一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，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（1）、牙輪（2）、牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)（3），所述牙輪（2）上布置有牙輪切削齒（5），所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)（3）上布置有固定切削齒（6），所述鉆頭體（1）上設(shè)置有軸頸（4），所述牙輪（2）與所述軸頸（4）形成轉(zhuǎn)動連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)（3）與所述軸頸（4）的前端固定連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)（3）上設(shè)置有內(nèi)錐（31）。本實(shí)用新型是一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，提高鉆頭破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命和鉆頭工作穩(wěn)定性。
【專利說明】 一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油天然氣、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】，具體的講涉及一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭。
【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。現(xiàn)今鉆井工程中所使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭和roc (聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭。
[0003]牙輪鉆頭上的牙輪通過軸承系統(tǒng)與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動連接，鉆頭工作時，鉆頭體旋轉(zhuǎn)帶動牙輪繞鉆頭軸線轉(zhuǎn)動的同時，牙輪還會繞自身的軸線轉(zhuǎn)動，牙輪上的切削齒在上述兩種運(yùn)動的合成下作復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動，牙輪鉆頭屬非固定切削齒鉆頭。
[0004]單牙輪鉆頭是牙輪鉆頭中的一種，是鉆井工程中使用的主要破巖工具之一，特別是在深井超深井的小井眼鉆井中發(fā)揮著重要的作用。單牙輪鉆頭主要利用牙輪上的牙齒對巖石的擠壓切削作用破巖，牙輪上的牙齒在井底以網(wǎng)狀形式刮切巖石。單牙輪鉆頭牙輪上的牙齒一部分(牙輪前端)始終與井底接觸破巖，一部分牙齒輪換與井底接觸破巖，這就把單牙輪鉆頭的牙輪分成了恒接觸區(qū)(牙輪前端，如圖3、圖4的21)和交替接觸區(qū)(如圖3、圖4 的 22)。
[0005]對于恒接觸區(qū)(牙輪前端)21的切削齒來講，其壽命往往低于交替接觸區(qū)22，因?yàn)楹憬佑|區(qū)21的切削齒始終處于工作狀態(tài)(如圖3、圖4)，牙輪前端的轉(zhuǎn)動不能給其上的切削齒帶來輪換的效果。同時由于單牙輪鉆頭主要以網(wǎng)狀刮切形式破巖，鉆頭鉆進(jìn)過程中牙輪上的切削齒相對井底巖石的刮切方向在不斷的變化，這使單牙輪鉆頭上無法應(yīng)用極適合于以刮切形式破巖的聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)。原因在于聚晶金剛石復(fù)合片(PDC齒)是由基體和聚晶金剛石層兩部分組成，對巖石起主要刮削效果的是聚晶金剛石層，如果PDC齒在工作過程中受力方向變化幅度過大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金剛石層的崩裂，嚴(yán)重降低PDC齒的工作壽命。
[0006]因此，現(xiàn)有單牙輪鉆頭上的切削齒一般為硬質(zhì)合金齒。單牙輪鉆頭在井底工作時，牙輪上的牙齒磨損不均勻，其恒接觸區(qū)(牙輪前端)的切削齒磨損較快、最嚴(yán)重，這使鉆頭機(jī)械鉆速下降，鉆頭壽命降低。
[0007]現(xiàn)今，無運(yùn)動部件、耐磨且壽命長的roc (聚晶金剛石復(fù)合片)鉆頭在鉆井工程中使用得越來越多，比例越來越大?，F(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鉆頭主要有三方面的缺點(diǎn):
[0008]第一，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。
[0009]第二，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。
[0010]第三，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。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0011]本實(shí)用新型的目的在于:提供一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，提高鉆頭破巖效率的同時增加鉆頭使用壽命和鉆頭工作穩(wěn)定性。
[0012]本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0013]一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，包括鉆頭體、牙輪、牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)，所述牙輪上布置有牙輪切削齒，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)上布置有固定切削齒，所述鉆頭體上設(shè)置有軸頸，所述牙輪與所述軸頸形成轉(zhuǎn)動連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)與所述軸頸的前端固定連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有內(nèi)錐。
[0014]鉆頭工作時，在上部鉆柱的驅(qū)動下，鉆頭繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，固定切削結(jié)構(gòu)上的切削齒在鉆頭體的帶動下，繞鉆頭軸線旋轉(zhuǎn)刮切破巖。鉆頭體旋轉(zhuǎn)時，牙輪繞鉆頭軸線公轉(zhuǎn)的同時，還會繞其自身的軸線 (軸頸)自轉(zhuǎn)，牙輪上的切削齒在上述復(fù)合運(yùn)動下與巖石互作用破碎巖石。
[0015]作為選擇1，所述牙輪的軸傾角α的范圍是45° < α < 90°。牙輪的軸傾角α是指牙輪軸線與垂直于鉆頭軸線的平面之間的夾角(如圖4、5、6)。
