CN103132912B - 一种宽镶齿牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽镶齿牙轮钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括钻头体、至少一个牙轮，所述牙轮上镶装有牙齿，所述牙齿为宽镶齿，其4分齿顶宽度大于等于其齿柱宽度，且其齿柱的横断面为非圆形。本发明提供一种宽齿顶结构的镶齿牙轮钻头，该钻头在扩大钻头地层适应性的同时，能提高钻头牙齿及钻头的使用寿命，特别是在软地层的钻进中具有明显的优势。

Description

一种宽镶齿牙轮钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种牙轮钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。牙轮钻头是钻井工程中常用的破岩工具。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破碎岩石，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石。目前钻井工程中所使用的三牙轮钻头包括钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）。铣齿牙轮钻头是在牙轮坯体上直接铣出切削齿，切削齿材料与牙轮本体材料相同，一般为钢质材料，齿的强度较低、耐磨性较差，一般用于软地层。由于牙齿的尺寸大（齿顶宽度和出露高度均较大），故铣齿钻头在软地层的钻进中破岩效率高；但由于切削齿材料的限制，钻头切削齿易发生强度失效和磨损失效。为提高切削齿的耐磨性，一般要在钢齿表面进行强化处理，或敷焊耐磨合金以提高其表面强度及耐磨性，但处理后的表面强化层或敷焊层厚度有限，表层强度及耐磨性仍不及硬质合金，处理后的钢齿与硬质合金牙齿相比仍有较大差距。铣齿牙轮钻头的切削齿寿命不高，限制了其使用寿命及其在较硬或研磨性强的地层中的应用。镶齿钻头在牙轮本体预留的齿孔内用过盈配合或焊接等方式镶固硬质合金牙齿（以下简称硬质合金齿或牙齿），硬质合金齿的硬度和耐磨性明显优于钢齿，一般用于较硬地层。镶齿牙轮钻头的牙齿尺寸较小（特别是齿顶宽度小），且其齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，所形成的较尖锐的牙齿头部能较好地适应较硬地层的破岩。但由于牙齿尺寸小，镶齿牙轮钻头在软地层的钻进效率明显不及铣齿牙轮钻头。而且，在实际工程中，地层复杂多变，并非单一的软地层或硬地层，而常见存在有硬夹层的地层、软硬交错地层及不均质地层，在这种情况下，现有钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）使用效果都大打折扣。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种宽齿顶镶齿牙轮钻头，该钻头在扩大钻头地层适应性的同时，能提高钻头牙齿及钻头的使用寿命，特别是在软地层的钻进中具有明显的优势。

本发明为达到上述目的所采用的技术方案为：

一种宽镶齿牙轮钻头，包括钻头体、至少一个牙轮，所述牙轮上镶装有牙齿，所述牙齿为宽镶齿，其4分齿顶宽度大于等于其齿柱宽度，且其齿柱的横断面轮廓为非圆形。

牙齿的结构是影响牙轮钻头钻进效率的关键因素之一。镶齿牙轮钻头的牙齿与牙轮上的齿孔通常采用过盈配合（或镶焊等）方式镶固在牙轮上。牙齿的下部与牙轮齿孔形成过盈配合（该部分称为牙齿的镶固部分或齿柱），牙齿与齿孔形成过盈配合的表面一般为圆柱面；牙齿的上部出露部分位于牙轮壳体的表面之外，用于直接接触、破碎岩石（该部分称为牙齿的工作部分，也称为牙齿的冠部或头部），通常情况下，牙齿冠部的径向（垂直于牙齿轴线方向，平行牙齿下部圆柱的直径方向）尺寸小于镶固部分的圆柱直径。牙齿镶固部分的尺寸（直径和高度）和过盈量是决定固齿强度的关键，而牙齿冠部的形状和尺寸则是决定牙齿工作性能的关键。通常所谓的“齿型”或“齿形”就是指依据牙齿冠部形状和尺寸的特征而对牙齿作的分类。常见的牙齿齿型（或齿形）包括球形齿、锥形齿、楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿、边楔齿等。

