[發(fā)明專利]一種嵌入式寬齒牙輪鉆頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310063629.6
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103089152A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊迎新;任海濤;陳煉;林敏;包澤軍;姚峰;張春亮;周春曉
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué)
• 主分類號: E21B10/16
• 分類號: E21B10/16;E21B10/52
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰;錢成岑

技術(shù)領(lǐng)域

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，具體的講涉及一種牙輪鉆頭。

背景技術(shù)

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。牙輪鉆頭是鉆井工程中常用的破巖工具。三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破碎巖石，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。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(zhì)合金齒鉆頭（又稱鑲齒鉆頭）。銑齒牙輪鉆頭是在牙輪坯體上直接銑出切削齒，切削齒材料與牙輪本體材料相同，一般為鋼質(zhì)材料，齒的強度較低、耐磨性較差，一般用于軟地層。。由于牙齒的尺寸大（齒頂寬度和出露高度均較大），故銑齒鉆頭在軟地層的鉆進(jìn)中破巖效率高；但由于切削齒材料的限制，鉆頭切削齒易發(fā)生強度失效和磨損失效。為提高切削齒的耐磨性，一般要在鋼齒表面進(jìn)行強化處理，或敷焊耐磨合金以提高其表面強度及耐磨性，但處理后的表面強化層或敷焊層厚度有限，表層強度及耐磨性仍不及硬質(zhì)合金，處理后的鋼齒與硬質(zhì)合金牙齒相比仍有較大差距。銑齒牙輪鉆頭的切削齒壽命不高，限制了其使用壽命及其在較硬或研磨性強的地層中的應(yīng)用。鑲齒鉆頭在牙輪本體預(yù)留的齒孔內(nèi)用過盈配合或焊接等方式鑲固硬質(zhì)合金牙齒（以下簡稱硬質(zhì)合金齒或牙齒），硬質(zhì)合金齒的硬度和耐磨性明顯優(yōu)于鋼齒，一般用于較硬地層。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒尺寸較小（特別是齒頂寬度小），且其齒頂寬度均明顯小于下部鑲固部分的直徑，所形成的較尖銳的牙齒頭部能較好地適應(yīng)較硬地層的破巖。但由于牙齒尺寸小，鑲齒牙輪鉆頭在軟地層的鉆進(jìn)效率明顯不及銑齒牙輪鉆頭。而且，在實際工程中，地層復(fù)雜多變，并非單一的軟地層或硬地層，而常見存在有硬夾層的地層、軟硬交錯地層及不均質(zhì)地層，在這種情況下，現(xiàn)有鋼齒鉆頭（又稱銑齒鉆頭）和硬質(zhì)合金齒鉆頭（又稱鑲齒鉆頭）使用效果都大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提供一種寬齒頂?shù)那度胧綄掿X牙輪鉆頭，該鉆頭在保證牙齒鑲固可靠性和制造工藝性的同時，能擴(kuò)大鉆頭的地層適應(yīng)性，并提高鉆頭牙齒及鉆頭的使用壽命，特別是在軟地層的鉆進(jìn)中具有明顯的優(yōu)勢。

本發(fā)明為達(dá)到上述目的所采用的技術(shù)方案為：

一種嵌入式寬齒牙輪鉆頭，包括鉆頭體、至少一個牙輪，所述牙輪上設(shè)有牙齒，其特征在于：所述牙齒為寬齒，所述寬齒的4分齒頂寬度大于等于其齒柱寬度，所述寬齒的齒柱的橫截面輪廓為非圓形，所述寬齒的齒柱柱面上設(shè)置有平行于寬齒軸線的條齒，且寬齒通過齒柱上的條齒侵入牙輪齒孔孔壁的方式或與孔壁形成多點接觸的過盈配合的方式鑲固于牙輪的齒孔內(nèi)。

齒柱柱面上設(shè)置有多個平行于寬齒的軸線的齒狀直條，與直齒輪的輪齒相似，簡稱為條齒。

寬齒通過齒柱上的條齒侵入牙輪齒孔孔壁的方式或與孔壁形成多點接觸的過盈配合方式鑲固于牙輪的齒孔內(nèi)，本說明書中，將這種鑲固方式簡稱為嵌入式。

牙齒的結(jié)構(gòu)是影響牙輪鉆頭鉆進(jìn)效率的關(guān)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或齒柱），牙齒與齒孔形成過盈配合的表面一般為圓柱面；牙齒的上部出露部分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(guān)鍵，而牙齒冠部的形狀和尺寸則是決定牙齒工作性能的關(guān)鍵。通常所謂的“齒型”或“齒形”就是指依據(jù)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。

表征牙齒冠部形狀和尺寸的主要參數(shù)為牙齒的出露高度h、牙齒的齒頂寬度W和牙齒的齒頂厚度T（見圖20）。出露高度h是指牙齒出露于牙輪殼體表面之外的高度，簡稱出露高度或齒高；牙齒的齒頂寬度W是指牙齒的齒頂區(qū)域在垂直于牙齒軸線的平面內(nèi)的最大橫向尺寸，簡稱齒頂寬度；牙齒的厚度T是指牙齒齒頂區(qū)域在垂直于牙齒寬度方向的最大橫向尺寸，簡稱齒頂厚度。齒頂寬度和齒頂厚度代表了牙齒頂部的橫向尺寸，橫向尺寸越小，牙齒越尖銳、越容易侵入巖石，但同時也越容易發(fā)生強度失效，牙齒耐磨性也越低。就對牙齒破巖效率的影響而言，牙齒的寬度具有比較特殊的意義，原因在于：盡管牙輪鉆頭主要以壓碎作用破碎巖石，但鉆頭牙齒在與巖石接觸時的相對滑移運動可使牙齒產(chǎn)生刮切破巖的效果，此時，牙齒的寬度越大，刮切時掃過的面積就越大，刮切破巖的效果也就越明顯。