CN107461155A - 一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，包括牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三、硬质合金齿、喷嘴、牙掌焊缝、牙掌体；三个牙轮总成均由小滚柱、大滚柱、牙轮壳体、锁紧钢球、碳化钨敷焊层、铜环、保径齿、密封组合、滑块组合、牙齿组成；三个牙轮总成分别镶装在三个牙掌体下端，三片牙掌体焊接为一体，三个牙掌体的上部构成钻头体，三个牙轮总成与三个牙掌体轴承配合连接，通过轴承实现相对转动；所述轴承由大滚柱、小滚柱的复合轴承、锁紧钢球、牙掌体、镶嵌铜环、牙轮壳体、密封组合组成，铜环为耐磨的铜合金材料制成，与牙掌体轴承上的大轴圆柱面过盈配合镶装。本发明所提供的钻头能够实现高速运转，且密封性高、耐高温性强。

Description

一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种用于地热勘探井钻探的高速三牙轮钻头。

背景技术

在世界当前的能源结构体系中，高能耗和环境污染是我国关键问题，地热资源因其可再生、无污染以及储量丰富等优点引起了各国的广泛关注。而在地热资源开发中，干热岩的开发利用具有普遍性，从理论上讲，只要深度达到在任何地方都能发现热源，同时干热岩型资源避免了热水型资源开发利用导致的地面沉降等问题，因此，干热岩吸引了国内外研究者的广泛关注。开发干热岩地热，需要采用钻井方式深入地层，而在常用的钻头材料中，由于聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿还不能适应硬质地层，目前地热钻井主要采用牙轮钻头。碳化钨镶齿牙轮钻头能够应付高达150℃的温度，但是超过了这一温度，钻头轴承中的橡胶密封材料会生退化，造成密封失效，钻井液及岩屑进入轴承腔从而导致轴承损坏，限制钻头在井底的钻进时间，导致起下钻次数增加和钻头使用数量增多，从而增加成本。针对常规钻头密封件中橡胶不能抗高温，导致钻头寿命太低的问题，可以采用新材料密封橡胶或金属密封代替橡胶密封来提高抗温能力。同时镶齿牙轮钻头是依靠牙齿的过盈装配使牙齿和齿孔内壁产生的摩擦阻力来紧固的，若牙齿和齿孔的过盈量不足则固齿力也会相应不足，而过盈量太大会导致牙齿和齿孔的接触应力超过孔壁材料的屈服极限从而发生塑性变形，在镶齿配合过程中，若过盈量太大，孔壁局部产生塑性变形，在高温地热钻井的环境下长时间工作，即便孔壁应力恒低于屈服强度也会发生蠕变现象，随之产生应力松弛，孔壁的弹性变形降低，塑性变形增大，变形量超过一定尺寸后，齿孔壁上会产生微裂纹和损伤。同时牙齿在和岩石相互作用过程中受交变应力的作用，又加速了孔壁损伤和孔壁裂纹的形成，当裂纹扩大到一定程度后齿孔对牙齿的紧固作用就会失去，最终会导致牙轮掉齿。由于镶齿钻头齿孔和牙齿的过盈量并不相同，所以对于过盈配合量的设计，需要对每个齿孔的牙齿选择合理的压力压入，否则牙齿也极其容易掉落和断裂，对每个牙齿齿孔的配合需要进行计算分析工作，此种检验的方式需要花费大量的人力物力，效率比较低，另外以往使用的钻头多为滑动钻头，为了提高勘探钻井钻井效率，对地热钻井牙轮钻头掉齿失效的相关文献进行调研和分析，并将地热钻井牙轮钻头与传统牙轮钻头进行对比，找出两者之间结构、材料、受载、工况上的区别，在传统牙轮钻头掉齿失效的基础上分析地热钻井掉齿失效的原因，并对其失效机理进行详细的研究，发现断齿的原因除与牙齿的类型外，还受到滑动轴承和密封结构的缺陷的影响。

相对而言，采用整体铣齿结构的钻头，能克服镶齿结构的加工复杂等问题，且成本更加低廉，目前的铣齿结构钻头主体由钢材组成，但与镶齿钻头相同，目前铣齿的钢齿钻头在密封性和耐温性上依然不能很好的满足需求，而且由于钢齿钻头的耐磨性相对较差，其主要用于浅层钻井，对于深层应用较少。

