專利名稱：旋切方式破巖的鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于石油天然氣鉆探工程、礦山開(kāi)采、地質(zhì)鉆探、建筑工程、隧道工程、 盾構(gòu)及非開(kāi)挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體的說(shuō)涉及旋切方式破巖的鉆頭。
背景技術(shù)：
鉆頭是鉆井過(guò)程中直接與巖石接觸，通過(guò)切削、沖壓等作用破碎巖石的工具?，F(xiàn)代鉆井工程中廣泛使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭(包括單牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭)、PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)。當(dāng)今，牙輪鉆頭和PDC鉆頭都已發(fā)展到相當(dāng)高的水平，但仍存在一些不可克服的問(wèn)題。一是怕劃眼和擴(kuò)眼， 使密封軸承的牙輪鉆頭，特別是PDC鉆頭先期損壞；二是對(duì)井底中心巖石的運(yùn)動(dòng)小，功能不足，中心巖石不易破碎，影響鉆頭的機(jī)械鉆速，牙輪鉆頭和PDC鉆頭中心布齒少、易磨損，也是鉆頭失效的主要原因。三牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)破巖形式為沖擊壓碎破巖，通過(guò)牙輪上的牙齒對(duì)井底巖石形成沖擊壓碎作用破碎巖石，形成井徑。由于巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪和抗拉強(qiáng)度，而三牙輪鉆頭利用牙齒對(duì)巖石的沖擊作用來(lái)破巖，能量利用率不高。特別是在深井鉆井等高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑?jí)撼中?yīng)明顯，鉆頭牙齒難以吃入巖石并沖擊破碎巖石，故破巖效率相對(duì)較低。三牙輪鉆頭軸承壽命是制約鉆頭使用壽命的主要因素之一，軸承承受鉆壓引起的載荷，加上三牙輪鉆頭以沖擊形式破巖，軸承受到的沖擊載荷大，載荷幅值高，加之三牙輪鉆頭的增速效應(yīng)三牙輪鉆頭輪體速比(鉆井時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)大于1，即鉆頭鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速大于鉆頭鉆速，所以軸承轉(zhuǎn)速相對(duì)較快，導(dǎo)致三牙輪鉆頭的軸承壽命較短。雙牙輪鉆頭的牙輪布置方式與三牙輪相同，各牙輪工作面(布牙齒的弧面)均是相對(duì)設(shè)置，即均是向內(nèi)。除了造成以上的問(wèn)題之外，從牙輪鉆頭破巖過(guò)程和運(yùn)動(dòng)軌跡分析， 牙輪上的牙齒與井底井壁巖石接觸時(shí)間較少，牙齒在井底滑移的距離也較小，中心破巖效率低，影響了機(jī)械鉆速。單牙輪鉆頭牙輪形狀不同于雙牙輪和三牙輪的錐球形(近似半球形)，而是近球形，工作面布滿整個(gè)球面(雙、三牙輪的工作面是半圓弧面)。依靠牙齒對(duì)地層的沖擊、滾壓和刮切三種方式破碎巖石，尤其是刮切運(yùn)動(dòng)的方向在牙輪表面的各個(gè)部位都不同，即不同排數(shù)的牙齒在井底沿不同方向的軌跡，作較長(zhǎng)距離的滑移來(lái)切削地層，并形成網(wǎng)狀的井底軌跡。單牙輪鉆頭的特點(diǎn)是牙輪轉(zhuǎn)速低，軸承尺寸較大，使用壽命優(yōu)于三牙輪鉆頭，但是單牙輪鉆頭有無(wú)法回避的缺點(diǎn)單牙輪鉆頭的滿眼結(jié)構(gòu)決定其破巖過(guò)程中容易發(fā)生重復(fù)破碎，排屑困難。牙齒耐磨性嚴(yán)重不足，一旦發(fā)生牙齒磨鈍或斷齒，機(jī)械鉆速急劇下降。PDC鉆頭破巖形式為刮削巖石，在鉆井、地質(zhì)乃至建筑工程中運(yùn)用越來(lái)越廣泛，在鉆井工程中使用的比例越來(lái)越大。在鉆頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)各切削齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為相對(duì)固定的同心圓環(huán)帶。由于其破巖機(jī)理和結(jié)構(gòu)差異，PDC 鉆頭適用于較高鉆速和軟至中硬地層。其不足主要有以下方面[0008]1.井底條件要求高如果井底有異物，會(huì)導(dǎo)致PDC鉆頭產(chǎn)生崩齒或熱摩擦現(xiàn)象，溫度升高燒黑胎體，甚至熔化釬焊層，產(chǎn)生掉齒現(xiàn)象，影響機(jī)械鉆速，加速鉆頭失效。2. PDC齒失效的嚴(yán)重后果與牙輪鉆頭相比較，PDC鉆頭個(gè)別齒的失效(掉齒、崩齒等)會(huì)嚴(yán)重增加附近PDC齒的載荷，加快其磨損速度，加劇鉆頭失效。3.心部破巖效率不高PDC鉆頭不同徑向區(qū)域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，夕卜肩部切削巖石比例大，磨損速度快。心部PDC齒接觸破巖效率低，磨損則較慢。

