專利名稱：牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及牙輪鉆頭。
背景技術(shù)：
近來，三牙輪鉆頭已被用作挖掘井用的牙輪鉆頭。如圖10所示，三牙輪鉆頭包括具有軸頸部分2的鉆頭主體4、能夠相對于鉆頭主 體4旋轉(zhuǎn)的錐形部分6、位于錐形部分6和軸頸部分2之間的支承部分8、以及設置在錐形 部分6和軸頸部分2之間以密封支承部分8的密封件10。多個硬質(zhì)合金尖端12和14嵌入 在錐形部分6中。硬質(zhì)合金尖端包括與井底部接觸的硬質(zhì)合金尖端12和與井側(cè)壁接觸的 修整尖端14(gaUge tip)。與井的側(cè)壁接觸的修整表面16形成在錐形部分6中的每個修 整尖端14的內(nèi)側(cè)(修整表面16比修整尖端14更加靠近鉆頭主體4和軸頸部分2形成)。 硬質(zhì)合金尖端(修整表面尖端)18也位于修整表面16上。位于修整表面16上的硬質(zhì)合金 尖端18提供超高的耐磨性但切削和壓碎井壁代替磨碎井壁。如圖10所示，球軸承8a和金 屬軸承8b設置在支承部分8中。美國專利No. 5119714公開了一種發(fā)展超高壓技術(shù)的嘗試，其中為了提高修整尖 端和修整表面尖端的耐磨性而使用了天然或者人造金剛石。在美國專利No. 4940099中，多 晶金剛石和硬質(zhì)合金尖端設置在修整表面上以提高耐磨性。美國專利No. 5119714和美國 專利No. 4940099都沒有描述將尖端設置成主動對井壁進行鉆孔。美國專利No. 5346026公開了一種為了保持井的挖掘直徑固定而保持修整表面的 嘗試。美國專利No. 5346026公開了一種利用多晶金剛石(PDC或者TSP)、CBN等與硬質(zhì)合 金以及改進的尖端形狀的復雜結(jié)合來切割井壁的嘗試。這些措施是用于提高修整表面的耐 磨性的而不是設計用來抑制應力和振動的。因此，這些措施并不用來保護支承部分8或者 密封件10。關(guān)于密封件10，則集中在結(jié)構(gòu)的研究(美國專利No. 6431293提出了具有雙密封件 的改進措施)和密封材料的研究(例如，美國專利No. 5456327提出了 0型圈的表面改良)上。對挖掘井用牙輪鉆頭的關(guān)注在于渾水會透過密封件10進入支承部分8并作為研 磨材料而磨損密封件10和軸承8a和Sb。磨損的軸承8a和8b會使錐形部分6的旋轉(zhuǎn)發(fā)生 變形，從而導致硬質(zhì)合金尖端12和14與巖石之間的滑動。這會促進磨損。此外，可能發(fā)生 嚴重的事故；錐形部分6可能從軸頸部分2滑脫。在挖掘動作過程中井側(cè)壁作用在鉆頭上的壓力(圖10中的F)沿著錐形部分6滑 脫的方向(水平方向)。來自井壁的所有壓力由軸承8a和8b接收。在牙輪鉆頭中，硬質(zhì)合 金尖端(有時是P⑶尖端)18等位于修整表面16上，以防止修整表面16受到磨損。硬質(zhì) 合金尖端18等壓入巖石中，其頭部露出大約1mm，以與錐形部分6的旋轉(zhuǎn)聯(lián)合粉碎井壁的巖 床。強力粉碎側(cè)壁導致錐形部分6經(jīng)受來自井壁的非常高的壓力。水平方向的所有壓力F 由軸承8a和8b接收，由此使軸承快速磨損和疲勞。
另外，鉆頭主體4能夠利用形成在其長的延伸尖端部分處的軸頸部分2支承錐形 部分6。但是，鉆頭主體4并沒有其表現(xiàn)的那樣堅固。過量的力集中在鉆頭主體4的尖端部 分處。來自井壁的壓力引起鉆頭主體4彎曲，從而使錐形部分6的旋轉(zhuǎn)扭曲，由此促進了硬 質(zhì)合金尖端14和16的磨損。鉆頭主體4也偶爾會損壞。關(guān)于錐形部分6的旋轉(zhuǎn)，嵌入修整表面16的硬質(zhì)合金尖端18的突出部分沿切線 方向碰撞井壁。由此切削并挖掘巖床。此時，錐形部分6產(chǎn)生劇烈振動。振動沿水平方向 發(fā)生。因此促進了沉渣切入密封件10中。這導致密封件10磨損、沉渣進入支承部分8中， 并且用作研磨材料的沉渣引起軸承磨損。本發(fā)明的主要目的在于提供一種能夠減少來自井壁的表面壓力并能夠抑制可能 的振動的牙輪鉆頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供一種牙輪鉆頭。