因此，寻找一种能克服上述问题的钢齿钻头，对于开发干热岩资源，提高国家能源保障和环境保护，有很大的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明涉及一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，通过对常规滚动和滑动钻头及橡胶密封钻头的基础上的改进，提供了一种碳化钨敷焊层的滚滑复合轴承钻头，能够实现高速运转，密封性高，耐高温性强。

本发明的技术方案如下：

一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，包括牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三、硬质合金齿、喷嘴、牙掌焊缝、牙掌体；所述牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三结构相同，其特征在于，所述牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三均包括小滚柱)、大滚柱、牙轮壳体、锁紧钢球、碳化钨敷焊层、铜环、保径齿、密封组合、滑块组合、牙齿；三个牙轮总成分别镶装在三个牙掌体下端，三片带牙轮的牙掌体焊接为一体，三个牙掌体的上部构成钻头体，三个牙轮总成与三个牙掌体的轴承配合连接，通过轴承实现相对转动；

所述牙掌体的轴承的内圈部分结构为上小下大的定轴构成，上端作为小圆柱面，下端作为大圆柱面，大滚柱、小滚柱作为滚珠，分别设在内圈的大圆柱面和小圆柱面上，牙轮壳体作为外圈，锁紧钢球卡设在大滚柱和小滚柱之间，镶嵌铜环安装于大圆柱面和大滚柱之间，牙轮壳体套设在轴承外侧，通过大滚柱、小滚柱实现转动，大滚柱下方设有密封组合，铜环为耐磨的铜合金材料制成，与轴承的大圆柱面过盈配合镶装。

进一步的，所述牙掌体表面设有钻孔，钻孔内镶嵌有硬质合金齿，硬质合金齿与钻孔采用过盈配合。

进一步的，所述钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，喷嘴所用材料为耐冲蚀的钨钴合金材料。

进一步的，所述牙齿表面设有碳化钨敷焊层，保证牙齿可以承受井下150℃高温，同时碳化钨敷焊层具有极强的耐磨性，能够抵抗干热岩的碾磨作用。

进一步的，所述轴承中注入合成润滑油及添加剂，提高轴承内部抗高温润滑性能。

进一步的，所述密封组合由密封圈一和密封圈二组成，密封圈一和密封圈二均为唇口朝内的V型密封圈，密封圈一套设在密封圈二外侧，实现轴承与牙轮壳体的密封，V型密封圈采用添加有纤维增强碳氟化合物的橡胶制成，具有耐高温特性。

进一步的，所述大滚柱、牙掌轴承、镶嵌铜环、牙轮壳体、滑块组合组成滚滑轴承，滑块组合设置于牙轮壳体之内，与大滚柱间隔设置，大滚柱作为滚动轴承，滑块组合作为滑动轴承，两种轴承结构相互配合，防止大滚柱应力过大发生压溃。

进一步的，所述滑块组合包括丁腈橡胶圈和金属滑块，丁腈橡胶圈和金属滑块通过粘接剂开姆洛克205粘胶剂压制结合成型。

进一步的，所述滑块组合宽度为大滚柱直径的1.2～2.2倍，大滚柱直径比滑块组合厚度小0.008～0.02mm；大滚柱、牙掌轴承、镶嵌铜环、牙轮壳体、滑块组合的径向间隙构成的总径向间隙在0.18～0.22mm之间。

进一步的，所述牙轮壳体材料为GCr15、牙掌体的材料为CrWMn，金属滑块材料为9Cr18。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计了一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，在钢齿三牙轮钻头的基础上，采用碳化钨敷焊层牙齿，消除了镶齿钻头齿孔和牙齿的过盈量的选配工作，不需要增加镶齿牙轮钻头钻铰齿孔工序，提高了设计效率；

2、利用新设计的滚滑复合轴承，并改进了轴承部分的密封结构，采用加入纤维增强碳氟化合物的V型密封圈，并配置为双重结构，密封主圈受到挤压收缩，将压力传给隔离密封圈，达到双重密封功能；