實(shí)用新型內(nèi)容鑒于PDC鉆頭的缺陷，本實(shí)用新型針對(duì)牙輪鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，提出旋切方式破巖的鉆頭，解決現(xiàn)有雙、三牙輪鉆頭能量利用率低、破巖效率低、軸承壽命短、鉆進(jìn)效率低，以及單牙輪滿眼結(jié)構(gòu)造成的排屑困難、牙齒耐磨性差等問(wèn)題。本實(shí)用新型的鉆頭以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，實(shí)現(xiàn)破巖，同時(shí)改進(jìn)鉆頭軸承結(jié)構(gòu)，確保提高破巖效率的同時(shí)增加鉆頭使用壽命。為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下旋切方式破巖的鉆頭，包括鉆頭主體(1)、牙輪O)、牙輪工作面上的切削齒(3)， 牙輪( 與鉆頭主體(1)上牙輪軸頸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，其特征在于牙輪工作面朝向井壁與井底。主體(1)上牙輪軸頸平面與鉆頭軸線的輪體夾角β的范圍為0° < β <90°， 軸頸偏移量為- ，其中D為鉆頭直徑。其中輪體夾角β和軸頸偏移量s如圖2 所示。所述牙輪為以鉆頭主體中心對(duì)稱的兩個(gè)。所述牙輪為以鉆頭主體中心對(duì)稱的三個(gè)。所述的牙輪( 數(shù)目彡1，至少包含一個(gè)由牙輪( 及主體(1)軸頸所構(gòu)成的連接。至少有一個(gè)牙輪的切削齒運(yùn)行軌跡達(dá)到或越過(guò)鉆頭軸線位置。所述牙輪的切削齒(3)齒圈數(shù)目彡1。所述鉆頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件或鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體；鉆頭主體(1) 上有扶正塊，扶正塊表面敷焊有耐磨合金或鑲嵌有硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合片、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料。本實(shí)用新型所述旋切方式破巖的輪式鉆頭將牙輪朝向井壁或井底，破巖過(guò)程中， 牙輪內(nèi)排齒(即大圈齒)可切削井底中心，提高中心破巖效率；牙輪上的每圈齒都可以以旋切方式?jīng)_擊壓碎切削井底和井壁巖石，這是本實(shí)用新型的核心。根據(jù)上述實(shí)用新型，已于2010年9月試制出了旋切式模擬鉆頭，并在臺(tái)架上進(jìn)行了試驗(yàn)。旋切式模擬鉆頭鉆出的井底輪廓與三牙輪鉆頭和PDC鉆頭鉆出的井底輪廓完全不同。三牙輪鉆頭和PDC鉆頭的破碎帶都是同心圓，而本實(shí)用新型的旋切鉆頭的破碎帶是成菊狀的螺旋線。螺旋線在井壁處密集并消失，充分證明了牙輪上各排齒都能切削井底和井壁，形成井徑。內(nèi)排齒破碎帶螺旋線長(zhǎng)，外排齒破碎帶螺旋線短，可使內(nèi)外排齒的工作負(fù)載比較均勻。螺旋線的破碎帶，說(shuō)明旋切方式破巖的輪式鉆頭破巖機(jī)理，每排齒既有沖擊壓碎作用，又能切削巖石。同時(shí)提高中心破巖效率，從而提高鉆頭機(jī)械鉆速。由于旋切方式破巖的輪式鉆頭破巖方式特點(diǎn)，所以能適應(yīng)各種鉆井需要，在側(cè)鉆和水平井鉆井中比現(xiàn)有牙輪鉆頭和金剛石鉆頭更為優(yōu)越。根據(jù)以上分析，軸頸偏移量s增大，會(huì)增大切削齒在井底的徑向滑移和軸向滑移，
即增大切削齒在井底的總的滑移量。軸頸偏移量s取值范圍為，能更好地實(shí)
