專利名稱：防掉牙輪的鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油鉆井技術(shù)，特別是鉆井用的牙輪鉆頭的改進。
為提高鉆井工藝，縮短鉆井周期是現(xiàn)代鉆井工程的首要追求，鉆井過程中對牙輪的防掉、鉆頭使用壽命及切削地層效率等對鉆頭提出了更高要求。近年來，國內(nèi)外無論是在鉆井工藝，還是鉆頭使用壽命方面都有較大的提高，但在安全鉆進和鉆速提高上，還遠不能滿足于現(xiàn)代鉆井工程的需要。鉆頭是鉆井工程的尖兵，在產(chǎn)品性能和功能上還存有嚴重缺陷，凡掉一次牙輪輕者造成較大的經(jīng)濟損失，重則造成一口井報廢是累見不鮮的，這樣既耽誤工期，經(jīng)濟損失更大。目前采用鉆頭定時的保守使用，造成的人力、物力浪費也是很大的。這是整個鉆井工程中的難題。從國內(nèi)外鉆頭業(yè)目前的狀態(tài)來講，塞克公司在瑞德公司鉆頭板形密封環(huán)的基礎(chǔ)上，改進了表面波紋、軸承壽命提高了一些，該產(chǎn)品準備同我國一家公司合資生產(chǎn)，將其十多只鉆頭在東部及四川兩個最大的油氣田中試用，最高壽命不足40小時/只，至使合資解體；休斯公司的鉆頭密封改進為雙金屬的軸向密封，比原有鉆頭徑向“O”型密封壽命提高20％以上，但仍不理想，我國的一個專業(yè)研究所和一個公司，兩個油田共同研制的MP1型鉆頭，具有高速鉆井特點，在江西大型鑒定的權(quán)威產(chǎn)品，同我們研制的弧形齒對比使用指標低下40％，其它公司的產(chǎn)品就更差了?？傊?，切削結(jié)構(gòu)的改進是緩慢的，五十年代之前使用鋼齒，以后又發(fā)展了一個新系列硬質(zhì)合金球齒，七十年代改進為鑲鎢鈷合金楔齒，八十年代推廣了同類的勺形齒，基本完成了鉆頭型號的配套水平。金剛石齒由于成本制造工藝等問題，未能得到推廣。國內(nèi)外千篇一律的膠囊平衡補嘗器適應范圍和靈敏度都差。在防掉牙輪的措施方面國內(nèi)外都嘗試過鉆頭磨損的瞬時溫差法均未如愿。洛克公司設計的鉆頭體外高壓鋼并被占頭齒劃破的方法，由于依靠的硬質(zhì)合金齒，有時在鉆頭磨蝕后同樣要折斷或破碎，所以成功率很低，也未能推廣。軸承用彈子鎖緊，降低軸頸強度，裝配時也很麻煩。休斯公司用卡簧鎖緊，要求材料及配合條件高，易出廢品。
近年來，我們研制的“一種牙輪鉆頭”實用新型專利(專利號91230004.3)作了一些更新，但金剛石齒未能加固心部、鍍齒工藝差，防掉牙輪裝置過水斷面設計不合理。“用于鉆頭上的井底射流調(diào)節(jié)器”發(fā)明專利(專利號911072039)經(jīng)試用后仍需改進，如調(diào)節(jié)檔次少，結(jié)構(gòu)復雜，穩(wěn)定性和靈敏度較差。
本發(fā)明的目的是為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)中各種牙輪鉆頭的不足之處，提供一種由防掉牙輪指示器，浮子平衡器及澆灑式超細固體潤滑、潤滑劑，雙材料(銜環(huán))軸向密封或組合“O”形徑向動密封、曲線凸套井底射流量自動調(diào)節(jié)器，卡箍棘輪齒鎖緊、軸承滑環(huán)等所組成的牙輪鉆頭。該牙輪鉆頭使用壽命長，鉆進速度快，并能預告牙輪即將掉井，及時起鉆換用新鉆頭。
本發(fā)明的目的是由以下措施來實現(xiàn)的防掉牙輪指示器是利用井下液流傳感，在鉆頭漿孔壁上設置一通孔，與爪尖、軸頸易磨損部位連通形成盲道，當這些部位任一處磨蝕后，排水斷面擴大，泵壓當即下降，證明牙輪即將掉井。
浮子平衡器采用平滑孔道內(nèi)置橡皮球浮子，井底壓力P＝P1±ΔP(P1為軸承內(nèi)腔壓力，ΔP為井底壓力與軸承內(nèi)腔壓力之差)。它增加了承壓范圍和壓力傳感的靈敏度。