表征牙齿冠部形状和尺寸的主要参数为牙齿的出露高度h、牙齿的齿顶宽度W和牙齿的齿顶厚度T（见图19）。出露高度h是指牙齿出露于牙轮壳体表面之外的高度，简称出露高度或齿高；牙齿的齿顶宽度W是指牙齿的齿顶区域在垂直于牙齿轴线的平面内的最大横向尺寸，简称齿顶宽度；牙齿的厚度T是指牙齿齿顶区域在垂直于牙齿宽度方向的最大横向尺寸，简称齿顶厚度。齿顶宽度和齿顶厚度代表了牙齿顶部的横向尺寸，横向尺寸越小，牙齿越尖锐、越容易侵入岩石，但同时也越容易发生强度失效，牙齿耐磨性也越低。就对牙齿破岩效率的影响而言，牙齿的宽度具有比较特殊的意义，原因在于：尽管牙轮钻头主要以压碎作用破碎岩石，但钻头牙齿在与岩石接触时的相对滑移运动可使牙齿产生刮切破岩的效果，此时，牙齿的宽度越大，刮切时扫过的面积就越大，刮切破岩的效果也就越明显。

然而，由于牙齿冠部形状的特殊性，牙齿“齿顶区域”的概念具有一定的模糊性，因而需要加以具体的约定，以达到对各种形状的牙齿都能按照统一的方法度量齿顶宽度和齿顶厚度的目的。为此，特作约定如下：N为一自然数，在纵向距牙齿冠部最高点h/N的位置做一个垂直于牙齿轴线的平面P（见图19），牙齿上由该平面至牙齿冠部最高点之间的区域为牙齿的N分齿顶区域。在牙齿的N分齿顶区域内，垂直于牙齿轴线的最大横向尺寸，为牙齿的N分齿顶宽度（也即：牙齿的N分齿顶区域在平面P上投影的最大宽度）；最大横向尺寸在P平面上所对应的方向为齿顶齿宽方向；该齿顶区域在垂直于齿顶宽度方向上的最大横向尺寸，为牙齿的N分齿顶厚度。在图19中，标明了楔形齿的4分齿顶区域（P平面至牙齿顶部最高点之间的区域）、4分齿顶宽度W、齿顶宽度方向以及4分齿顶厚度T。通常情况下，牙齿冠部的形状都是由根部到顶部越来越尖锐，所以在平面P上的牙齿横截面宽度/厚度，就等于牙齿的N分齿顶宽度/厚度。

现有镶齿牙轮钻头上的牙齿的上部出露部分，均为从下部齿柱开始逐渐向上收缩的尖头部，牙齿的齿顶宽度均明显小于下部齿柱的直径。本发明中的牙齿具有较长的齿顶宽度，牙齿的4分齿顶宽度均大于等于牙齿下部齿柱的宽度，且将此种长齿顶宽度的牙齿称为宽镶齿。宽镶齿牙轮钻头上采用宽镶齿，且宽镶齿的齿柱（即下部镶固部分）的横断面为非圆形。宽镶齿齿柱的横向（垂直牙齿高度方向）最大尺寸为齿柱的长度，垂直长度方向的最大横向尺寸为齿柱的宽度（如图5，L1为齿柱的长度，W1为齿柱的宽度）。本发明宽镶齿的4分齿顶宽度大于等于其齿柱的宽度，宽镶齿的齿顶宽度和出露尺寸均较大，能有效提高钻头在较软岩层的破岩效率。此种齿柱的横断面为非圆形的宽镶齿，其上部出露部分的齿顶宽可沿下部齿柱的长度方向设计得很长，齿顶宽可明显长于常规镶齿，且下部齿柱的长度可为适应齿顶宽的加长而加长，齿柱横断面为非圆形为加长牙齿的齿顶宽提供了便利和条件。牙齿上部出露部分与岩石作用受力时，较长齿顶宽度的牙齿沿齿顶宽度方向上的受力可能不均，相应加长的横断面非圆形的齿柱能有效承担和均衡牙齿出露部分的载荷，改善牙齿的应力分配，从而提高牙齿强度和镶固可靠度。

