[發明專利]一種盤式鑲齒牙輪鉆頭

有效

• 申請號: 201310063619.2
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103132911A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 楊迎新;陳煉;任海濤;林敏;牛世偉;姚峰;周春曉
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/16
• 分類號: E21B10/16;E21B10/50
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰;錢成岑

技術領域

本發明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備技術領域，具體的講涉及一種牙輪鉆頭。

背景技術

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。目前鉆井工程中所使用的三牙輪鉆頭包括鋼齒鉆頭（又稱銑齒鉆頭）和硬質合金齒鉆頭（又稱鑲齒鉆頭）。鋼齒鉆頭是在牙輪坯體上直接銑出切削齒，齒的強度較低、耐磨性較差，一般用于軟地層；鑲齒鉆頭在牙輪體預留的齒孔內鑲固硬質合金牙齒（以下簡稱硬質合金齒或牙齒），硬質合金齒的硬度和耐磨性明顯優于鋼齒，一般用于較硬地層。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，動載系數大。在結構形式上，為了滿足鑲齒牙輪鉆頭沖壓破碎破巖工作方式的需要，現有鉆頭采用了以下三個技術手段：其一，現有鑲齒牙輪鉆頭上的切削齒（牙齒）的下部鑲固部分均為圓柱型，上部出露部分由下部圓柱向牙齒軸線逐漸收縮過渡，多為楔形或錐形，牙齒的齒頂寬度均明顯小于下部鑲固部分的直徑，以形成較尖銳的沖擊頭部。由于牙齒受的動載大，且牙齒尺寸相對較小，所以容易發生牙齒的整體或局部斷裂。其二，現有大多數鑲齒三牙輪鉆頭牙輪上牙齒的齒頂無偏轉（即齒頂偏轉角為0°），也有少量鉆頭的部分齒圈的牙齒（切削齒）齒頂有偏轉，偏轉角一般在50°以內。牙齒的偏轉是為了迎合牙齒沖擊壓入巖石后的滑移刮切方向，以增加牙齒對巖石的滑移刮切效果（量）。其三，多數三牙輪鉆頭的牙輪存在偏移，其目的在于，偏移使牙輪在井底巖石上滾動破巖時無法發生純滾動，使牙輪上的牙齒破巖時滑移增大，偏移值越大牙輪上的牙齒滑移刮切越明顯，但同時也因滑移產生的磨損也越大。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種盤式鑲齒牙輪鉆頭，其提出一種新的結構形式，該鉆頭具有橫向鑲固的牙齒,該結構形式下的牙齒以滾動碾壓、劈裂的方式作用于井底巖石，以接近于靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，對于硬地層鉆進具有獨特優勢，特別適合于硬脆性和硬研磨性巖層的鉆進，在保證鉆頭較高破巖效率的同時，能延長鉆頭牙齒和軸承的壽命，進而延長鉆頭使用壽命。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種盤式鑲齒牙輪鉆頭，包括鉆頭體、至少一個牙輪，所述牙輪上鑲固有橫鑲牙齒，且橫鑲牙齒的齒頂偏轉角α的取值范圍是70°≤|α|≤90°，橫鑲牙齒的鑲固部分的橫斷面輪廓為非圓形。

牙齒的結構是影響牙輪鉆頭鉆進效率的關鍵因素之一。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒與牙輪上的齒孔通常采用過盈配合（或鑲焊等）方式鑲固在牙輪上。牙齒的下部與牙輪齒孔形成過盈配合（該部分稱為牙齒的鑲固部分），牙齒與齒孔形成過盈配合的表面一般為圓柱面；牙齒的上部位于牙輪殼體的表面之外，用于直接接觸、破碎巖石（該部分稱為牙齒的工作部分，也稱為牙齒的冠部或頭部），通常情況下，牙齒冠部的徑向（垂直于牙齒軸線方向，平行牙齒下部圓柱的直徑方向）尺寸小于鑲固部分的圓柱直徑。牙齒鑲固部分的尺寸（直徑和高度）和過盈量是決定固齒強度的關鍵，而牙齒冠部的形狀和尺寸則是決定牙齒工作性能的關鍵。通常所謂的“齒型”或“齒形”就是指依據牙齒冠部形狀和尺寸的特征而對牙齒作的分類。常見的牙齒齒型（或齒形）包括球形齒、錐形齒、楔形齒、勺形齒、偏心勺形齒、邊楔齒等。依據牙齒冠部幾何形體主要特征的不同，可以將牙齒分為回轉體類牙齒和非回轉體類牙齒兩大類。回轉體類牙齒的冠部表面為與牙齒中心線同軸的回轉曲面，如球形齒和錐形齒。若牙齒的冠部表面為非回轉曲面，或雖為回轉曲面但其回轉中心與牙齒中心不同軸，這樣的牙齒均為非回轉體類牙齒，如楔形齒、勺形齒、偏心勺形齒和邊楔齒等。