[發明專利]一種用于高轉速鉆井的三牙輪鉆頭

有效

• 申請號: 201010291410.8
• 申請日: 2010-09-15
• 公開（公告）號: CN101967956A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 田紅平;邵增元;樊孝兵
• 申請（專利權）人: 江漢石油鉆頭股份有限公司
• 主分類號: E21B10/08
• 分類號: E21B10/08;E21B10/22;E21B10/24;E21B10/25;E21B10/16;E21B10/18
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 胡建平

技術領域

本發明涉及一種三牙輪鉆頭，尤其涉及一種用于高轉速鉆井的三牙輪鉆頭，屬于地質鉆探和石油鉆井技術領域。

技術背景

現有的三牙輪鉆頭通常包括有一個鉆頭體，鉆頭體上有三片牙掌，牙輪安裝在牙掌下端傾斜的牙掌軸上，牙掌軸與牙輪內孔設置軸承副，將鉆壓和扭矩傳遞給牙輪。目前，牙輪鉆頭軸承主要有滑動軸承和滾動軸承兩種形式。牙輪上有鋼齒或硬質合金鑲齒，鉆井液從鉆柱進入鉆頭流道，然后從三個噴嘴噴出。噴嘴安裝在噴嘴座中，鉆井液沖擊井底后從噴嘴座兩側上返。噴嘴射流噴向兩個牙輪中間且靠近井壁。鉆頭牙輪的外排齒上有三點接觸井壁，接觸點在每個牙輪的前側。在配合渦輪或高速螺桿高轉速鉆井時，上述現有牙輪鉆頭存在下述問題：滑動軸承不能承受高轉速，而滾動軸承難以承受高鉆壓，因此軸承壽命顯著降低；高轉速鉆井同時要配合較高的鉆壓，牙齒所受的沖擊相對明顯增大，鉆頭橫向和縱向振動更嚴重，因而牙齒磨損快，容易發生牙齒折斷，從而降低鉆進效率。此外，高轉速鉆頭在硬地層使用，牙齒磨損發熱快，得不到及時冷卻，導致牙齒過早失效。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術存在的不足而提供一種用于高轉速鉆井的三牙輪鉆頭，它能在高轉速下配合較高的鉆壓進行工作，能夠減小牙齒的沖擊力，增強破巖效率，從而提高牙輪鉆頭的鉆井效率和綜合效果。

本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：包括有三個牙掌和安設在牙掌下端的牙輪，牙輪上布設牙齒，三個牙掌的上部相聯成一體構成鉆頭體，在鉆頭體上安設有噴嘴座，噴嘴座的噴孔中安設有噴嘴，其不同之處在于牙輪與牙掌軸間的鉆頭軸承為滾柱與弧形滑塊間隔布置的滾滑復合軸承，并且牙輪與牙掌軸間的鉆頭軸承密封為金屬密封。

按上述方案，所述的滾滑復合軸承的弧形滑塊外圓弧面直徑與牙輪內孔直徑相同，長度與滾柱相同，弧形滑塊的徑向厚度大于滾柱直徑，大于量為0.03～2.00mm，大于量與鉆頭直徑相關，鉆頭直徑從φ75mm到φ660mm；弧形滑塊節圓弧長(滑塊與滾柱設計接觸點所在圓上的弧長)小于或等于2倍的滾柱直徑。

按上述方案，在滾滑復合軸承與牙掌軸之間設置滑套；所述的滑套材料為工具鋼。

按上述方案，所述的弧形滑塊兩側側面相平行；弧形滑塊由工具鋼或彈簧鋼制成，滾柱由軸承鋼制成。

按上述方案，所述的牙掌掌背的上部后側向后延伸一段距離，形成延伸塊狀體，延伸塊狀體的回轉直徑略小于牙輪鉆頭規徑，小于量為0.3～1.5mm，形成牙掌上部的保徑面，延伸塊狀體上鑲裝2～3排保徑齒，每排2～3個保徑齒，間隔交錯排列，由此與牙輪一起構成六個保徑點，即三個牙輪和三個掌背上各設置一個保徑點。所述的保徑齒為硬質合金齒或金剛石復合齒。

按上述方案，所述的弧形滑塊內、外圓弧面上均設置油槽，油槽與弧形滑塊軸向端面的夾角為0～75°，油槽間隔平行設置；內、外圓弧面上的油槽設置的位置和方向相互交錯。

按上述方案，所述的金屬密封為雙金屬密封，包括安設在牙掌軸上的橡膠密封圈和金屬密封圈，安設在牙輪內孔的橡膠密封圈和金屬密封圈，兩個金屬密封圈的端面配合，形成端面旋轉動密封。

按上述方案，所述的牙輪上布設的牙齒包括主切削齒和外排齒，主切削齒為凸形齒頂齒，包括凸頂楔形齒(CN200510019419.2)，外排齒為楔形齒或球形齒。

按上述方案，所述的牙掌掌背的上部后側的延伸塊狀體內安設噴嘴座，噴嘴座內安設噴嘴，噴嘴射流噴射方向朝向后一個牙輪的的前方。

按上述方案，所述的牙掌前側面整體向后偏斜，向后偏斜的角度為10°～30°，與前一個牙掌的后側形成螺旋回流通道，鉆井液沖擊井底后從螺旋回流通道上返。

本發明的有益效果在于：1、滾滑復合軸承能承受高轉速和較高的負載，并具備較強的抗沖擊性能，因而保證了牙輪鉆頭在高轉速和中高鉆壓條件下的軸承壽命，而軸承密封采用適應高轉速和高溫工況的金屬密封能夠使軸承壽命得到進一步的保證和提高；2、在滾滑復合軸承與牙掌軸之間設置滑套以及在弧形滑塊上設置油槽改善了弧形滑塊的滑動和潤滑狀況，有助于牙輪鉆頭在中高鉆壓條件下轉速的進一步提高；3、由于凸形齒頂切削齒的攻擊性較強，易于破碎巖石，在高轉速狀態下既能提高牙輪鉆頭的鉆進效率，又能保證牙齒在高轉速下的有效使用壽命；并且牙掌掌背的上部后側向后延伸一段距離，形成牙掌上部的保徑面，六點保徑結構增強了鉆頭的穩定性，減小了鉆頭振動所導致的牙齒折斷，使牙齒的使用壽命進一步提高；4、螺旋回流通道有利于井底巖屑上返，定向噴射增強牙齒冷卻，有利鉆進效率的提高。