按上述方案，所述宽镶齿的材料为硬质合金，或金刚石做表面加强的硬质合金复合齿，或孕镶金刚石切削齿等。

本发明专利的有益效果在于：

（1）钻头牙轮上采用宽镶齿，宽镶齿的齿柱横断面轮廓为非圆形，宽镶齿的齿顶宽度大；牙轮上的宽镶齿为镶齿，宽镶齿可选择与牙轮本体不同的材料，如采用硬度及耐磨性均远优于牙轮材料的硬质合金齿、金刚石做表面加强的硬质合金复合齿，或孕镶金刚石切削齿等，这些牙齿的耐磨性和硬度等均明显高于普通铣齿牙轮钻头的切削齿。本发明既具有较大的齿顶宽度和出露尺寸，同时也具有较强的强度和耐磨性，牙齿寿命和钻头破岩效率均将明显提高，特别是在较软地层，钻头的的工作性能可得到明显提升。

（2）本发明采用宽镶齿，扩大了钻头的地层适应范围，可将钻头应用于较硬地层的钻进，特别是扩宽了钻头在存在有硬夹层的地层、软硬交错地层及不均质地层中的应用。本发明采用宽镶齿增强了钻头地层的适应性，提高了钻头的钻进效率，能降低钻井成本。

（3）本发明采用的宽镶齿具有较大的齿顶宽度和出露尺寸，与传统镶齿钻头相比可有效提高钻头的井底覆盖率，进而提高钻头破岩效率。

作为优选，所述宽镶齿的4分齿顶宽度大于等于其齿柱长度。

上述方案中，充分利用宽镶齿的齿柱长度，沿齿柱长度增加宽镶齿的齿顶宽度，能充分利用和发挥宽镶齿钻头的上述有益效果。当宽镶齿的齿顶宽度等于其齿柱长度时，宽镶齿的下部齿柱尺寸和上部出露尺寸相同，有利于宽镶齿的加工成型。宽镶齿的4分齿顶宽度W大于齿柱的长度L1，进一步突破现有技术牙齿尖锐形式的惯性思维，形成一上大下小的类似蘑菇状。该结构的宽镶齿有利于宽镶齿钻头在较软地层钻进效率的提高，同时可在不增加镶固部分尺寸、牙轮齿孔尺寸的前提下达到增大齿顶宽度的目的，其在保证了牙齿镶固可靠度的同时还保证了牙轮壳体的强度。

作为进一步优选，所述宽镶齿的4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.2倍。

作为进一步优选，所述宽镶齿的4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.5倍。

作为进一步优选，所述宽镶齿的下部齿柱与上部出露部分经台阶过渡。

上述方案中这种下部齿柱与上部出露部分经台阶过渡的宽镶齿，其台阶面可坐压在牙轮齿孔的孔口面上，使牙齿工作时的轴向压力通过齿孔孔口面来承担，不再由齿孔低的牙轮壳体来承担。这样，牙齿工作时作用于牙轮壳体的载荷将大大改善，能明显提高牙轮体的载荷分布均匀度和壳体的可靠性及安全性；或，可减小牙轮齿孔孔底与牙轮内轴承孔之间的厚度，从而增大牙轮内轴承孔的尺寸，即增大牙轮内轴承的尺寸，提高牙轮轴承的强度和使用寿命，进而延长钻头使用寿命。

