PDC(Polycrystalline diamond compact)是一種將人造聚晶金剛石與碳化鎢基座在高溫高壓條件下焊接在一起的切削元件，PDC鉆頭上世紀八十年代問世以來，因具有平均機械鉆速高、進尺多、壽命長等特點，已逐漸成為石油、天然氣工業廣泛推廣應用的一種高效破巖工具。

現有的PDC鉆頭的切削齒鑲嵌固定在鉆頭刀翼上，接觸巖石的邊刃是恒定不變的，這種切削結構的缺點是PDC鉆頭的切削齒有超過60％的邊刃并沒有用到。一旦接觸巖石的邊刃磨損后，切削效率就會顯著下降，甚至失去了破巖的效果。另外，因PDC鉆頭的PDC復合片比較脆，易于崩碎，而且只在表面上覆蓋一層金剛石，對于硬研磨性地層來講，由于金剛石含量偏少，導致PDC鉆頭在這些地層中的壽命較短、進尺偏少。

現有技術中的孕鑲金剛石鉆頭采用小顆粒金剛石作為切削元件，因鉆頭的孕鑲金剛石層中都混合有金剛石顆粒，金剛石含量較高，且相對比較均勻，因此壽命較長、進尺較多。但孕鑲金剛石鉆頭工作原理為磨削和犁削，導致其機械鉆速較低，鉆井效率不高。

技術實現要素：

為解決PDC鉆頭進尺偏少，孕鑲金剛石鉆頭鉆速較低的技術問題，本發明提出一種復合鉆頭，不僅提高了機械鉆速和鉆頭進尺，延長了使用壽命；還提高了鉆頭在深部極硬、強研磨性地層中的鉆井破巖效率。

本發明提出一種復合鉆頭，其包括柱狀的接頭和連接于接頭上的鉆頭體，所述復合鉆頭還包括沿所述鉆頭體的周向均勻布置在所述鉆頭體上的至少三個刀翼，各所述刀翼分別沿所述鉆頭體的徑向從內向外延伸，各所述刀翼的外側面上均具有冠部輪廓，所述冠部輪廓為一曲線；

所述復合鉆頭還包括均固定設置在所述冠部輪廓上的多個切削齒和多個磨削齒，各所述切削齒沿所述刀翼的延伸方向排成一排，各所述磨削齒沿所述刀翼的延伸方向排成一排；各所述磨削齒所在的排位于各所述切削齒所在的排沿所述鉆頭體的旋轉方向的后方，各所述磨削齒的頂點高度低于同一圓周上的所述切削齒的頂點高度。

進一步地，各所述冠部輪廓包括從內向外依次連接的鼻部、外肩部、結合部和保徑部，各所述磨削齒延伸分布在所述鼻部、所述外肩部和所述結合部上。

更進一步地，各所述切削齒均包括：

連接在所述刀翼上的切削本體，其具有安裝槽；

切削頭，其包括碳化鎢基座和人造聚晶金剛石復合片；所述人造聚晶金剛石復合片固定連接在所述碳化鎢基座上，所述碳化鎢基座置于所述安裝槽內，所述人造聚晶金剛石復合片伸出所述安裝槽。

進一步地，各所述切削齒均為圓柱、橢圓柱或楔形柱，各所述磨削齒均為圓柱、橢圓柱或弧形柱。

進一步地，各所述切削齒的中心線與所述鉆頭體的旋轉方向之間具有第一后傾角和第一側傾角。

作為一種可實施的方式，各所述切削齒的所述碳化鎢基座分別通過軸承能旋轉地置于所述安裝槽內，或者各所述切削齒的所述切削本體分別通過軸承能旋轉地連接在所述刀翼上。

作為另一種可實施的方式，各所述切削齒上，位于所述鼻部和所述外肩部上的所述碳化鎢基座分別通過軸承能旋轉地置于所述安裝槽內；

或者各所述切削齒上，位于所述鼻部和所述外肩部上的所述切削本體分別通過軸承能旋轉地連接在所述刀翼上。

進一步地，各所述磨削齒的頂點高度低于同一圓周上的所述切削齒的頂點高度1毫米～3毫米。

進一步地，所述刀翼的數量為4～7個。

進一步地，各所述磨削齒均為孕鑲金剛石齒。

本發明相比于現有技術的有益效果在于：本發明的復合鉆頭結合了切削齒和磨削齒的優勢，同時彌補了切削齒和磨削齒的不足。切削齒具有切削能力強，破巖能力強的特點，彌補了磨削齒切削能力不足的劣勢。磨削齒具有耐沖擊和磨損的特點，可以起到限制單次切入地層深度，保護了切削齒，延長了切削齒的使用壽命。

