一種單牙輪復(fù)合鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單牙輪復(fù)合鉆頭，屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，包括鉆頭體和固結(jié)在鉆頭體上的固定切削結(jié)構(gòu)，所述固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有固定切削齒，所述鉆頭體上還設(shè)有一個牙輪，所述牙輪設(shè)置有軸頸，所述鉆頭體上設(shè)置有軸承孔，所述牙輪通過軸頸與所述鉆頭體上的軸承孔形成轉(zhuǎn)動連接。本發(fā)明是一種能形成交叉刮切破巖，在增加鉆頭破巖效率的同時，能延長鉆頭切削齒及軸承壽命，進(jìn)而延長鉆頭使用壽命的復(fù)合鉆頭，特別適合于小井眼鉆進(jìn)。
【專利說明】一種單牙輪復(fù)合鉆頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的講涉及一種復(fù)合鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。牙輪鉆頭和PDC鉆頭是鉆井工程中常用的鉆頭。目前鉆井工程中所使用的牙輪鉆頭主要是三牙輪鉆頭和單牙輪鉆頭。三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，即牙齒通過對巖石的沖擊、擠壓和伴有少量的滑移刮切來破碎巖石，其缺點(diǎn)是能量利用率不高，破巖效率較低，且鉆頭工作過程中，軸承受到的沖擊大，動載系數(shù)大。單牙輪鉆頭主要利用牙輪上的牙齒對巖石的擠壓、刮切作用破碎巖石。無論是單牙輪鉆頭還是三牙輪鉆頭，均有一個影響其使用壽命的重要因素，那就是軸承壽命?，F(xiàn)有牙輪鉆頭的軸承均為內(nèi)置式軸承，軸承形式是牙輪內(nèi)設(shè)置軸承孔，鉆頭本體上的牙掌上設(shè)置凸出的軸頸，牙輪套裝在軸頸上形成軸承副。由于軸承為設(shè)置在牙輪內(nèi)的內(nèi)置軸承，因此現(xiàn)有牙輪鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)存在如下弊端:①牙輪內(nèi)有軸承孔，牙輪為殼體結(jié)構(gòu)套裝在軸頸上，鉆頭工作時可能引起牙輪開裂或破碎，形成井下事故；②牙輪上設(shè)置有牙齒，特別是對鑲齒牙輪鉆頭來講，為保證牙輪殼體質(zhì)量和固齒強(qiáng)度，牙輪殼體需滿足一定的厚度，因此牙輪內(nèi)的軸承尺寸不能做得過大，較小的軸承尺寸限制了軸承的強(qiáng)度和使用壽命；③足夠大的軸承寬度是保障軸承強(qiáng)度和工作性能的必要條件，因此，需保證較大的牙輪高度(從牙輪底平面至牙輪尖部的距離)，一般情況下，牙輪的高徑比(牙輪布齒面高度與牙輪外徑的比值)均大于0.6，較大的高徑比雖有利于增加牙輪內(nèi)軸承的寬度，但也限制了牙輪的結(jié)構(gòu)和鉆頭的結(jié)構(gòu)。由于軸承設(shè)置于牙輪內(nèi)，較大的牙輪尺寸及較大的高徑比，使現(xiàn)有鉆頭的牙輪占據(jù)了鉆頭上寶貴而有限的空間。現(xiàn)有牙輪鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)型式在某些條件下會明顯影響鉆頭的軸承壽命以及鉆頭的安全性和可靠性。
[0003]現(xiàn)有的PDC鉆頭均屬固定切削齒鉆頭，作為切削元件的聚晶金剛石復(fù)合片(即PDC齒)按照一定的規(guī)律布置并固結(jié)在鉆頭本體上，構(gòu)成PDC鉆頭破碎巖石的切削結(jié)構(gòu)。在理想工作條件(即鉆頭中心線與井眼中心線重合的條件)下，鉆頭鉆進(jìn)時各切削齒所負(fù)責(zé)破碎的區(qū)域?yàn)橄鄬潭ǖ耐膱A環(huán)帶。這種固定齒PDC鉆頭主要有四方面的缺點(diǎn):第一，鉆頭上個別齒的失效(齒的脫落、斷裂或過度磨損等)會顯著增加失效齒井底環(huán)帶附近的PDC齒的工作負(fù)荷，加快其磨損速度，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭提前失效。