澆灑式超細固體潤滑系統(tǒng)，以固體狀潤滑代替了過去的油脂粘糊潤滑，由于潤滑劑為石墨、氟化石墨、二硫化鉬所組成的減磨材料，流動性好，附著力強、耐高溫膨脹系數(shù)低。利用牙輪轉(zhuǎn)動，將內(nèi)孔環(huán)槽下儲上澆潤滑劑，不斷及時的潤滑軸承。
雙材料(銜環(huán))軸向密封，是利用氟橡膠作靜密封，將軸頸動環(huán)及牙輪從動環(huán)為金屬環(huán)密封摩擦付和一個增強復合塑料環(huán)，作摩擦片，或其中一個環(huán)為增強復合塑料，組成一對密封摩擦付裝置，各環(huán)與付環(huán)氟橡膠圈分別硫化成一體，當環(huán)面摩損后得到氟橡膠伸長彈力的補充，這樣可使軸承壽命大幅度的提高。
組合“O”形徑向動密封，是將原來的“O”形密封圈，在摩擦面上增加一層增強復合塑料，改進它們的摩擦狀態(tài)，降低摩擦系數(shù)。軸承卡箍棘輪齒鎖緊環(huán)，增強了軸承強度，改善了裝配效果和質(zhì)量。
井底射流調(diào)節(jié)器，采用曲線凸套多級調(diào)節(jié)，上凸套為對稱曲線齒，下凸套為變異曲線齒，造成兩者之間的合成曲線軌道，使掛柱在其間游離帶動流量調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)過水斷面。液流沖擊承壓板壓縮彈簧，每壓縮一次就調(diào)節(jié)一擋，這樣就增加了調(diào)節(jié)擋次，并且靈活可靠。流量調(diào)節(jié)器在錐面上下活動調(diào)節(jié)流量。過水斷面F＝HF1，式中H為調(diào)節(jié)系數(shù)，
(調(diào)節(jié)器斷面)，噴頭上端為錐孔，底部為120°對稱三穿槽的弧面育孔。用硬質(zhì)合金作成，外套為一般金屬并有絲扣，以便于裝配時用。它可單獨用于各種勘探鉆頭上也可以配合其它噴嘴用。使用該射流器，可以由原來的液流直接沖擊井底15％提高為85％，可以不起鉆在井底自動調(diào)節(jié)射流排量。比如處理井下事故、井身質(zhì)量差防井下事故，調(diào)制井底泥漿、下套管前洗井需要調(diào)整為大排量，正常鉆進軟、硬地層時，需要經(jīng)常調(diào)整排量等?？傊?，較好的發(fā)展了鉆井工藝，為提高鉆速、減少事故、節(jié)約勞動力、節(jié)約鉆頭、縮短鉆井周期等起到了良好的作用。


圖1為本發(fā)明的防掉牙輪鉆頭總剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的井底射流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3(甲)是雙材料(銜環(huán))軸向密封放大圖。
圖4(乙)是組合“O”形徑向動密封放大圖。
圖5是軸承卡箍棘輪齒鎖緊環(huán)放大圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、工作原理及實施例作進一步的詳細說明圖1中，牙輪鉆頭1，防掉牙輪指示器是通過液流傳感在漿孔2內(nèi)壁上鉆8-16mm，下傾10°-35°的小孔3，連接通道4與盲孔5組成大于30mm2的過水斷面封閉系統(tǒng)，盲孔5的位置在大軸受力中心的任一側(cè)20°-60°處均可，同爪尖6一樣，需保持1.5-5mm壁厚。這樣無論5或6的任一處磨損，都會帶來泵壓下降，預示著鉆頭在井下即將報廢，從而防止了牙輪掉井事故。齒尖心部7B嵌入與齒尖形狀一樣的厚2.5-8mm，高 齒長的硬質(zhì)合金片，還可嵌入同樣規(guī)格的人造聚晶金剛石片或復合片，齒面用二次脈沖電鑄金鑄石或立方氮化硼加強，厚度為0.5～3mm，刃前7為齒高的 ，刃后7A為齒高的 ，軸頸8為120°受力面，電鑄層厚為0.05～0.6mm，如大軸9、C點平面10、二道止錐11、小軸12、爪尖6、均應電鑄以上超硬材料，非密封軸承的電鑄層厚度為0.4～5mm，采用滲涂C60(巴基球)，其滲涂厚為0.05～0.2mm。