本發明不僅利用了磨削齒研磨性強的特點，提高了機械鉆速和鉆頭進尺，使鉆進平穩，延長了使用壽命；還利用了切削齒切削能力強的特點，具有足夠的破碎巖石的能力，提高了鉆頭在深部極硬、強研磨性地層中的鉆井破巖效率。

切削齒在徑向力的推動作用下會相對于刀翼繞自身的中心軸旋轉，實現自旋轉功能，旋轉后的切削齒使刀刃沿周向實現了均勻磨損；有效地避免在鉆井過程中只有部分的邊刃進行切削，使切削齒磨損均勻，提高了切削齒的利用效率，提高了復合鉆頭的抗磨損能力。還可以根據復合鉆頭中切削齒的實際磨損情況，靈活布置能旋轉的切削齒的數量和位置。

附圖說明

圖1為本發明的復合鉆頭的主視示意圖；

圖2為本發明的復合鉆頭的俯視示意圖；

圖3為本發明的復合鉆頭的立體示意圖；

圖4為本發明的復合鉆頭的刀翼的冠部輪廓的主視示意圖；

圖5為本發明的復合鉆頭的切削齒的半剖立體示意圖；

圖6為本發明的復合鉆頭的切削齒的半剖主視示意圖；

圖7為本發明的復合鉆頭的切削齒與地層的作用關系示意圖；

圖8為本發明的復合鉆頭的切削齒受力的分解示意圖。

附圖標記：

10-接頭；20-鉆頭體；

30-刀翼；

31-內錐面；32-鼻部；33-外肩部；34-結合部；35-保徑部；

40-切削齒；

42-切削本體；44-碳化鎢基座；46-人造聚晶金剛石復合片；

50-磨削齒。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明上述的技術特征和優點進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的部分實施例，而不是全部實施例。

請參閱圖1所示，一種復合鉆頭，其包括柱狀的接頭10和連接于接頭10上的鉆頭體20，復合鉆頭還包括至少三個刀翼30，至少三個刀翼30沿鉆頭體20的周向均勻布置在鉆頭體20上，各刀翼30分別沿鉆頭體20的徑向從內向外延伸，各刀翼30的外側面上均具有冠部輪廓，冠部輪廓為一曲線。

請參閱圖2和圖3所示，復合鉆頭還包括均固定設置在冠部輪廓上的多個切削齒40和多個磨削齒50，各切削齒40沿刀翼30的延伸方向排成一排，各磨削齒50沿刀翼30的延伸方向排成一排。各磨削齒50所在的排位于各切削齒40所在的排沿鉆頭體20的旋轉方向的后方，各磨削齒50的頂點高度低于同一圓周上的切削齒40的頂點高度。

較優地，復合鉆頭上切削齒40的數量為7～10個，復合鉆頭上磨削齒50的數量為4～6個。各刀翼30上的切削齒40的數量相同或者互不相同，各刀翼30上的磨削齒50的數量相同或者互不相同。各切削齒40的連線經過的平面通過鉆頭體20的中心軸；各刀翼30上，各磨削齒50的連線經過的平面平行于各切削齒40的連線經過的平面。另外，在各個刀翼30上，各磨削齒50的頂點高度低于前方對應的切削齒40的頂點高度，保證了切削齒40在切削過程中，磨削齒50不會對切削齒40造成擋止，影響切削效果。

在鉆井作業中，鉆頭體20在上部的轉盤和電動鉆具的帶動下旋轉，轉盤和電動鉆具的轉向是確定的，所以鉆頭體20的旋轉方向始終為一個方向。本發明的復合鉆頭中，切削齒40作為前排齒，磨削齒50作為后排齒，位于前排的切削齒40會先接觸并作用于巖層，彌補了后排的磨削齒50切削能力不足，后排的磨削齒50保護了位于前排的切削齒40。

本發明的復合鉆頭結合了切削齒40和磨削齒50的優勢，同時彌補了切削齒40和磨削齒50的不足。切削齒40具有切削能力強，破巖能力強的特點，彌補了磨削齒50切削能力不足的劣勢。磨削齒50具有耐沖擊和磨損的特點，可以起到限制單次切入地層深度，保護了切削齒40，延長了切削齒40的使用壽命。