第二，鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒。第三，當(dāng)鉆頭在較硬地層鉆進(jìn)時，PDC齒難于侵入(吃入)井底巖石表面，特別是當(dāng)PDC齒發(fā)生一定程度磨損后，侵入難度更高，導(dǎo)致鉆頭在井底打滑，鉆速極慢。第四，PDC齒連續(xù)不斷地切削巖石，由于劇烈摩擦產(chǎn)生的熱量會使齒達(dá)到相當(dāng)高的溫度，當(dāng)溫度超過一定界限時，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導(dǎo)致熱磨損現(xiàn)象(當(dāng)PDC齒工作溫度高于某一特定溫度時，其耐磨性明顯下降的現(xiàn)象稱為PDC齒的熱磨損現(xiàn)象)的發(fā)生。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:提出一種能形成交叉刮切破巖，在增加鉆頭破巖效率的同時，能延長鉆頭切削齒及軸承壽命，進(jìn)而延長鉆頭使用壽命的單牙輪復(fù)合鉆頭，尤其適用于小井眼的鉆進(jìn)。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種單牙輪復(fù)合鉆頭，包括鉆頭體和固結(jié)在鉆頭體上的固定切削結(jié)構(gòu)，所述固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有固定切削齒，所述鉆頭體上還設(shè)有一個裝有切削齒的牙輪，所述牙輪設(shè)置有軸頸，所述鉆頭體上設(shè)置有軸承孔，所述牙輪通過軸頸與所述鉆頭體上的軸承孔形成轉(zhuǎn)動連接。
[0006]上述方案中，該復(fù)合鉆頭提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式:常規(guī)的牙輪鉆頭的牙輪和鉆頭體之間通過鉆頭體上設(shè)置軸頸，牙輪上設(shè)置軸孔形成轉(zhuǎn)動配合。而本發(fā)明方案恰恰相反，牙輪上設(shè)置軸頸，牙輪與軸頸作為一體式結(jié)構(gòu)，鉆頭體上設(shè)置軸承孔，牙輪與鉆頭體通過牙輪軸頸與鉆頭體上的軸承孔形成轉(zhuǎn)動配合。該鉆頭具有常規(guī)的固定切削結(jié)構(gòu)的同時還擁有牙輪切削結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式下的固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒以同心圓切削的方式作用于井底巖石，形成同心圓環(huán)形刮切軌跡；牙輪上的切削齒以擠壓刮切的方式破碎井底巖石，牙輪上的切削齒在井底形成空間曲線刮切軌跡。兩套刮切軌跡的復(fù)合，將在井底形成復(fù)雜的交叉網(wǎng)狀刮切。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:
(I)本發(fā)明的切削結(jié)構(gòu)由固定切削結(jié)構(gòu)和非固定的牙輪切削結(jié)構(gòu)組合而成，固定切削齒的同心圓刮切與牙輪的空間曲線刮切在井底形成復(fù)雜的交叉網(wǎng)狀刮切，兩套刮切痕跡相復(fù)合，有利于切削齒吃入地層巖石，交叉刮切更易于巖石的破碎，因此本發(fā)明能明顯提高鉆頭的破巖效率，在較硬地層或不均質(zhì)地層鉆進(jìn)時更能體現(xiàn)優(yōu)越性。
[0008](2)本發(fā)明的牙輪切削結(jié)構(gòu)上的切削齒為非固定切削齒，牙輪切削齒在井底的刮切痕跡為空間曲線，在牙輪切削齒與固定切削齒重疊交叉破碎的區(qū)域，即使有少量固定切削齒失效，在牙輪切削齒的作用下，該區(qū)域仍能被破碎，鉆頭仍能繼續(xù)鉆進(jìn)。即本發(fā)明復(fù)合切削結(jié)構(gòu)的交叉刮切能減少或避免固定切削齒鉆頭因少數(shù)切削齒失效帶來的鉆頭早期失效，能延長鉆頭使用壽命。