[0016]如圖4所示，當(dāng)牙輪的軸傾角α <45°時，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)將不過鉆頭中心；如圖5所示，當(dāng)牙輪的軸傾角α >45°時，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)將過鉆頭中心。
[0017]根據(jù)單牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。若α <45°，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)將不過鉆頭中心，鉆頭心部區(qū)域的巖石將由牙輪上的部分切削齒來負(fù)責(zé)破碎。由于鉆頭工作時牙輪會自轉(zhuǎn)，其上的切削齒為非固定切削齒，牙輪上負(fù)責(zé)破碎鉆頭心部區(qū)域的切削齒還會參與鉆頭心部以外區(qū)域的巖石的破碎，這部分切削齒參與破巖的任務(wù)量最大，能覆蓋到的區(qū)域也最大。而鉆頭心部以外區(qū)域既有固定切削齒的刮切，又有牙輪切削齒的刮切，參與心部以外區(qū)域巖石破碎的切削齒較多，且心部以外區(qū)域?yàn)楦咝У慕徊婀吻衅扑榉绞?。鉆頭心部只有牙輪上的部分切削齒負(fù)責(zé)破碎，這部分牙輪切削齒的磨損速度將明顯快于其他切削齒，當(dāng)其有較明顯的磨損后，鉆頭心部將難以破碎，這將顯著降低鉆頭的鉆進(jìn)速度。
[0018]牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)與軸頸的前端固定連接，形成固定切削結(jié)構(gòu)，牙輪(軸頸)的軸傾角α的范圍在45~90°。如圖5所示，固定切削結(jié)構(gòu)過鉆頭的中心，鉆頭心部區(qū)域由固定切削結(jié)構(gòu)覆蓋，鉆頭心部附近的巖石由固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒負(fù)責(zé)破碎；心部以外(至鉆頭外徑)區(qū)域由固定切削結(jié)構(gòu)和牙輪共同覆蓋、共同負(fù)責(zé)破碎。固定切削結(jié)構(gòu)上處在鉆頭心部的區(qū)域上設(shè)置有內(nèi)錐(如圖6)。
[0019]作為選擇2，所述牙輪的軸傾角α的范圍是60° < α ≤90°。更進(jìn)一步選擇，所述牙輪的軸傾角α的范圍是70°≤α <90°。
[0020]作為選擇3，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)及軸頸內(nèi)設(shè)置有與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通的噴嘴孔。噴嘴孔上可根據(jù)需要安裝噴嘴。[0021]作為選擇4，所述牙輪與牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)組合為球形輪廓結(jié)構(gòu)。
[0022]作為選擇5，所述鉆頭體上設(shè)置有切削齒。鉆頭體上設(shè)置切削齒有利于鉆頭的保徑。
[0023]所述牙輪切削齒、固定切削齒和鉆頭體上的切削齒可選為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。
[0024]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:
[0025](I)本實(shí)用新型的牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有內(nèi)錐，如圖1、6、9所示，鉆頭旋轉(zhuǎn)工作時，鉆頭中心區(qū)域上的內(nèi)錐將在井底鉆出與內(nèi)錐相吻合的井底凸錐形貌。鉆頭心部凸起的巖石錐體有利于鉆頭與井底巖石的穩(wěn)定貼合，有利于鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時的穩(wěn)定，能減少鉆頭鉆進(jìn)工作時的振動。固定切削齒多為金剛石類切削齒，振動沖擊損壞是固定切削齒損壞的主要形式之一。本實(shí)用新型內(nèi)錐的存在能明顯減小鉆頭的振動，減小切削齒的沖擊損壞、牙輪殼體及牙輪軸承的沖擊載荷，增強(qiáng)鉆頭的工作穩(wěn)定性，并提高鉆頭切削齒、牙輪、軸承的使用壽命，從而提聞鉆頭的使用壽命。
[0026](2)本實(shí)用新型的牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有內(nèi)錐(圖1、6、9)，其能增加鉆頭心部的布齒面積，能為心部提供更多的布齒空間，因此能提高鉆頭的切削結(jié)構(gòu)的使用壽命，從而延長鉆頭的使用壽命。
[0027](3) α在45?90°之間時，固定切削結(jié)構(gòu)過鉆頭的中心，鉆頭心部區(qū)域由固定切削結(jié)構(gòu)覆蓋，鉆頭心部附近的巖石由固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒負(fù)責(zé)破碎，心部以外(至鉆頭外徑)區(qū)域由固定切削結(jié)構(gòu)和牙輪共同覆蓋、共同負(fù)責(zé)破碎，心部以外破巖任務(wù)量大的區(qū)域形成交叉刮切，鉆頭破巖效率高。鉆頭心部由耐磨性極強(qiáng)的金剛石類(特別是roc)固定切削齒來破碎，心部以外由固定切削齒和牙輪切削齒形成交叉刮切共同破碎，這不僅能使鉆頭上的切削齒達(dá)到磨損均衡，而且還能克服因牙輪切削齒不耐磨而過快磨損或牙輪切削齒失效而引起的鉆頭早起失效。因?yàn)楣潭ㄇ邢鹘Y(jié)構(gòu)上的固定切削齒從鉆頭中心到外徑均能覆蓋，即使牙輪切削齒有嚴(yán)重磨損或部分失效，鉆頭仍能繼續(xù)鉆進(jìn)。因此，取α在45?90°之間，能很好地發(fā)揮具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭的復(fù)合切削結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。
[0028]前述本實(shí)用新型主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本實(shí)用新型可采用并要求保護(hù)的方案。如選擇1-5間可以任意相互組合，并與在主方案進(jìn)一步組合，等等，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型方案后根據(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。