另外，在刀翼30上設置位于后排的磨削齒50和位于前排的切削齒40，兼顧了攻擊性和穩定性。不僅利用了磨削齒50研磨性強的特點，提高了機械鉆速和鉆頭進尺，使鉆進平穩，延長了使用壽命；還利用了切削齒40切削能力強的特點，具有足夠的破碎巖石的能力，提高了鉆頭在深部極硬、強研磨性地層中的鉆井破巖效率。

較優地，各切削齒40和各磨削齒50分別釬焊于鉆頭體20上。

進一步地，請參閱圖4所示，各冠部輪廓包括從內向外依次連接的鼻部32、外肩部33、結合部34和保徑部35，如圖1和圖3所示，各磨削齒50延伸分布在鼻部32、外肩部33和結合部34上。較優地，各切削齒40延伸分布在整個冠部輪廓上，以便充分地切削地層，保證鉆進效率。

如圖4所示，曲線形的冠部輪廓呈一彎鉤形，也就是說，冠部輪廓包括多段首尾相連的弧線，各段弧線的曲率互不相同，且各段弧線的中心位于曲線的同一側。還可以在鼻部32內側設置內錐面31，內錐面31上遠離鼻部32的一端與鉆頭體20的頂部中心重合，在內錐面31處形成向內凹陷的倒錐形空間，用于暫時容納切削下來的巖石碎片。鼻部32向外延伸并朝上方突出，在鉆井作業中有利于其上的切削齒40向下持續鉆進。外肩部33向外延伸并朝右側突出，用于側向鉆進。結合部34為一曲面，保證了外肩部33與保徑部35之間的圓滑過渡。保徑部35維持復合鉆頭的鉆井過程穩定，并能保持井眼的尺寸。

更進一步地，請參閱圖5和圖6所示，各切削齒40均包括切削本體42和切削頭。切削本體42連接在刀翼30上，切削本體42具有安裝槽。切削頭包括碳化鎢基座44和人造聚晶金剛石復合片46；人造聚晶金剛石復合片46固定連接在碳化鎢基座44上，碳化鎢基座44置于安裝槽內，人造聚晶金剛石復合片46伸出安裝槽。

較優地，人造聚晶金剛石復合片46經高溫高壓粘結在碳化鎢基座44上，形成一體式結構。各切削齒40(即PDC切削齒)分別由其上的人造聚晶金剛石復合片46對地層進行切削。

進一步地，如圖3和圖5所示，各切削齒40均為圓柱、橢圓柱或楔形柱，各磨削齒50均為圓柱、橢圓柱或弧形柱。圓柱是橫截面呈圓形的柱體，橢圓柱形是橫截面呈橢圓形的柱體；楔柱形的一端端面垂直于側面，其另一端端面與側面之間具有夾角；圓弧柱形的橫截面由一條弧線和一條直線圍合而成。

可根據實際生產和齒加工工藝的需要，選擇切削齒40和磨削齒50的形狀，使其適用范圍更廣，能方便推廣應用。

進一步地，各切削齒40的中心線與鉆頭體20的旋轉方向之間具有第一后傾角和第一側傾角。切削齒40的法線方向(即圓柱形的中心線或軸線)與鉆頭體20的切線方向(前進方向)存在一定夾角，這個夾角分解到豎直面和水平面上分別為第一后傾角和第一側傾角。第一后傾角可以減少切削齒40在工作時的震動，延長使用壽命。第一側傾角的作用是使切削齒40在切削地層時對齒前巖石產生側向推力。

一般情況下，切削齒40的第一后傾角越小，攻擊能力越強，適合軟地層。第一后傾角越大，攻擊性越弱，穩定性越好，適合硬地層。同理，切削齒40的第一側傾角越小，攻擊性越強。第一側傾角大，穩定性越好。本發明綜合考慮了復合鉆頭的攻擊性和穩定性，設置較小的第一后傾角和第一側傾角。

較優地，各磨削齒50的中心線與鉆頭體20的旋轉方向之間也可設置第二后傾角和第二側傾角。

作為一種可實施的方式，各切削齒40的碳化鎢基座44分別通過軸承能旋轉地置于安裝槽內，或者各切削齒40的切削本體42分別通過軸承能旋轉地連接在刀翼30上。也就是說，在冠部輪廓上，所有切削齒40均能旋轉，有效避免在鉆井過程中只有部分的邊刃進行切削，使切削齒40磨損均勻，提高了切削齒40的利用效率，提高了復合鉆頭的抗磨損能力。