作为进一步优选，所述宽镶齿的下部齿柱与上部出露部分圆弧过渡。

作为优选，所述宽镶齿齿柱的横截面形状为两头半圆的圆角矩形。

上述方案中，宽镶齿的齿柱横截面为两头半圆的圆角矩形，有利于宽镶齿齿柱的加工成型和牙轮上相应齿孔的加工。

作为优选，所述宽镶齿齿柱的横截面形状为椭圆形。

上述方案中，宽镶齿的齿柱横截面为椭圆形，有利于宽镶齿齿柱的加工成型和牙轮上相应齿孔的加工，椭圆形齿柱轮廓和齿孔也便于实现现代数字机加工，加工可操作性强。

作为优选，所述宽镶齿齿柱的横截面轮廓由至少两个圆相交构成的外轮廓而形成。

上述方案中，宽镶齿齿柱的横截面轮廓由多个圆相交构成的外轮廓而形成，其相应的齿孔形状也为多个圆相交构成，其便于牙齿齿柱及齿孔的加工（如钻或铣等）成型，加工工艺性好；圆弧部位为齿柱及齿孔的紧密贴合部位，易于保证齿柱、齿孔的形状、尺寸及公差配合精度，便于牙齿齿柱与齿孔间配合量的控制，提高牙齿镶固强度和可靠性。

作为进一步优选，所述宽镶齿齿柱的横截面形状为三圆梭形，即齿柱横截面轮廓主要由三个圆相交而形成，且中间圆（弧）的半径大于两边圆（弧）的半径，形成一梭形，齿柱所对应的齿孔也为三圆梭形。此优选方案除了具有上述有益效果之外，牙齿在齿顶厚度方向的抗弯能力及固齿强度均较强。

作为优选，所述宽镶齿齿柱的横截面轮廓由至少两个圆弧经由直线段或曲线段（优选圆弧）连接构成。

作为进一步优选，所述宽镶齿齿柱的横截面轮廓为两边优弧，中间曲线段（优选圆弧）或直线段连接而成。

作为优选，所述宽镶齿为硬质合金牙齿，或金刚石做表面加强的硬质合金复合齿，或孕镶金刚石牙齿等。

附图说明

图1为本发明一种宽镶齿牙轮钻头的结构示意图。

图2为图1所示结构钻头的俯视图（沿钻头轴线逆钻头钻进方向看时的视图）。

图3为本发明宽镶齿牙轮钻头的宽镶齿井底径向布齿覆盖图。

图4为本发明的宽镶齿齿柱的横截面形状为两头半圆的圆角矩形的一种宽镶齿的牙齿结构示意图。

图5为图4所示宽镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图6为图4所示宽镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图7为图4所示宽镶齿固于牙轮齿孔后，沿牙齿下部齿柱的横截面剖切时的局部剖视图。

图8为本发明的宽镶齿齿柱的横截面形状为椭圆形的一种宽镶齿的牙齿结构示意图。

图9为图8所示宽镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图10为本发明的宽镶齿齿柱长度等于宽镶齿4分齿顶宽度的一种宽镶齿的牙齿结构示意图。

图11为图10所示宽镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图12为本发明的宽镶齿齿柱长度小于宽镶齿4分齿顶宽度，下部齿柱与上部出露部分经台阶过渡的一种宽镶齿的牙齿结构示意图。

图13为图12所示宽镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图14为图12所示宽镶齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。

图15为本发明的宽镶齿齿柱长度小于宽镶齿4分齿顶宽度，下部齿柱与上部出露部分圆弧过渡的一种宽镶齿的牙齿结构示意图。

图16为图15所示宽镶齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。

图17为齿柱横截面轮廓是三圆梭形时的宽镶齿齿柱横截面轮廓示意图。

图18为齿柱横截面轮廓为两边优弧中间圆弧或直线段连接而成的宽镶齿齿柱横截面轮廓示意图。

图19为以楔形齿为例的牙齿4分齿顶宽度W及厚度T的示意图。

图中：1、钻头体，2、牙轮，3、宽镶齿，31、齿柱。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

如图1至7所示，一种宽镶齿牙轮钻头，包括钻头体1、至少一个牙轮2（如三牙轮等），牙轮2上镶装有宽镶齿3，宽镶齿3优选为硬质合金牙齿，或金刚石做表面加强的硬质合金复合齿，或孕镶金刚石牙齿等。宽镶齿3的齿柱31的横断面轮廓为非圆形，作为优选，宽镶齿3的齿柱31的横截面形状为两头半圆的圆角矩形，宽镶齿3的4分齿顶宽度大于等于其齿柱宽度。优选，宽镶齿3的4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.2倍，更优选宽镶齿3的4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.5倍。

