一种复合式强切削单牙轮钻头制造技术

本发明专利技术公开一种复合式强切削单牙轮钻头，涉及钻探设备技术领域，主要结构包括牙爪、球形上牙轮和锥形下牙轮。齿带上布置有切削齿，牙轮上有带槽与切削齿齿带配合。牙爪上设置有轴颈，牙轮与轴颈相连接。牙轮携齿带在钻进过程中既随钻头体共转，又随牙爪轴颈自转，以实现刮切破碎岩石的任务。本发明专利技术的一种复合式强切削单牙轮钻头，采用模块化布齿原则，将原本单一的牙轮分为球形上牙轮，锥形下牙轮。提高钻头的破岩效率增强钻头的切削能力，延长钻头的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种复合式强切削单牙轮钻头
本专利技术涉及钻探设备
，特别是涉及一种复合式强切削单牙轮钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程用以破碎岩石、形成井下通道。目前钻井工程中使用的钻头主要有牙轮钻头和金刚石钻头。牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削齿钻头。PDC钻头主要有四个组成部分，即聚晶金刚石复合片、喷嘴、胎体(钢体)以及钻头体。在机械的带动下旋转钻头会产生旋转，从而带动整个钻头产生向心运动，并通过切削、研磨使岩石发生裂痕并破碎，起到向下钻探的作用，在井底形成同心圆破碎带，为了及时将井底被钻头破碎的岩屑携带至地面，同时也为了清洗钻头和冷却切削齿，PDC钻头上还需具有水力结构。水力结构通常由钻头内流道、外流道和喷射孔组成。PDC齿连续不断地切削岩石，由于剧烈摩擦产生的热量会使齿达到相当高的温度，当温度超过一定界限时，PDC齿的磨损速度明显上升，从而导致热磨损现象(当PDC齿工作温度高于某一特定温度时，其耐磨性明显下降的现象称为PDC齿的热磨损现象)的发生。PDC钻头能够被广泛的应用于硬质地层、软质地层、软硬适中的地层。单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头只有一个牙轮，结构相对简单，其轴承尺寸可以在很大的空间内调整，便于结构改进，这使得钻头尺寸容易小型化。单牙轮钻头，主要依靠冲击和刮切方式破岩，钻头滑移运动距离长。在硬地层和研磨性强的地层中使用时牙齿磨损严重，钻头的平均机械钻速和寿命较低；单牙轮钻头对井壁规则主要靠牙轮顶部区域的切削齿，如果顶部区域的牙齿磨损严重，则无法维持井壁规则，但是目前单牙轮钻头基本不具备良好的保径功能；刮切的破岩方式要求单牙轮钻头的牙齿具有较强的耐磨性，但单牙轮钻头失效的主要形式仍是牙齿的先期过度磨损和切削“死点”。当钻头钻进高温地热井时，牙齿掉落现象较为普遍，牙齿掉落不仅会加速钻头的磨损，更重要的是，当牙齿掉落过多，未破碎岩石增多导致进尺困难或不能进尺。因此，保径性能好、研究抗磨性强、岩性适应性更广泛、布齿覆盖率更好的单牙轮钻头，不仅是提高单牙轮钻头寿命和小井眼侧钻及深井提速的当务之急，而且也对今后相关学科研究有着重要的参考价值。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供一种复合式强切削单牙轮钻头，提升牙轮的布齿效率、规径功能，提高牙齿耐磨性能和钻头机械钻速的复合式强切削单牙轮钻头及其制造工艺。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种复合式强切削单牙轮钻头，包括牙爪、球形上牙轮和锥形下牙轮；所述球形上牙轮设置于所述牙爪的中部，所述锥形下牙轮设置于所述牙爪的下部；所述牙爪上设置有牙爪轴颈、第一钻井液流道、第二钻井液流道和导储油通道；所述第一钻井液流道设置于所述牙爪上部，所述第二钻井液流道设置于所述牙爪底部，所述第一钻井液流道和所述第二钻井液流道均与所述牙爪内部通道相连通，所述导储油通道设置于所述第二钻井液流道斜下方；所述第一钻井液流道出口端设置有上喷嘴，所述第二钻井液流道出口端设置有下喷嘴；所述球形上牙轮外表面上设置有多个第一带槽，所述第一带槽内装配有第一圆弧模块化齿带和第二圆弧模块化齿带；所述锥形下牙轮外表面上设置有多个第二带槽，所述第二带槽装配有第一圆锥模块化齿带和第二圆锥模块化齿带。可选的，所述牙爪的上部设置有多个保径齿。可选的，所述牙爪与所述球形上牙轮之间设置有钢球，所述球形上牙轮上设置有一销塞孔，从所述销塞孔中装入所述钢球，所述球形上牙轮与所述牙爪通过所述钢球锁紧，所述销塞孔用销塞封堵，所述牙爪与所述锥形下轮之间通过卡环锁紧。可选的，所述第一带槽为斜圆弧带槽，所述第一带槽的投影与x轴之间的夹角为0°～75°。可选的，所述球形上牙轮外表面上设置有不少于6条所述第一带槽。可选的，所述第二带槽为斜螺旋带槽，所述第二带槽的锥形螺纹线为螺纹线30°～50°，螺距300mm～500mm。可选的，所述锥形下牙轮外表面上设置有不少于5条所述第二带槽。