[0009](3)本發(fā)明牙輪與鉆頭體之間通過牙輪底平面伸出的軸頸與鉆頭體上的軸承孔形成軸承副，牙輪與軸頸為一體式結(jié)構(gòu)，牙輪不再是內(nèi)空的殼體結(jié)構(gòu)。因此，牙輪的強(qiáng)度將大大增強(qiáng)，能有效避免牙輪殼體的開裂或破損等失效現(xiàn)象；同時，牙輪切削齒的固齒強(qiáng)度也會因鑲固深度的增加而增強(qiáng)；此外，易于實(shí)現(xiàn)較大的軸承寬度，有利于減少牙輪脫落掉入井底的可能性。
[0010](4)本發(fā)明的牙輪與鉆頭體連接的軸承結(jié)構(gòu)形式能充分利用和發(fā)揮鉆頭上的空間，在獲得較大軸承尺寸的同時，所占據(jù)的鉆頭空間相對較小，且因?yàn)橹挥幸粋€牙輪，所以更易于在小尺寸(小直徑)鉆頭上實(shí)現(xiàn)，也即更適用于小井眼鉆進(jìn)。
[0011](5)本發(fā)明將軸承從牙輪內(nèi)解放出來，牙輪尺寸不再受其內(nèi)的軸承尺寸及強(qiáng)度要求的限制，因此牙輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的變化空間很大?？蓪⒀垒喌母邚奖热〉煤苄?，在較大的牙輪直徑前提下可取較小的牙輪高度，即將有限的牙輪空間充分用于布齒和破巖，且能保證牙輪強(qiáng)度的同時，為其他結(jié)構(gòu)讓出更多的空間。[0012]作為選擇，所述牙輪的高徑比N的范圍為O < N≤0.4。
[0013]牙輪的高徑比是指牙輪的布齒面底部至牙輪頂部的距離h(不包含軸頸的長度，如圖4、圖11)與牙輪直徑D之間的比值，即N=h/D。
[0014]作為進(jìn)一步選擇，所述牙輪的高徑比N的范圍為0.1≤N≤0.3。
[0015](6)本發(fā)明的軸頸從牙輪底平面伸出，與其配合的軸承孔設(shè)置在鉆頭體上，軸承尺寸不受牙輪尺寸的限制，可根據(jù)需要設(shè)計較大的軸承尺寸以保證足夠的軸承強(qiáng)度。鉆頭體內(nèi)設(shè)置軸承孔，在不影響固定切削結(jié)構(gòu)布齒的同時，充分利用了鉆頭體的內(nèi)部空間，且能充分利用厚實(shí)的鉆頭體為軸承孔提供足夠的強(qiáng)度。因此本發(fā)明的軸承強(qiáng)度和壽命將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有牙輪鉆頭。
[0016]作為選擇，所述牙輪及軸頸內(nèi)設(shè)置有流道及噴嘴孔，牙輪及軸頸內(nèi)的流道及噴嘴孔與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通。
[0017]牙輪上的切削齒與井底巖石互作用時，牙輪與井底巖石之間的間隙較小，水力不足，巖屑常滯留于牙輪與井底之間不能及時帶走，不利切削齒及井底的清洗，切削齒也不能充分冷卻。牙輪及軸頸內(nèi)設(shè)置有流道及噴嘴孔，牙輪及軸頸內(nèi)的流道及噴嘴孔與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通，這能為牙輪切削結(jié)構(gòu)提供水力，有利于牙輪與井底之間巖屑的及時帶走及切削齒和井底的清洗，有利于切削齒的充分冷卻。噴嘴孔上可根據(jù)需要安裝噴嘴。
[0018]作為選擇，所述固定切削結(jié)構(gòu)的固定刀翼的數(shù)量> 2。
[0019]作為選擇,所述鉆頭的固定切削輪廓面為球冠面或近似球冠面。
[0020]當(dāng)鉆頭的固定切削輪廓面為球冠面或近似球冠面時，鉆頭鉆出的井底也為球冠面或近似球冠面，球冠面易于使鉆頭切削工作面與井底較好吻合，鉆頭鉆進(jìn)時的穩(wěn)定性、鉆進(jìn)的導(dǎo)向性及可控性均較好。
[0021]作為進(jìn)一步選擇，所述鉆頭的固定切削輪廓工作面為半球面或近似半球面。
[0022]作為進(jìn)一步選擇，所述牙輪的切削輪廓面位于鉆頭頂面并被周圍的固定切削結(jié)構(gòu)的切削輪廓面包圍。