3、采用合成润滑油及添加剂提高抗高温润滑性能，这设计方法和选材保证了密封的可靠性和承受地热井的地层温度，适应此深度范围的井段干热岩的钻探，相对镶齿和金属密封结构的三牙轮钻头，节约了设计工作量和制造成本，大大减少钻进的时间，延长轴承部位的工作寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的三维啮合图；

图3为本发明的牙轮轴承结构图；

图4为本发明的滚滑复合轴承A-A截面俯视图；

图5为本发明的滑块结构图；

图6为本发明的密封组合结构图。

图中所示：

1-牙轮总成一，2-牙轮总成二，3-牙轮总成三，4-硬质合金齿，5-喷嘴，6-牙掌焊缝，7-小滚柱，8-大滚柱，9-牙掌体，10-牙轮壳体，11-锁紧钢球，12-钨钴合金敷焊层，13-铜环，14-保径齿，15-密封组合，150-隔离密封圈，151-密封主圈，16-滑块组合，160-丁腈橡胶圈，161-金属滑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1～图6所示，一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，主要由牙轮总成一1、牙轮总成二2、牙轮总成三3、硬质合金齿4、喷嘴5、牙掌焊缝6、和牙掌体9以及牙掌体9上的轴承构成，牙轮总成内部装配有小滚柱7、大滚柱8、牙轮壳体10、锁紧钢球11、钨钴合金敷焊层12、镶嵌铜环13、保径齿14、密封组合15、滑块组合16组成。三个牙轮总成镶装在三个牙掌体9下端，再将三片带牙轮的牙掌体9焊接为一体，所述牙轮为钢齿牙轮，三个牙掌体9的上部构成钻头体，牙掌体9轴承表面镶嵌了耐磨的硬质合金齿4，在钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴5，喷嘴5为耐冲蚀的钨钴合金材料，新设计的滚滑复合轴承结构的为大滚柱8与滑块16间隔布置的滚滑复合轴承，此种轴承结构能承受高转速和较高的负载，并具备较强的抗冲击性能，三个牙轮总成与三个牙掌体9的轴承配合连接，牙轮壳体10与轴承之间可以相对转动，轴承表面镶嵌了硬质合金齿4，硬质合金齿4与安装它的钻孔过盈配合，牙齿表面为碳化钨敷焊层12，保证牙齿可以承受井下150℃高温，牙齿表面为碳化钨敷焊层12还具有极强的耐磨性，能够抵抗干热岩的碾磨作用，轴承总成中注入合成润滑油及添加剂，提高轴承内部抗高温润滑性能，密封部分主要由大滚柱8、轴承、镶嵌铜环13、牙轮壳体10、密封组合15组成，密封组合15由隔离密封圈150和密封主圈151组成，此种密封结构采用改进的橡胶材料和结构，采用纤维增强碳氟化合物，具有耐高温特性，大滚柱8、轴承、镶嵌铜环13、牙轮壳体10组成滚滑轴承，在同一个轴承上实现滚动和滑动的功能，能减少大滚柱8被压溃的概率，同时不降低转动速度，实现钻头的高速转动，滑块组合16由丁腈橡胶圈160和金属滑块161通过粘接剂开姆洛克205粘胶压制成型，滚滑轴承结构在于滑块组合16宽度应为滚柱直径的1.2～2.2倍，大滚柱8的直径可比滑块组合16厚度小0.008～0.02mm，总径向间隙应在0.18～0.22mm之间。