[0029]本實(shí)用新型的有益效果: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，增強(qiáng)鉆頭的工作穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]本實(shí)用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0031]圖1、2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為本實(shí)用新型的牙輪剖開后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖4為牙輪軸傾角α <45°時牙輪與井底接觸區(qū)域的示意圖。
[0034]圖5為牙輪軸傾角α在45?90°之間時牙輪與井底接觸區(qū)域的示意圖。[0035]圖6為本實(shí)用新型牙輪軸傾角α在45?90°之間且固定切削結(jié)構(gòu)上設(shè)置有內(nèi)錐時，牙輪及固定切削結(jié)構(gòu)與井底接觸的示意圖。
[0036]圖7為在本實(shí)用新型固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒和牙輪上的非固定切削齒共同作用下，鉆頭在井底刮切出的復(fù)雜交錯網(wǎng)狀刮痕示意圖。
[0037]圖8為圖2的左視圖。
[0038]圖9為本實(shí)用新型沿著牙輪軸線從固定切削結(jié)構(gòu)向牙輪方向看的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0040]基本例:如圖1、2、3、6、7、8、9所示,一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭,包括鉆頭體1、牙輪2、牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3，牙輪2上布置有牙輪切削齒5，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3上布置有固定切削齒6，鉆頭體I上設(shè)置有軸頸4，牙輪2與軸頸4形成轉(zhuǎn)動連接，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3與軸頸4的前端固定連接，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3上設(shè)置有內(nèi)錐31。作為基本例的選擇一:如圖5、6所示,牙輪2的軸傾角α的范圍是45° < α < 90°。更優(yōu)選，牙輪2的軸傾角α的范圍是60° < α <90°，進(jìn)一步優(yōu)選，牙輪2的軸傾角α的范圍是70° < α <90°。作為基本例的選擇二:如圖1、8、9所示，牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3及軸頸4內(nèi)設(shè)置有與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通的噴嘴孔9。噴嘴孔上可根據(jù)需要安裝噴嘴。
[0041]牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3及軸頸4內(nèi)設(shè)置有與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通的噴嘴孔9能為固定切削結(jié)構(gòu)3提供水力，有利于固定切削結(jié)構(gòu)3刮切破巖時產(chǎn)生的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9上可根據(jù)需要安裝噴嘴。
[0042]作為基本例的選擇三:如圖1、2、3、5、6、8、9所示，牙輪2與牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)3的組合為球形輪廓結(jié)構(gòu)。
[0043]作為基本例的選擇四:鉆頭體上設(shè)置有切削齒(圖中未示出)。
[0044]前述本實(shí)用新型基本例及其各進(jìn)一步選擇例可以自由組合以形成多個實(shí)施例，均為本實(shí)用新型可采用并要求保護(hù)的實(shí)施例。比如，如選擇1-4間可以任意相互組合，并與基本例進(jìn)一步組合，在此不做窮舉，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知有眾多組合。
[0045]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，包括鉆頭體(1)、牙輪(2)、牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)(3 )，所述牙輪(2 )上布置有牙輪切削齒(5 )，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)(3 )上布置有固定切削齒(6)，所述鉆頭體(1)上設(shè)置有軸頸(4)，所述牙輪(2)與所述軸頸(4)形成轉(zhuǎn)動連接，其特征在于:所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)(3)與所述軸頸(4)的前端固定連接，所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)(3)上設(shè)置有內(nèi)錐(31)。
2.如權(quán)利要求1所述的具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，其特征在于:所述牙輪(2)的軸傾角α的范圍是45° < α≤90°。
3.如權(quán)利要求2所述的具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，其特征在于:所述牙輪(2)的軸傾角α的范圍是60°≤α <90°。
4.如權(quán)利要求3所述的具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，其特征在于:所述牙輪(2)的軸傾角α的范圍是70°≤α < 90°。
5.如權(quán)利要求1所述的具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，其特征在于:所述牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)(3)及軸頸(4)內(nèi)設(shè)置有與鉆頭體內(nèi)的內(nèi)流道相連通的噴嘴孔(9)。
6.如權(quán)利要求1所述的具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，其特征在于:所述牙輪(2)與牙輪前固定切削結(jié)構(gòu)(3)的組合為球形輪廓結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的具有內(nèi)錐的復(fù)合式單牙輪鉆頭，其特征在于:所述鉆頭體(1)上設(shè)置有切削齒。
【文檔編號】E21B10/16GK203640608SQ201320697549
【公開日】2014年6月11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】陳煉, 楊迎新, 任海濤, 林敏 , 周春曉, 張偉峰 申請人:西南石油大學(xué)