專利名稱：盤形牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于石油、天然氣鉆井或其它目的鉆井的盤形牙輪鉆頭，屬于鉆井器具。
在石油、天然氣鉆井中，目前使用最多的是三牙輪鋼齒(又稱銑齒)和硬質(zhì)合金齒(又稱鑲齒)鉆頭。從牙輪鉆頭的發(fā)展過程可以看出，雖然牙輪鉆頭的壽命有了大幅度的提高，但由于近三十年來牙輪鉆頭在齒形結(jié)構(gòu)上沒有多大變化，而牙輪鉆頭的破巖效率與齒形結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因而牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速難以提高。為了提高牙輪鉆頭(特別是在一些特殊地層中)的機(jī)械鉆速、鉆井進(jìn)尺，必須尋求新的齒形結(jié)構(gòu)。盤形鉆頭就是一種全新齒形結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭，由于齒形象盤形，因而稱為盤形鉆頭。
對盤形鉆頭的研究在國外已作過一些工作，特別是前蘇聯(lián)在盤形鉆頭方面作了大量的研究工作，并進(jìn)行過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。美國、英國在六十年代后期也在盤形鉆頭方面作了一些工作。前蘇聯(lián)及美國所研制的盤形鉆頭，齒圈均做成與牙輪母線垂直，因而主要用于硬地層或極硬地層的鉆井。使用這種鉆頭，達(dá)到了足夠高的機(jī)械鉆速，并能保持井徑。我國在盤形鉆頭方面的工作還處于研究階段，目前還無任何產(chǎn)品進(jìn)入市場，開發(fā)盤形鉆頭應(yīng)用于鉆井中是有較好的前景。
本實(shí)用新型的目的在于，提出一種既能提高鉆頭的機(jī)械進(jìn)尺及鉆井速度，又不會增加加工成本的新型齒形結(jié)構(gòu)的盤形牙輪鉆頭。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案盤形牙輪鉆頭主要由牙齒(1)、牙輪(2)、潤滑系統(tǒng)(3)、連接螺紋(4)、噴嘴(5)和牙爪(6)所組成，其特征在于，在鉆頭的一個或多個牙輪(2)上，布置了環(huán)形的連續(xù)牙齒(1)，牙齒的載面形狀根據(jù)使用要求可以是三角形、半圓形、梯形、楔形或其它合理的形狀。連續(xù)齒圈的加工可以在車床或銑床上進(jìn)行，加工方法簡單。牙輪(2)上的連續(xù)齒圈的布置方式根據(jù)設(shè)計要求可以與牙輪母線垂直，或成一定的螺旋角β(見圖2)，以適應(yīng)不同地層的鉆井需要。盤形鉆頭的結(jié)構(gòu)決定于盤式鉆頭的破巖機(jī)理不同于常規(guī)的牙輪鉆頭，它改變了與巖石的作用特點(diǎn)及其破碎機(jī)理，從而提高了軸承和齒面的使用壽命。
盤形鉆頭的主體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的三牙輪鉆頭相似，也是由牙輪和牙爪組成。它可以是單牙輪、雙牙輪、三牙輪或多牙輪組成。主要特點(diǎn)是其齒形與現(xiàn)有的牙輪鉆頭不同，其齒面制成與牙輪母線垂直或具有一定螺旋角的圓環(huán)形連續(xù)齒圈。由于盤形鉆頭的齒面結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有齒形齒圈(鋼齒、鑲齒)，它改變了牙齒與巖石的作用特點(diǎn)及其破碎機(jī)理，圖1所示為盤形牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖。盤形鉆頭的連續(xù)齒圈沿巖塊滾輾時，要形成同心圓環(huán)形的巖石破碎，如圖4所示。這些破碎環(huán)分散為單個的圈環(huán)形巖屑，其大小取決于齒圈間距及巖石的機(jī)械物理性質(zhì)。由于井底的圓環(huán)狀破碎，就增加了機(jī)械鉆速，并減小了破巖過程中的能耗，從而提高鉆井進(jìn)尺。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是(1)由于接觸壓力增加，且連續(xù)作用于井底，使破巖效率得以提高，從而提高了機(jī)械鉆速和降低了破巖能耗；(2)盤形鉆頭在鉆井過程中不存在一個齒到另一個齒的滾動，使鉆頭上的扭矩減小，并使鉆頭與巖石相互作用的動載減小到最低，從而提高了軸承和齒面的使用壽命；(3)由于牙齒采用的是連續(xù)齒圈，取消了費(fèi)工時的銑齒工序，所以大大簡化了鉆頭的制造工藝，從而降低了鉆頭的制造成本；(4)通過改變齒形結(jié)構(gòu)及布齒螺旋角，可較方便地擴(kuò)大盤形鉆頭的適用范圍。


圖1.盤形牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中(1)牙齒，(2)牙輪，(3)潤滑系統(tǒng)，(4)連接螺紋，(5)噴嘴，(6)牙爪。
圖2.盤形鉆頭牙輪與牙齒布置的示意圖。
圖3.為圖2中鉆頭牙齒上鑲嵌(a)或堆焊(b)的A-A剖面圖圖4.盤形鉆頭鉆井時與巖石作用后得到的巖屑形狀示意圖。
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的實(shí)施事例從圖1可以看出，整個盤形鉆頭的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有牙輪鉆頭基本相同，主要由牙爪(6)和牙輪(2)組成，牙爪和牙輪的個數(shù)根據(jù)使用需要可以是一個、二個、三個或多個組成。圖1所示為三個牙爪和三個牙輪組成的盤形鉆頭，三個牙輪上布置有連續(xù)的齒圈(牙齒)，牙齒(1)的截面形狀可以是三角形、半圓形、梯形、楔形或其它合理的形狀。根據(jù)不同的地層性質(zhì)和鉆井要求，盤形齒(1)可以沿牙輪(2)以一定的螺旋角β布置，齒間距的大小也將隨所鉆地層的差異而不同。連續(xù)的盤形齒圈(1)可以直接在車床或銑床上加工得到。為了提高牙齒(1)的耐磨性，可以在牙齒(1)上鑲嵌或堆焊其它耐磨性材料，如圖3(a)、(b)所示。
權(quán)利要求1.一種盤形牙輪鉆頭主要由牙齒(1)、牙輪(2)、潤滑系統(tǒng)(3)、連接螺紋(4)、噴嘴(5)和牙爪(6)所組成，其特征在于，在鉆頭的一個或多個牙輪上，布置了環(huán)形的連續(xù)牙齒，牙齒的截面形狀可以是三角形、半圓形、梯形、楔形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的盤形牙輪鉆頭，其特征在于，在牙輪上的連續(xù)齒圈可以與牙輪母線垂直、或成一定的螺旋角。
專利摘要本實(shí)用新型是一種盤形牙輪鉆頭，由牙齒、牙輪、潤滑系統(tǒng)、連接螺紋、噴嘴和牙爪所組成。其特征在于，在鉆頭的一個或多個牙輪上布置了環(huán)形的連續(xù)牙齒，牙齒的截面形狀根據(jù)使用要求可以是三角形、半圓形、梯形、楔形或其它合理形狀。本實(shí)用新型由于接觸壓力增加，且連續(xù)作用于井底，使破巖效率得以提高，從而提高機(jī)械鉆速和降低破巖能耗；同時使鉆頭上的扭矩減小，從而提高了軸承和齒面的使用壽命。
文檔編號E21B10/12GK2355094SQ9822886
公開日1999年12月22日 申請日期1998年5月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月18日
發(fā)明者劉清友 申請人:西南石油學(xué)院