該牙輪鉆頭包括具有軸頸部分的鉆頭主 體；能夠相對于鉆頭主體旋轉(zhuǎn)的錐形部分；位于錐形部分和軸頸部分之間的支承部分；以 及設置在錐形部分和軸頸部分之間以密封支承部分的密封件，其中，錐形部分包括與井的 側(cè)壁接觸的修整表面，并且金剛石復合材料設置在該修整表面上。例如W02006/080302A1 (美國專利No. 7637981，該專利的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合 入本文)中公開的復合耐磨材料可以用作復合材料。金剛石復合材料設置在鉆頭主體上，并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在鉆頭主體上。牙輪鉆頭還可以包括與井側(cè)壁接觸的修整尖端。金剛石復合材料可以設置在修整 尖端的一部分上，并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在修整尖端的一部分上。本發(fā)明的第二方面提供一種牙輪鉆頭。該牙輪鉆頭包括三牙輪鉆頭，該三牙輪鉆 頭包括具有軸頸部分的鉆頭主體；能夠相對于所述鉆頭主體旋轉(zhuǎn)的錐形部分；位于所述 錐形部分和所述軸頸部分之間的支承部分；和設置在所述錐形部分和所述軸頸部分之間以 密封所述支承部分的密封件；以及圓柱形環(huán)部分，其固定到所述三牙輪鉆頭的外周并包括 位于所述環(huán)部分的末端處的環(huán)狀鉆頭，以接觸井的側(cè)壁。三牙輪鉆頭的錐形部分不包括與 井側(cè)壁接觸的修整尖端，僅包括與井底部接觸的硬質(zhì)合金尖端。金剛石復合材料可設置在環(huán)狀鉆頭上，并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在環(huán)狀鉆頭上。例如W02006/080302A1 (美國專利 No. 7637981)或者日本申請 No. 2009-142837 中 公開的金剛石復合材料可以堆疊在硬質(zhì)合金或者含鐵金屬上，并且堆疊可設置在環(huán)狀鉆頭 上，優(yōu)選廣泛且平滑地設置在環(huán)狀鉆頭上。本發(fā)明的第一方面提供了具有磨削能力的修整表面的尖端，允許尖端主動挖掘井 壁，由此釋放了施加到牙輪鉆頭的應力。因此，降低了支承部分上的負擔。本發(fā)明的第一方 面還允許抑制水平振動，由此減少向密封件中切入泥漿。將鉆頭制造成降低軸頸部分和密 封件上的負擔是一種創(chuàng)新的新嘗試。當金剛石復合材料廣泛地設置在修整表面上以取消突出部分時，可以防止旋轉(zhuǎn)過 程中錐形部分的可能的水平振動。結(jié)果，減少了切入密封件中的沉渣，由此改進了密封件。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，當圓柱形環(huán)部分的鉆頭用來磨削挖掘坑的外周部分且一般的三牙輪鉆頭被用來挖掘留在中間部分的圓柱形巖石時，沒有來自井壁的壓力施加到修 整表面。鉆頭的外周部分高速旋轉(zhuǎn)，這滿足了環(huán)狀鉆頭的磨削條件。但是，鉆頭的中間部分 低速旋轉(zhuǎn)。因此，理想的是根據(jù)傳統(tǒng)例子在挖掘過程中使用三牙輪鉆頭來壓碎巖石。此外， 圓柱形環(huán)部分防止了挖掘碎片進入密封件并增加了冷卻效率以保護密封件不受到例如地 熱的高溫。在這種情況下，三牙輪鉆頭不需要用來保持挖掘直徑(環(huán)狀鉆頭代替實現(xiàn)該功 能)，因此不需要擔心修整表面等的磨損。而且，沒有平行的壓力或振動施加到密封件，從而允許鉆頭錐形部分在理想環(huán)境 下旋轉(zhuǎn)。通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式的以下描述，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點 將變得更加清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的牙輪鉆頭的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的其上設置有金剛石復合材料的牙輪鉆頭的 修整表面的一種例子的前視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的其上設置有金剛石復合材料的牙輪鉆頭的 