平衡器為橡膠球16及平滑的孔道17所組成，隸屬潤滑系統(tǒng)，對密封軸承內(nèi)外壓力起到平衡作用，孔道17為12-40mm，長孔與鉆頭體外相通，浮子16的直徑壓縮比8～30％為宜。固體潤滑劑采用10μ以下的超細石墨、氟化石墨、二硫化鉬等減磨材料組成，并充滿整個潤滑空間，它的膨脹性小，流動性強、耐溫、附著力強。
澆灑式超細固體潤滑是在牙輪內(nèi)孔增加一個環(huán)形槽18，浮動套19，在牙輪被迫轉(zhuǎn)動時，超細潤滑劑在浮動套開口間隙中不斷的進入槽內(nèi)，也不斷的澆灑潤滑軸承，浮套19也起到了摩擦減速作用。
圖2中，井底射流調(diào)節(jié)器13的工作是利用壓帽20鎖緊粘結(jié)在鉆頭1中心，當洗井液沖壓13并壓縮彈簧，13F帶動中軸13D與流量調(diào)節(jié)器13N下移，受到掛柱13E的制約，13E始終是在合成曲線軌道之間游離，使掛柱落于13B的某一個槽口內(nèi)，就是調(diào)節(jié)器13h在某一過水斷面的檔次，當需要換檔時，停止循環(huán)兩分鐘的，彈簧13F恢復正常，將承壓板13C再次回復原位。開泵洗井液循環(huán)，再沖承壓板13C，掛柱落入下凸套鄰槽口內(nèi)，即改換了調(diào)節(jié)器13n在13i的位置，這樣達到井底射流的調(diào)節(jié)。
圖3中，雙材料(銜環(huán))軸向密封是動環(huán)14與從動環(huán)15所在圖1位置，即軸頸9上14的動環(huán)14A用金屬或增強復合塑料作成與14B氟橡膠硫化粘結(jié)在一起；牙輪孔15上的從動環(huán)15A用金屬或增強復合塑料制成與15B氟橡膠硫化粘結(jié)在一起，如用雙金屬作成，其摩擦面上加一個增強復合塑料摩擦片D，這樣由于氟橡膠14B、15B的相對壓縮，成為靜密封，將泥漿隔絕，充分利用增強復合塑料的低摩擦系數(shù)μ＝0.05～0.1，如14A、15A為增強復合塑料，即可取消銜環(huán)D。
圖4中，組合“O”形徑向動密封，在密封槽內(nèi)裝配直徑3-12“O”形氟橡膠圈22與表面硫化粘結(jié)一種厚度小于1.5mm的增強復合材料的開口環(huán)23，最大限度的利用材料性能特點，如氟橡膠的壓縮反彈力，增強復合塑料的低摩擦系數(shù)。
圖5中，是組件21卡箍棘輪齒鎖緊環(huán)的放大圖，是增加軸頸強度，裝配便利，提高裝配質(zhì)量的設計。當鉆頭分裝時，將牙輪鉆頭密封件放在軸頸上，把卡箍鎖緊環(huán)置于牙輪軸孔的環(huán)槽內(nèi)，將軸孔放在軸頸上，用力壓入即成。將同樣的三個分裝件組合車絲扣即成形使用產(chǎn)品。對尺寸為
以上的鉆頭，絲扣部分為鉆頭體。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點1.由于牙輪鉆頭切削結(jié)構(gòu)中，對最新工藝和材質(zhì)的利用對齒形的改進，使鉆速大幅度的提高，鉆速增長率達72％以上。
2.由于密封、潤滑方式和軸承材料的改進，鉆頭使用壽命提高到一倍以上。
3.防掉牙輪裝置的成功，解除了歷來操作者怕鉆頭使用時間掌握不好的顧慮，可以集中精力去追求鉆井速度，從而節(jié)約了起下鉆次數(shù)和少用了鉆頭，減少了事故，大幅度的降低了鉆井成本。