[0023]半球面能使鉆頭切削工作面與井底達(dá)到最大程度的吻合，井眼直徑一定時，半球面的鉆頭切削輪廓與井底的接觸吻合面積較大，鉆頭鉆進(jìn)時的穩(wěn)定性、鉆進(jìn)的導(dǎo)向性及可控性將更好。
[0024]作為選擇，所述鉆頭的固定切削齒的徑向覆蓋區(qū)域至少達(dá)到鉆頭徑向區(qū)域的50%。
[0025]鉆頭的固定切削齒的徑向覆蓋區(qū)域至少達(dá)到鉆頭徑向區(qū)域的50%，鉆頭切削結(jié)構(gòu)以固定切削結(jié)構(gòu)為主，牙輪切削結(jié)構(gòu)為輔，其能充分發(fā)揮固定切削結(jié)構(gòu)上固定切削齒的刮切作用，輔以牙輪切削齒的空間曲線刮切，達(dá)到交叉刮切的效果，促進(jìn)鉆頭破巖效率的提高。以固定切削結(jié)構(gòu)為主能充分發(fā)揮固定切削結(jié)構(gòu)破巖效率高的優(yōu)勢。
[0026]如圖1所示，將牙輪軸線、鉆頭軸線向垂直于這兩條線的公垂線的平面投影，牙輪軸線的投影線為AB，鉆頭軸線的投影線為CD，AB與CD的交點(diǎn)為O。牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α是指，射線OA (從O指向牙輪尖)與射線OC (從O指向鉆頭冠部)之間的夾角。當(dāng)牙輪軸線與鉆頭軸線平行或重合時，夾角α為0°。
[0027]牙輪軸偏移量S是指:當(dāng)牙輪軸線與鉆頭軸線不平行且不重合時，牙輪軸線與經(jīng)過鉆頭軸線且平行于牙輪軸線的平面之間的距離，如圖5所示，并規(guī)定:從牙輪切削輪廓面向鉆頭體看時，牙輪軸線相對鉆頭軸線往右偏移為正偏移，反之則為負(fù)偏移；當(dāng)牙輪軸線與鉆頭軸線平行時，牙輪軸偏移量S為兩軸線之間的距離；當(dāng)牙輪軸線與鉆頭軸線重合或相交時，偏移量S為零。
[0028]作為選擇，牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍是0° < α <90°，牙輪軸偏移量S的范圍為-V4 < S < D0/4, D0為鉆頭直徑。
[0029]當(dāng)鉆頭牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α>90°時，牙輪上的切削齒與井底接觸的區(qū)域在牙輪徑向上的長度將小于牙輪半徑，或牙輪上的切削齒不能與井底接觸，這將影響牙輪上切削齒的正常工作與破巖。
[0030]當(dāng)牙輪軸有偏移時，牙輪上將會有部分切削齒不會與井底巖石接觸破巖(偏移較大時)，或，有部分切削齒與巖石的接觸深部(齒入巖石的深度)將小于其他切削齒與巖石的接觸深度(偏移較小時)。鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，牙輪繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的同時，也在繞其自身的軸線作自轉(zhuǎn)，牙輪上的切削齒為非固定切削齒，牙輪切削齒在井底的刮切痕跡為較復(fù)雜的空間曲線。當(dāng)牙輪軸有偏移時，牙輪上的部分切削齒與井底接觸破巖，在牙輪自轉(zhuǎn)的作用下，牙輪切削齒將以交替的方式輪流進(jìn)入井底破巖。牙輪切削齒輪流交替工作，變切削齒的持續(xù)(切削)破巖為斷續(xù)破巖，有利于減緩牙輪切削齒的磨損、切削齒的冷卻，有利于井底巖屑的帶離及切削齒的清洗。因此，牙輪軸偏移能延長鉆頭的使用壽命。
[0031]作為進(jìn)一步選擇，所述牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍是15° < α <75°，牙輪軸偏移量S的范圍為-Dq/8〈S〈Dq/8。
[0032]鉆頭上的固定切削結(jié)構(gòu)在鉆頭外部區(qū)域(特別是鉆頭半徑的外1/3區(qū)域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區(qū)域的齒，外部區(qū)域的破巖任務(wù)量也最大。當(dāng)牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍在45° < α <90°時，牙輪切削齒在鉆頭外部區(qū)域與固定切削齒重疊覆蓋，能在鉆頭固定切削結(jié)構(gòu)易于磨損的區(qū)域形成復(fù)合交叉刮切，有利于外部區(qū)域巖石的破碎，減緩該區(qū)域固定切削齒的磨損，因此能提高鉆頭的破巖效率和鉆頭使用壽命。牙輪軸的偏移能使牙輪切削齒輪流交替工作，但牙輪軸偏移量大到一定程度時，將影響軸承的尺寸，用于較小井眼的小尺寸鉆頭牙輪軸偏移量不宜過大。