修整表面的另一例子的前視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的其上設置有金剛石復合材料的牙輪鉆頭的 修整表面的又一例子的前視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的其上設置有金剛石復合材料的牙輪鉆頭的 修整表面的又一例子的前視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的牙輪鉆頭的修整表面的硬質(zhì)合金部分中設 置的金剛石復合材料的一種例子的立體圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的牙輪鉆頭的修整表面的硬質(zhì)合金部分中設 置的金剛石復合材料的另一例子的立體圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的牙輪鉆頭的修整表面的硬質(zhì)合金部分中設 置的金剛石復合材料的又一例子的立體圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的牙輪鉆頭的截面圖；圖10是根據(jù)傳統(tǒng)例子的牙輪鉆頭的截面圖。
具體實施例方式實施方式1參照圖1描述根據(jù)本發(fā)明的牙輪鉆頭的一種實施方式。牙輪鉆頭包括具有軸頸部 分2的鉆頭主體4、能夠相對鉆頭主體4旋轉(zhuǎn)的錐形部分6以及位于錐形部分6和軸頸部分 2之間的支承部分8。支承部分8包括球軸承8a和金屬軸承Sb。牙輪鉆頭進一步包括設置 在錐形部分6和軸頸部分2之間用來密封支承部分8的密封件10。多個硬質(zhì)合金尖端12 和14嵌入在錐形部分6中。硬質(zhì)合金尖端包括與井底部接觸的硬質(zhì)合金尖端12和與井側(cè) 壁接觸的修整尖端14。
錐形部分6包括與井側(cè)壁接觸的修整表面16。硬質(zhì)合金修整表面尖端18設置在 修整表面16上。金剛石復合材料20設置在修整表面16上并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在修 整表面16上。圖2至圖5顯示了其中金剛石復合材料20設置在修整表面16上的若干例子。圖 2顯示了其中圓形的金剛石復合材料20設置在修整表面16上的例子。圖3顯示了其中平 行四邊形的金剛石復合材料20設置在修整表面16上的例子。圖4顯示了其中大致梯形的 金剛石復合材料20設置在修整表面16上的例子。圖5顯示了其中大致三角形的金剛石復 合材料設置在修整表面16上的例子。圖6至圖8顯示了其中金剛石復合材料20設置在每個硬質(zhì)合金尖端上，即設置在 修整表面上的修整表面尖端18上的若干例子。圖6顯示了其中多個線性金剛石復合材料 20設置在修整表面尖端18上的例子。圖7顯示了其中多個圓形金剛石復合材料20設置在 修整表面尖端18上的例子。圖8顯示了其中金剛石復合材料20設置成覆蓋整個修整表面 尖端18的例子。W02006/080302A1 (美國專利 No. 763798I)或者日本申請 No. 2009_1428；37 中公開 的復合耐磨構(gòu)件可用作復合材料20。復合材料20具有例如2到3mm的厚度。W02006/080302A1 (美國專利No. 7637981)中描述的復合耐磨構(gòu)件包含硬質(zhì)粒子 和鐵族金屬，硬質(zhì)粒子包括金剛石粒子和WC粒子，鐵族金屬含磷并用作結(jié)合材料。在這種 情況下，磷的量為WC粒子和結(jié)合材料總重的0. 05wt%到1. 0wt%。用于制造復合耐磨構(gòu)件 的方法包括以下步驟調(diào)節(jié)磷相對于材料的比率以將合適的燒結(jié)溫度設置為900-1100°C， 所述材料包括含有金剛石粒子和WC粒子的超硬和硬質(zhì)粒子以及包括含磷(P)鐵族金屬的 結(jié)合材料；形成熱壓燒結(jié)或者放電等離子燒結(jié)。此外，日本申請No. 2009-142837中描述的復合耐磨構(gòu)件通過以下步驟制造通過 調(diào)節(jié)材料中的磷比率將合適的燒結(jié)溫度設定在900°C到1080°C，其中，所述材料包含包括 金剛石粒子和WC粒子的硬質(zhì)粒子、含有分布并單獨存在的磷(P)、銅的鐵族金屬的結(jié)合劑； 以及在材料上形成熱壓燒結(jié)或放電燒結(jié)。