作為另一種可實施的方式，各切削齒40上，位于鼻部32和外肩部33上的碳化鎢基座44分別通過軸承能旋轉地置于安裝槽內；或者各切削齒40上，位于鼻部32和外肩部33上的切削本體42分別通過軸承能旋轉地連接在刀翼30上。也就是說，在冠部輪廓上，只有部分切削齒40能旋轉，這一部分能旋轉的切削齒40位于易磨損的鼻部32和外肩部33，其他位置的切削齒40不能旋轉。這樣也可以有效地避免在鉆井過程中只有部分的邊刃進行切削，使切削齒40磨損均勻，提高了切削齒40的利用效率，提高了復合鉆頭的抗磨損能力。

還可以根據復合鉆頭中切削齒40的實際磨損情況，靈活布置能旋轉的切削齒40的數量和位置。

較優地，本實施例中軸承設置在碳化鎢基座44與安裝槽之間，軸承采用滾動軸承，軸承還可以起到定位和鎖緊切削頭的作用。滾動軸承如果磨損，切削頭會從切削本體42上分離，因而滾動軸承的強度非常重要。

鉆頭的受力狀況請參閱圖7所示，切削齒40在軸向力F_v和切向力F_h的聯合作用下，切入地層巖石一定深度，并擠壓刃前巖石，使之發生塑性變形破碎，不斷地向自由面剪切滑移出去。請參閱圖8所示，根據作用力與反作用力的原理，地層會給切削齒40一個向上的支撐力Q₁和摩擦力Q₂。由于第一側傾角的存在，摩擦力Q₂被分解為平行于切削齒40法線的力T₁和垂直于切削齒40法線的徑向力T₂。切削齒40在徑向力T₂的推動作用下會相對于刀翼30繞自身的中心軸旋轉，實現自旋轉功能，旋轉后的切削齒40使刀刃沿周向實現了均勻磨損。

本發明的復合鉆頭，切削齒40能夠自旋轉，將自旋轉的PDC切削齒40的切削功能和磨削齒50的磨削功能結合在一起，使復合鉆頭既具有PDC鉆頭在硬研磨性地層中機械鉆速高、進尺地的特點；又具有孕鑲金剛石鉆頭機械鉆速低、進尺高、壽命長的特點。同時，還能顯著提高切削頭的利用率，使其比PDC鉆頭的壽命更長，比孕鑲金剛石鉆頭的鉆速更高。

進一步地，各磨削齒50的頂點高度低于同一圓周上的切削齒40的頂點高度1毫米～3毫米，可以根據實際需要對高度差進行選擇。

進一步地，刀翼30的數量為4～7個。刀翼30設置的數量與地層有關，松軟地層一般用4～5個刀翼30，堅硬地層一般用5～7個刀翼30。本發明綜合考慮硬地層特性和切削齒40的使用壽命，采用6個刀翼30。

進一步地，各磨削齒50均為孕鑲金剛石齒，孕鑲金剛石齒由復合胎體和天然金剛石經燒結工藝制成，金剛石鑲嵌在復合胎體上。

本發明的復合鉆頭，由于在鉆頭體20上釬焊了磨削齒50和PDC切削齒40，在鉆進前期，復合鉆頭以PDC切削齒40剪切破碎巖石的作業為主，可以獲得較高的機械鉆速。同時，由于全部或部分PDC切削齒40的人造聚晶金剛石復合片46在鉆進過程中受力后，能夠相對于刀翼30自旋轉，在人造聚晶金剛石復合片46切削地層時，切削齒40的切削頭的外端面(即人造聚晶金剛石復合片46的外端面)的整個圓周均能參與對地層的切削，提高了切削頭的利用率，從而大幅度提高了PDC切削齒40的使用壽命。

當人造聚晶金剛石復合片46磨損到一定程度后，高度相對較低的磨削齒50參與磨損巖石，同時人造聚晶金剛石復合片46還能在旋轉后繼續剪切破碎巖石，提高了復合鉆頭的復合破巖效率，此時，磨削齒50還能保護人造聚晶金剛石復合片46，減少巖石對人造聚晶金剛石復合片46的沖擊，延長人造聚晶金剛石復合片46的使用壽命；從而達到增加鉆頭進尺和壽命的作用。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步的詳細說明，應當理解，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍。特別指出，對于本領域技術人員來說，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。