实施例2：

如图8、9所示，一种宽镶齿牙轮钻头，包括钻头体1、至少一个牙轮2（如三牙轮等），牙轮2上镶装有宽镶齿3，宽镶齿3优选为硬质合金牙齿，或金刚石做表面加强的硬质合金复合齿，或孕镶金刚石牙齿等。宽镶齿3的齿柱31的横断面轮廓为非圆形，作为优选，宽镶齿3的齿柱31的横截面轮廓形状为椭圆形，宽镶齿3的4分齿顶宽度大于等于其齿柱宽度。优选，宽镶齿3的4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.2倍，更优选宽镶齿3的4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.5倍。

实施例3：

本实施例与实施例1或2基本相同，其区别在于：宽镶齿3的4分齿顶宽度大于等于其齿柱长度。如图10、11所示，图示宽镶齿3齿柱长度等于宽镶齿4分齿顶宽度。

实施例4：

如图12、13、14所示，本实施例与实施例3基本相同，其区别在于：宽镶齿3的下部齿柱31与上部出露部分经台阶过渡。

实施例5：

如图15、16所示，本实施例与实施例3基本相同，其区别在于：宽镶齿3的下部齿柱31与上部出露部分圆弧过渡。

实施例6：

如图17、18所示，本实施例与实施例1-5基本相同，其区别在于：宽镶齿3的下部齿柱31的横断面轮廓由至少两个圆相交构成的外轮廓而形成。如图17，宽镶齿3的齿柱31的横截面形状为三圆梭形，即齿柱31的横截面轮廓主要由三个圆相交而形成，且中间圆（弧）的半径大于两边圆（弧）的半径，形成一梭形。

实施例7：

本实施例与实施例1-5基本相同，其区别在于：宽镶齿3齿柱31的横截面轮廓由至少两个圆弧经由直线段或曲线段（优选圆弧）连接构成。优选，宽镶齿3齿柱31的横截面轮廓为两边优弧，中间曲线段（优选圆弧）或直线段连接而成。如图18，宽镶齿3的齿柱31的横断面轮廓由两边优弧中间圆弧或直线段连接而成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽镶齿牙轮钻头，包括钻头体、至少一个牙轮，所述牙轮上镶装有牙齿，其特征在于：所述牙齿为宽镶齿，其4分齿顶宽度不小于其齿柱宽度的1.5倍，且其齿柱的横断面轮廓为非圆形。

2.如权利要求1所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿的4分齿顶宽度大于等于其齿柱长度。

3.如权利要求2所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿的下部齿柱与上部出露部分经台阶过渡。

4.如权利要求1所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿齿柱的横截面形状为两头半圆的圆角矩形。

5.如权利要求1所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿齿柱的横截面形状为椭圆形。

6.如权利要求1所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿齿柱的横截面轮廓由至少两个圆相交构成的外轮廓而形成。

7.如权利要求6所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿齿柱的横截面形状为三圆梭形。

8.如权利要求1所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿齿柱的横截面轮廓由至少两个圆弧经由直线段或曲线段连接构成。

9.如权利要求8所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿齿柱的横截面轮廓为两边优弧，中间曲线段或直线段连接而成。

10.如权利要求1至9中任一权利要求中所述的宽镶齿牙轮钻头，其特征在于：所述宽镶齿为硬质合金牙齿，或金刚石做表面加强的硬质合金复合齿，或孕镶金刚石牙齿。