替代地，日本申請No. 2009-142837中描述的復合 耐磨構(gòu)件通過以下步驟制造將銅層鋪設在具有包括金剛石粒子和WC粒子的硬質(zhì)粒子和 含磷(P)的鐵族金屬的結(jié)合材料的基層頂部；然后形成熱壓燒結(jié)或放電燒結(jié)。日本申請No.2009-14^37中描述的由此制造的復合耐磨構(gòu)件為金剛石復合材 料，其含有分散于其中并用于鉆頭的銅。金剛石復合材料可通過堆疊在硬質(zhì)合金、鐵族金屬 等上來使用。替代地，日本申請No. 2009-142837中描述的復合耐磨構(gòu)件可以是其中銅板或網(wǎng) 與金剛石復合材料彼此堆疊的金剛石復合材料。在本發(fā)明中，金剛石復合材料可通過堆疊 在硬質(zhì)合金、鐵族金屬等上來使用。用于傳統(tǒng)牙輪鉆頭的硬質(zhì)合金尖端(金剛石尖端)12、14和18提供高的耐磨性能 但沒有磨削能力。根據(jù)本發(fā)明的具有分散于其中的金剛石粒子的金剛石復合尖端(金剛石復合材 料)20的特征在于提供了高的耐磨性能和出色的磨削能力。具有分散于其中的金剛石粒子(或c-BN)的金剛石復合材料設置在修整表面16 上并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在修整表面16上。這樣，該結(jié)構(gòu)用來磨削井壁，以釋放施加于鉆頭的來自井壁的壓力。這極大地減小了作用在軸承8a和8b上的載荷。金剛石復合材料可設置在鉆頭主體4的一部分上并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在鉆 頭主體4的一部分上。特別地，金剛石復合材料可設置并優(yōu)選廣泛且平滑地設置。金剛石復合材料可設置在修整尖端的一部分上并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在修整 尖端的一部分上。實施方式2現(xiàn)在，參照圖9描述根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式的牙輪鉆頭。如同根據(jù)實施方式1的牙輪鉆頭，這個三牙輪鉆頭包括具有軸頸部分2的鉆頭主 體4、能夠相對鉆頭主體4旋轉(zhuǎn)的錐形部分6以及位于錐形部分6和軸頸部分2之間的支承 部分8。支承部分8包括球軸承8a和金屬軸承Sb。牙輪鉆頭進一步包括設置在錐形部分 6和軸頸部分2之間用來密封支承部分8的密封件10。不同于實施方式1的情況，在鉆頭主體4的外周部分設置有環(huán)部分30。環(huán)狀鉆頭 32設置在環(huán)部分30的末端處。此外，三牙輪鉆頭的錐形部分6不包括與井的側(cè)壁接觸的修 整尖端或者修整表面尖端，僅包括與并底部接觸的硬質(zhì)合金尖端12。金剛石復合材料(在附圖中未示出)設置在環(huán)狀鉆頭32上并優(yōu)選廣泛且平滑地 設置在環(huán)狀鉆頭32上。金剛石復合材料可以是W02006/080302A1 (美國專利No. 7637981)或日本申請 No.2009-1^837中描述以及通過上面描述的制造方法制造的一種。特別地，日本申請 No. 2009-142837中描述的金剛石復合材料可以堆疊在硬質(zhì)合金、鐵族金屬等上，且這個堆 疊可設置在環(huán)狀鉆頭32上并優(yōu)選廣泛且平滑地設置在環(huán)狀鉆頭32上。該復合材料的厚度 與環(huán)狀鉆頭32的厚度幾乎相同(例如，Icm至5cm)。根據(jù)實施方式2的牙輪鉆頭，位于圓柱形環(huán)部分30的末端處的環(huán)狀鉆頭32用來 磨削挖掘坑的外周部分。于是，位于環(huán)部分30內(nèi)的一般的三牙輪鉆頭用來挖掘留在中間部 分的圓柱形巖石。這防止了來自井壁的壓力施加到三牙輪鉆頭的修整表面16上。鉆頭的外周部分高速旋轉(zhuǎn)，這滿足了環(huán)狀鉆頭的磨削條件。但是，鉆頭的中間部分 低速旋轉(zhuǎn)。因此，理想的是根據(jù)傳統(tǒng)例子在挖掘過程中使用三牙輪鉆頭來壓碎巖石。此外， 圓柱形環(huán)部分30防止了挖掘碎屑進入密封件10并增加冷卻效率以保護密封件10不受到 例如地熱的高溫。