三牙轮钻头的主要零件牙轮壳体材料为GCr15、牙掌体材料为CrWMn，金属滑块161材料为9Cr18，上述材料均为耐腐蚀脑高温材料，能适应干热岩环境开发的需求。

本发明所提供的三牙轮钻头的轴承结构能承受高转速和较高的负载，并具备较强的抗冲击性能。碳化钨敷焊层牙齿可以承受井下高温，改进轴承部分的密封结构，此种密封结构采用改进的橡胶材料和结构，采用纤维增强碳氟化合物，并利用合成润滑油及添加剂提高抗高温润滑性能，这些设计方法和选材保证了密封的可靠性和承受高温，可以适应中深井段干热岩的钻探，相对镶齿和金属密封结构的三牙轮钻头，节约了设计和制造成本，可以大大减少钻进的时间，延长轴承部位的工作寿命，保证了牙轮钻头整体在高转速和中高钻压条件下的寿命。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，包括牙轮总成一(1)、牙轮总成二(2)、牙轮总成三(3)、硬质合金齿(4)、喷嘴(5)、牙掌焊缝(6)、牙掌体(9)；所述牙轮总成一(1)、牙轮总成二(2)、牙轮总成三(3)结构相同，其特征在于，所述牙轮总成一(1)、牙轮总成二(2)、牙轮总成三(3)均包括小滚柱(7)、大滚柱(8)、牙轮壳体(10)、锁紧钢球(11)、碳化钨敷焊层(12)、铜环(13)、保径齿(14)、密封组合(15)、滑块组合(16)、牙齿；三个牙轮总成分别镶装在三个牙掌体(9)下端，三片带牙轮的牙掌体(9)焊接为一体，三个牙掌体(9)的上部构成钻头体，三个牙轮总成与三个牙掌体(9)的轴承配合连接，通过轴承实现相对转动；

所述牙掌体(9)的轴承的内圈部分结构为上小下大的定轴构成，上端作为小圆柱面，下端作为大圆柱面，大滚柱(8)、小滚柱(7)作为滚珠，分别设在内圈的大圆柱面和小圆柱面上，牙轮壳体作为外圈，锁紧钢球(11)卡设在大滚柱(8)和小滚柱(7)之间，镶嵌铜环(13)安装于大圆柱面和大滚柱(8)之间，牙轮壳体(10)套设在轴承外侧，通过大滚柱(8)、小滚柱(7)实现转动，大滚柱(8)下方设有密封组合(15)，铜环(13)为耐磨的铜合金材料制成，与轴承的大圆柱面过盈配合镶装。

2.根据权利要求书1所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述牙掌体(9)表面设有钻孔，钻孔内镶嵌有硬质合金齿(4)，硬质合金齿(4)与钻孔采用过盈配合。

3.根据权利要求书1所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴(5)，喷嘴(5)所用材料为耐冲蚀的钨钴合金材料。

4.根据权利要求书1所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述牙齿表面设有碳化钨敷焊层(12)，保证牙齿可以承受井下150℃高温，同时碳化钨敷焊层(12)具有极强的耐磨性，能够抵抗干热岩的碾磨作用。

5.根据权利要求书1所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述轴承中注入合成润滑油及添加剂，提高轴承内部抗高温润滑性能。

6.根据权利要求书1所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述密封组合(15)由密封圈一(150)和密封圈二(151)组成，密封圈一(150)和密封圈二(151)均为唇口朝内的V型密封圈，密封圈一(150)套设在密封圈二(151)外侧，实现轴承与牙轮壳体(10)的密封，V型密封圈采用添加有纤维增强碳氟化合物的橡胶制成，具有耐高温特性。

7.根据权利要求书1所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述大滚柱(8)、牙掌轴承(9)、镶嵌铜环(13)、牙轮壳体(10)、滑块组合(16)组成滚滑轴承，滑块组合(16)设置于牙轮壳体(10)之内，与大滚柱(8)间隔设置，大滚柱(8)作为滚动轴承，滑块组合(16)作为滑动轴承，两种轴承结构相互配合，防止大滚柱(8)应力过大发生压溃。

8.根据权利要求书7所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述滑块组合(16)包括丁腈橡胶圈(160)和金属滑块(161)，丁腈橡胶圈(160)和金属滑块(161)通过粘接剂开姆洛克205粘胶剂压制结合成型。

9.根据权利要求书8所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述滑块组合(16)宽度为大滚柱(8)直径的1.2～2.2倍，大滚柱(8)直径比滑块组合(16)厚度小0.008～0.02mm；大滚柱(8)、牙掌轴承(9)、镶嵌铜环(13)、牙轮壳体(10)、滑块组合(16)的径向间隙构成的总径向间隙在0.18～0.22mm之间。

10.根据权利要求书1-9中任意一项所述一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，其特征在于，所述牙轮壳体(10)材料为GCr15、牙掌体(9)的材料为CrWMn，金属滑块(161)材料为9Cr18。