可选的，所述第一圆弧模块化齿带和所述第二圆弧模块化齿带为同旋向齿带，与x轴夹角为0°～75°；第一圆锥模块化齿带、第二圆锥模块化齿带的锥形螺纹线30°～50°，螺距300mm～500mm。可选的，第一带槽和第二带槽为燕尾槽或矩形槽。可选的，所述导储油通道的进口端设置有橡胶膜和压盖。本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：(1)本专利技术牙轮采用螺旋切削齿带，通过滚压+刮削+扭切方式破岩，相较普通单牙轮钻头的硬质合金更容易切削破碎岩层，有利于提高钻头的破岩效率和机械转速，同时提高了牙齿的使用寿命，而且使得单牙轮钻头可以应用于较硬的研磨性地层。(2)齿带模块化布齿可以有效的利用单牙轮钻头的作用面，对单牙轮钻头的作用面结构进行参数优化，提高牙轮的覆盖率。(3)牙轮上的PDC齿交替工作，PDC齿磨损均匀，冷却效果好，不易发生热磨损，各PDC齿的工作能力可得到充分利用，延长钻头的使用寿命。(4)在钻进过程中，球形上牙轮和锥形下牙轮将各自绕着牙掌轴颈自转，永久接触区和轮换接触区的牙齿刮削效率得以提高，有助于提速增效。(5)第一圆锥模块化齿带、第二圆锥模块化齿带、第一圆弧模块化齿带和第二圆弧模块化齿带上PDC复合片直接烧结在硬质合金的齿带上，消除了PDC切削齿通过焊接在齿带上的残余应力，提高了齿带的使用寿命。(6)本专利技术由于使用齿带设计，提高钻头的使用寿命，在PDC复合片失效后，通过在带槽中重新装配新的齿带即可继续工作。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术装配剖视示意图；图3为本专利技术牙爪示意图；图4为本专利技术的球形上牙轮结构示意图；图5为本专利技术的锥形下牙轮剖视结构示意图；图6为本专利技术的锥形下牙轮结构示意图；图7为本专利技术的锥形下牙轮剖视结构示意图；图8为本专利技术的第一圆弧模块化齿带结构示意图；图9为本专利技术的第二圆弧模块化齿带结构示意图；图10为本专利技术的第一圆锥模块化齿带结构示意图；图11为本专利技术的第二圆锥模块化齿带结构示意图；图12为钻头与井底接触区域的示意图；图中1、牙爪；2、球形上牙轮；3、锥形下牙轮；4、销塞；5、卡环；6、第一圆弧模块化齿带；7、第二圆弧模块化齿带；8、第一圆锥模块化齿带；9、第二圆锥模块化齿带；10、上喷嘴；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合式强切削单牙轮钻头，其特征在于，包括牙爪、球形上牙轮和锥形下牙轮；所述球形上牙轮设置于所述牙爪的中部，所述锥形下牙轮设置于所述牙爪的下部；/n所述牙爪上设置有牙爪轴颈、第一钻井液流道、第二钻井液流道和导储油通道；所述第一钻井液流道设置于所述牙爪上部，所述第二钻井液流道设置于所述牙爪底部，所述第一钻井液流道和所述第二钻井液流道均与所述牙爪内部通道相连通，所述导储油通道设置于所述第二钻井液流道斜下方；/n所述第一钻井液流道出口端设置有上喷嘴，所述第二钻井液流道出口端设置有下喷嘴；/n所述球形上牙轮外表面上设置有多个第一带槽，所述第一带槽内装配有第一圆弧模块化齿带和第二圆弧模块化齿带；/n所述锥形下牙轮外表面上设置有多个第二带槽，所述第二带槽装配有第一圆锥模块化齿带和第二圆锥模块化齿带。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合式强切削单牙轮钻头，其特征在于，包括牙爪、球形上牙轮和锥形下牙轮；所述球形上牙轮设置于所述牙爪的中部，所述锥形下牙轮设置于所述牙爪的下部；
所述牙爪上设置有牙爪轴颈、第一钻井液流道、第二钻井液流道和导储油通道；所述第一钻井液流道设置于所述牙爪上部，所述第二钻井液流道设置于所述牙爪底部，所述第一钻井液流道和所述第二钻井液流道均与所述牙爪内部通道相连通，所述导储油通道设置于所述第二钻井液流道斜下方；
所述第一钻井液流道出口端设置有上喷嘴，所述第二钻井液流道出口端设置有下喷嘴；
所述球形上牙轮外表面上设置有多个第一带槽，所述第一带槽内装配有第一圆弧模块化齿带和第二圆弧模块化齿带；
所述锥形下牙轮外表面上设置有多个第二带槽，所述第二带槽装配有第一圆锥模块化齿带和第二圆锥模块化齿带。


2.根据权利要求1所述的复合式强切削单牙轮钻头，其特征在于，所述牙爪的上部设置有多个保径齿。


3.根据权利要求1所述的复合式强切削单牙轮钻头，其特征在于，所述牙爪与所述球形上牙轮之间设置有钢球，所述球形上牙轮上设置有一销塞孔，从所述销塞孔中装入所述钢球，所述球形上牙轮与所述牙爪通过所述钢球锁紧，所述销塞孔用销塞封堵，所述牙爪与所述锥形下轮之间通过卡环锁紧。

【专利技术属性】
技术研发人员：张德荣，胡林，孔春岩，黄泽贵，孙成龙，陈益丽，赵路，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51