[0033]作為選擇，所述鉆頭的切削輪廓面和牙輪的切削輪廓面均為球冠面或近似球冠面，且二球冠面的球心重合或接近重合。
[0034]牙輪上牙齒材料包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合片/齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、人造金剛石孕鑲塊、天然金剛石孕鑲塊、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的復(fù)合材料。
[0035]固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒的材料包括聚晶金剛石復(fù)合片/齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、人造金剛石孕鑲塊、天然金剛石孕鑲塊等等。
[0036]作為優(yōu)選，鉆頭體上固定切削結(jié)構(gòu)的固定切削齒和牙輪上的切削齒部分或全部為PDC 齒。
[0037]前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案。如本發(fā)明中，各選擇可以和主方案及其他選擇任意組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，在此不做窮舉。
[0038]本發(fā)明的有益效果:能明顯提高鉆頭的破巖效率的同時，能延長鉆頭切削齒的壽命及軸承的壽命，進(jìn)而延長鉆頭使用壽命，具有極高的安全性和可靠性，且該鉆頭具有良好的穩(wěn)定性、鉆進(jìn)的導(dǎo)向性及可控性，尤其適用于小井眼的鉆探。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明復(fù)合鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)沿鉆頭軸線俯視(逆鉆頭鉆進(jìn)方向看)時的視圖，即俯視圖。
[0041]圖3為本發(fā)明沿過牙輪軸線且平行于鉆頭軸線的平面剖切時的剖視圖。[0042]圖4為本發(fā)明的牙輪基本尺寸示意圖，牙輪布齒面與軸頸之間有臺階過渡。
[0043]圖5為牙輪軸偏移量S示意圖。
[0044]圖6為本發(fā)明復(fù)合鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0045]圖7為圖6所示結(jié)構(gòu)沿鉆頭軸線俯視(逆鉆頭鉆進(jìn)方向看)時的視圖，即俯視圖。
[0046]圖8為本發(fā)明復(fù)合鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]圖9為本發(fā)明的牙輪上使用金剛石(roc)切削齒時的鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]圖10為圖9所示結(jié)構(gòu)沿鉆頭軸線俯視(逆鉆頭鉆進(jìn)方向看)時的視圖，即俯視圖。
[0049]圖11為本發(fā)明的牙輪的一種的示意圖，牙輪布齒面與軸頸之間無臺階過渡。