4.井底射流調(diào)節(jié)器的改進，改善了鉆井工藝，減少了井下事故的發(fā)生，縮短鉆井周期，極大的節(jié)約了鉆井費用。
5.由于鉆頭對地層的適應性擴大，可以在生產(chǎn)中節(jié)約大量的型號轉(zhuǎn)產(chǎn)，也減少了使用中的提下鉆時間和鉆頭用量。
權(quán)利要求
1.防掉牙輪的鉆頭，采用對牙輪、牙爪精加工、熱處理工藝后制作，經(jīng)裝配后形成的牙輪鉆頭。其特征在于a.防掉牙輪指示器，是利用井底液流傳感，在鉆頭1漿孔2壁上設置8-16mm的小孔3，并向下傾10°-35°，與壁厚1.5-5mm的爪尖5、軸頸盲孔6、易磨損部位、通道4，組成大于30mm2過水斷面的封閉系統(tǒng)，通過液流傳感顯示，當5.6外壁磨蝕后，即可予示牙輪即將脫落掉井；b.浮子平衡器采用直徑10-40mm平滑孔道17，內(nèi)置直徑壓縮比為8～30％橡膠球浮子16，增強了承壓范圍及壓力顯示的靈敏度，孔道17內(nèi)連潤滑系統(tǒng)外接井底液柱；c.澆灑式超細固體潤滑系統(tǒng)，潤滑劑采用石墨、氟化石墨、二硫化鉬等減磨材料組成，當牙輪轉(zhuǎn)動時，利用牙輪內(nèi)部環(huán)槽18及浮套19下儲上澆潤滑劑，達到及時的潤滑軸承，浮套本身在運轉(zhuǎn)中具有減磨作用；d.雙材料(銜環(huán))軸向密封與組合“O”形徑向動密封，銜環(huán)結(jié)構(gòu)是采用金屬摩擦面14A同15A之間銜一增強復合塑料摩擦片D，或14A、15A用金屬與復合材料配對，14A、15A的背后都要將付環(huán)14B、15B氟橡膠圈分別硫化成一體，而組合“O”形徑向動密封是用氟橡膠圈22和厚度小于1.5mm的增強復合塑料開口環(huán)23相貼硫化粘結(jié)為一體；e.軸承的鎖緊采用卡箍棘輪齒21鎖緊，是彈簧軸承鋼的開口滑環(huán)，使用棘輪齒，提高了軸頸強度，改進裝配效果和質(zhì)量；f.井底射流調(diào)節(jié)器采用曲線凸套法多級調(diào)節(jié)，上凸套13A設置為對稱曲線齒，下凸套13B設置為變異曲線齒，造成兩者之間的合成曲線軌道，使掛柱在其間游離，以帶動流量調(diào)節(jié)器13h，達到調(diào)節(jié)過水斷面的目的。
2.按照權(quán)利要求1所說的牙輪鉆頭，其特征是在于射流調(diào)節(jié)器的噴頭內(nèi)套13g采用鎢鈷合金，底部呈圓弧狀，120°對稱三穿孔，過水斷面為130～450mm2，外套用絲扣和螺冒20與鉆頭將孔2底部穿孔，再密封鎖緊。
3.按照權(quán)利要求1所說的牙輪鉆頭，其特征是在于弧形齒尖心部7B可嵌入硬質(zhì)合金片、還可嵌入人造聚晶金剛石片(復合片)，齒面用二次脈沖電鑄金剛石或立方氮化硼。
全文摘要
本發(fā)明是一種防掉牙輪的鉆頭，它是在目前三牙輪鉆頭的基礎(chǔ)上改進的。該鉆頭由防掉牙輪指示器、澆灑式超細固體潤滑系統(tǒng)、雙材料(銜環(huán))軸向密封或組合“O”形徑向動密封、井底射流調(diào)節(jié)器、卡箍棘輪齒鎖緊軸承等組成。利用牙輪鉆頭使用中的必然磨蝕面，通過液流傳感，預告牙輪即將掉井，換用新鉆頭。本發(fā)明將上述諸方面技術(shù)融為一體，成為一種多功能的三牙輪鉆頭。在鉆井工業(yè)中，鉆速和使用壽命都超過70％以上。
文檔編號E21B10/08GK1165907SQ96117558
公開日1997年11月26日 申請日期1996年5月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月16日
發(fā)明者王用順, 曾凡愚, 陳重生, 馬國棟, 劉斌, 翟剛, 高斌武, 符安福, 劉明仙, 楊昌龍, 何光宇 申請人:王用順