[發明專利]一種鑲齒牙輪鉆頭

有效

• 申請號: 201310063631.3
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103114811A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 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;E21B10/52
• 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，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°。

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。

表征牙齒冠部形狀和尺寸的主要參數為牙齒的出露高度h、牙齒的齒頂寬度W和牙齒的齒頂厚度T（見圖4）。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是指牙齒的齒頂區域在垂直于牙齒軸線的平面內的最大橫向尺寸，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，但同時也越容易發生強度失效。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。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒一般多按照齒頂寬方向與牙輪母線平行的方向鑲固（如圖5中的齒5）。也可先分析預測牙齒刮切運動的方向，然后按照齒頂寬與刮切運動方向相垂直或接近垂直的方向鑲固牙齒（如圖5中的齒6）。