[0050]圖中標(biāo)記:1_牙輪、11_牙輪切削齒、12-軸頸、2_鉆頭體、3-固定切削結(jié)構(gòu)、31-固定切削齒、4-噴嘴、5-鎖緊滾珠、6-密封圈。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0052]如圖1至11所示，基本例為:一種單牙輪復(fù)合鉆頭，包括鉆頭體2和固結(jié)在鉆頭體2上的固定切削結(jié)構(gòu)3，固定切削結(jié)構(gòu)3上設(shè)置有固定切削齒31，鉆頭體2上還設(shè)有一個牙輪1，牙輪I上設(shè)置有牙輪切削齒11，牙輪I上設(shè)置有軸頸12，鉆頭體2上設(shè)置有軸承孔，牙輪I通過軸頸12與鉆頭體2上的軸承孔形成轉(zhuǎn)動連接。優(yōu)選，如圖3所示，牙輪I上設(shè)置有噴嘴孔及噴嘴4，牙輪I的軸頸12與軸承孔之間設(shè)有鎖緊裝置(如圖3中的鎖緊滾珠5)，牙輪1、牙輪軸頸12與鉆頭體1、軸承孔之間設(shè)有密封6。優(yōu)選，固定切削結(jié)構(gòu)3的固定刀翼的數(shù)量> 2。
[0053]其中，牙輪I上牙輪切削齒11材料包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合片/齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、人造金剛石孕鑲塊、天然金剛石孕鑲塊、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的復(fù)合材料。
[0054]固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒31的材料包括聚晶金剛石復(fù)合片/齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、人造金剛石孕鑲塊、天然金剛石孕鑲塊等等。
[0055]作為基本例的選擇一:如圖4、11所示，牙輪I的高徑比N的范圍為O < N≤0.4。更進(jìn)一步地，牙輪I的高徑比N的范圍為0.1 < N ≤ 0.3。牙輪I的布齒面與軸頸12之間有臺階過渡，如圖4，臺階可以作為牙輪I的軸向止推面；牙輪I的布齒面與軸頸12之間無臺階過渡，如圖11，軸頸的端部平面可作為牙輪I的軸向止推面。
[0056]作為基本例的選擇二:如圖3所示，牙輪及軸頸內(nèi)設(shè)置有流道及噴嘴孔，牙輪及軸頸內(nèi)的流道及噴嘴孔與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通，噴嘴孔上可根據(jù)需要安裝噴嘴4。
[0057]作為基本例的選擇三:牙輪I的切削輪廓面背向鉆頭軸線朝向鉆頭外側(cè)，如圖1-3,5-10 所示。[0058]作為基本例的選擇四:鉆頭的切削輪廓面為球冠面或近似球冠面。更進(jìn)一步地，鉆頭的切削輪廓面為半球面或近似半球面，如圖1-3、5-10所示。
[0059]作為基本例的選擇五:所述鉆頭的固定切削齒的徑向覆蓋區(qū)域至少達(dá)到鉆頭徑向區(qū)域的50%。
[0060]作為基本例的選擇六:如圖1、6、8、9所示，牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍是0° < α≤90。，牙輪軸偏移量S的范圍為-D/4 < S < D0/4, D0為鉆頭直徑。更進(jìn)一步地，牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍是15° < α <75°，牙輪軸偏移量S 的范圍為 _Dq/8 < S < Dq/8。
[0061]優(yōu)選，牙輪I上牙輪切削齒11為金剛石類切削齒，特別是選為極適合以刮切方式破巖的PDC齒(如圖9、10 )。鉆頭旋轉(zhuǎn)工作時，牙輪I繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)的同時，還會繞自身的軸線轉(zhuǎn)動，牙輪I上的牙輪切削齒11的運(yùn)動是上述兩種運(yùn)動的復(fù)合，牙輪切削齒11在井底形成空間曲線刮切軌跡。牙輪上的切削齒11在與巖石接觸互作用時，其相對于巖石的刮切速度的方向在不斷變化，當(dāng)牙輪軸有明顯偏移時，牙輪I上的部分切削齒與井底接觸破巖，有部分切削齒不與井底巖石接觸，牙輪I在牙輪自轉(zhuǎn)的作用下，牙輪切削齒11將以交替的方式輪流進(jìn)入井底破巖，牙輪I上的牙輪切削齒11與巖石刮切互作用過程中，其相對巖石的刮切速度方向的變化將不大，這有利于金剛石類切削齒，特別是PDC齒的刮切破巖。另外，牙輪切削齒11輪流交替工作，變切削齒的持續(xù)(切削)破巖為斷續(xù)破巖，有利于減緩牙輪切削齒11的磨損、切削齒的冷卻，有利于井底巖屑的帶離及切削齒的清洗。