因此，將牙輪鉆頭形成使得環(huán)狀鉆頭32設置在三牙輪鉆頭的外周部分從而與三 牙輪鉆頭合并的形狀(這種牙輪鉆頭以下稱作合并鉆頭)也是有效的。在這種情況下，三牙輪鉆頭不需要用來保持挖掘直徑(環(huán)狀鉆頭代替實現(xiàn)該功 能)，因此不需要擔心修整表面等的磨損。而且，沒有平行的壓力或振動施加到密封件10，從而允許環(huán)部分30在理想環(huán)境下旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應當理解，盡管已經(jīng)針對本發(fā)明的實施方式進行了前面的描 述，但本發(fā)明并不局限于此，在不脫離本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的范圍的情況下可以進行 多種改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種牙輪鉆頭，包括 具有軸頸部分的鉆頭主體；能夠相對于所述鉆頭主體旋轉(zhuǎn)的錐形部分； 位于所述錐形部分和所述軸頸部分之間的支承部分；以及 設置在所述錐形部分和所述軸頸部分之間以密封所述支承部分的密封件， 其中，所述錐形部分包括與井的側(cè)壁接觸的修整表面，并且金剛石復合材料設置在所 述修整表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，其中，所述金剛石復合材料設置在所述鉆頭主體上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪鉆頭，還包括與所述井的側(cè)壁接觸的修整尖端，并且所 述金剛石復合材料設置在所述修整尖端的一部分上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的牙輪鉆頭，其中，所述金剛石復合材料通過堆疊在硬質(zhì)合 金上來設置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的牙輪鉆頭，其中，所述金剛石復合材料通過堆疊在鐵族金 屬上來設置。
6.一種牙輪鉆頭，包括三牙輪鉆頭，該三牙輪鉆頭包括 具有軸頸部分的鉆頭主體； 能夠相對于所述鉆頭主體旋轉(zhuǎn)的錐形部分； 位于所述錐形部分和所述軸頸部分之間的支承部分；和 設置在所述錐形部分和所述軸頸部分之間以密封所述支承部分的密封件；以及 圓柱形環(huán)部分，其固定到所述三牙輪鉆頭的外周并包括位于所述環(huán)部分的末端處的環(huán) 狀鉆頭，以接觸井的側(cè)壁。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的牙輪鉆頭，其中，金剛石復合材料設置在所述環(huán)狀鉆頭上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的牙輪鉆頭，其中，所述金剛石復合材料通過堆疊在硬質(zhì)合金 上來設置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的牙輪鉆頭，其中，所述金剛石復合材料通過堆疊在鐵族金屬 上來設置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種牙輪鉆頭，具體地，提供一種能夠減少來自井壁的表面壓力并能夠抑制可能的振動的牙輪鉆頭。本發(fā)明的第一方面提供一種牙輪鉆頭，包括具有軸頸部分的鉆頭主體；能夠相對于鉆頭主體旋轉(zhuǎn)的錐形部分；位于錐形部分和軸頸部分之間的支承部分；以及設置在錐形部分和軸頸部分之間以密封支承部分的密封件，其中，錐形部分包括與井的側(cè)壁接觸的修整表面，并且金剛石復合材料優(yōu)選廣泛且平滑地設置在該修整表面上。在本發(fā)明的第二方面，環(huán)狀鉆頭設置在鉆頭主體的外周部分。此外，三牙輪鉆頭的錐形部分不包括與井側(cè)壁接觸的修整尖端或表面尖端，僅包括與井底部接觸的硬質(zhì)合金尖端。
文檔編號E21B10/50GK102134969SQ20101015824
公開日2011年7月27日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月25日
發(fā)明者栗林伸碩 申請人:梯科斯株式會社