[0062]作為基本例的選擇七:如圖6、1、8、9所示,夾角α逐漸減小,如圖7、2、10所示,牙輪的切削輪廓面逐漸向鉆頭頂面靠攏，直至如圖9、10所示，牙輪的切削輪廓面位于鉆頭頂面并被周圍的固定切削結(jié)構(gòu)的切削輪廓面包圍。
[0063]作為基本例的選擇八:如圖1、3、6、8、9，鉆頭的切削輪廓面和牙輪的切削輪廓面均為球冠面或近似球冠面，且二球冠面的球心重合或接近重合。
[0064]前述本發(fā)明基本例及其各進(jìn)一步選擇例可以自由組合以形成多個實(shí)施例，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的實(shí)施例。比如本方案中，各選擇例，與其他基本例和選擇例進(jìn)行任意組合均可，在此不做窮舉，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知有眾多組合。
[0065]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單牙輪復(fù)合鉆頭，包括鉆頭體和固結(jié)在鉆頭體上的固定切削結(jié)構(gòu)，所述固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有固定切削齒，其特征在于:所述鉆頭體上還設(shè)有一個裝有切削齒的牙輪，所述牙輪設(shè)置有軸頸，所述鉆頭體上設(shè)置有軸承孔，所述牙輪通過軸頸與所述鉆頭體上的軸承孔形成轉(zhuǎn)動連接。
2.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪的高徑比N的范圍為O< N < 0.4。
3.如權(quán)利要求2所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪的高徑比N的范圍為0.1 ^ N ^ 0.3ο
4.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪及軸頸內(nèi)設(shè)置有流道及噴嘴孔，牙輪及軸頸內(nèi)的流道及噴嘴孔與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通。
5.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述鉆頭的固定切削輪廓面為球冠面或近似球冠面。
6.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述鉆頭的固定切削齒的徑向覆蓋區(qū)域至少達(dá)到鉆頭徑向區(qū)域的50%。
7.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪的切削輪廓面位于鉆頭頂面并被周圍的固定切削結(jié)構(gòu)的切削輪廓面包圍。
8.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍是0° < α≤90。，牙輪軸偏移量S的范圍為-DciA < S <隊(duì)/4，Dtl為鉆頭直徑。
9.如權(quán)利要求8所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述牙輪軸線與鉆頭軸線的夾角α的取值范圍是15?！堞痢?5。，牙輪軸偏移量S的范圍為-D/8 < S < D0/8o
10.如權(quán)利要求1所述的單牙輪復(fù)合鉆頭，其特征在于:所述鉆頭的切削輪廓面和牙輪的切削輪廓面均為球冠面或近似球冠面，且二球冠面的球心重合或接近重合。
【文檔編號】E21B10/50GK103541659SQ201310545668
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】楊立源 申請人:楊立源