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現(xiàn)切削齒以旋切方式破巖。優(yōu)化β和S，可達(dá)到增大牙輪切削齒在井底和井壁滑移量，降低輪體速比的目的。旋切鉆頭牙輪組合方式包含(但不限于)以下類型1、雙牙輪兩牙輪工作面朝外，角度范圍均在0° < β <90°范圍內(nèi)，偏移方向中心對(duì)稱。兩牙輪的內(nèi)排齒(即大圈齒)設(shè)置成不同時(shí)都切心(切心牙齒切削到井眼中心， 即牙輪的最外圈切削齒運(yùn)行軌跡達(dá)到鉆頭軸線位置，或者說(shuō)最外圈切削齒縱向位置通過(guò)或超過(guò)鉆頭軸線)，可以設(shè)置為一個(gè)切心一個(gè)不切心(調(diào)整大圈齒距牙輪邊緣的距離)，也可設(shè)置為兩個(gè)牙輪都無(wú)限接近切心，依靠鉆頭的沖擊力和巖體內(nèi)部應(yīng)力破碎巖體中心(未直接切屑的井眼中心面積已無(wú)限接近于零)。2、三牙輪三牙輪工作面朝外，角度范圍均在0° < β <90°范圍內(nèi)，偏移方向中心對(duì)稱。三牙輪的內(nèi)排齒(即大圈齒)均設(shè)為不切心?？捎糜跀U(kuò)孔。3、單牙輪，牙輪工作面朝外，角度范圍在0° < β <90°范圍內(nèi)，單牙輪的內(nèi)排齒 (即大圈齒)設(shè)為切心。本實(shí)用新型所述的切削齒C3)為勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺(tái)齒、圓柱截頭齒或棱錐齒；所述的切削齒C3)材質(zhì)包括硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬質(zhì)合金、金剛石和立方氮化硼。 所述鉆頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件或鋼體與金屬粉末的燒結(jié)體。所述的牙輪(2)結(jié)構(gòu)有銑齒牙輪、鑲齒牙輪或鋼體與金屬粉末的燒結(jié)牙輪。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的性能特點(diǎn)是(1)旋切方式破巖本實(shí)用新型的旋切鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，主體(1)上的牙輪軸頸指向井壁或井底，與旋切鉆頭軸線交一夾角又偏移鉆頭軸線時(shí)，旋切鉆頭牙輪O)以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，實(shí)現(xiàn)破巖鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程旋切鉆頭切削齒(3)不僅隨著牙輪滾動(dòng)， 形成對(duì)地層的壓碎，同時(shí)通過(guò)其在井底的滑移過(guò)程切削地層，破巖效率高。根據(jù)不同的鉆井需求，改變輪體夾角β、軸頸偏移量s以及牙輪( 尺寸和形狀，可以使牙輪( 上的各排切削齒⑶都切削到對(duì)應(yīng)的井眼中心、井眼邊緣及井壁，還能鉆出要求的井底形狀。(2)中心破巖性能高鉆進(jìn)過(guò)程中，旋切鉆頭對(duì)應(yīng)的井眼中心位置由大圈齒完成， 由于旋切鉆頭切削齒圈中大齒圈直徑最大，齒數(shù)多(可比三牙輪鉆頭中央布齒多6倍以上)，相對(duì)切削速度高，可以從根本上解決現(xiàn)在三牙輪鉆頭和PDC鉆頭心部破巖效率低的問(wèn)題。(3)機(jī)械鉆速提高旋切鉆頭的結(jié)構(gòu)(關(guān)鍵參數(shù)包含輪體夾角β和軸頸偏移量S) 決定了其破巖形式為沖擊、擊碎、切削作用，同時(shí)對(duì)應(yīng)的井眼中心破巖效率和進(jìn)取性高，避免了滿眼問(wèn)題和重復(fù)破碎現(xiàn)象，利于排屑，提高鉆頭機(jī)械鉆速。(4)更好的動(dòng)力學(xué)性能與牙輪鉆頭沖擊形式破巖相比，旋切鉆頭的破巖形式為沖擊、擊碎、切削作用，連續(xù)的切削作用使鉆頭受到的沖擊載荷小，載荷幅值降低。同時(shí)旋切鉆頭輪體速比(牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)小于1，即鉆頭鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速小于鉆頭鉆速， 所以軸承轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢，旋切鉆頭振動(dòng)沖擊減小。與普通PDC鉆頭相比，旋切鉆頭扭轉(zhuǎn)振蕩減小，低轉(zhuǎn)速下的粘滑和高轉(zhuǎn)速下的井眼螺旋現(xiàn)象減少。在本實(shí)用新型進(jìn)行的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也證明了與同尺寸、同工況條件下的牙輪鉆頭、PDC鉆頭相比，旋切鉆頭具備上述特點(diǎn)。 更好的動(dòng)力學(xué)性能使旋切鉆頭具有更大的適用范圍和更好的控制能力。(5)輪體速比小于1、軸承壽命條件改善、旋切鉆頭壽命提高旋切鉆頭的輪體速比小于1，而且牙輪的軸頸尺寸能比同規(guī)格的三牙輪鉆頭設(shè)計(jì)得更大，在軸頸的強(qiáng)度和鉆頭使用壽命方面比牙輪鉆頭有明顯優(yōu)勢(shì)。本實(shí)用新型的旋切鉆頭在破巖過(guò)程中，井底和井壁對(duì)鉆頭產(chǎn)生的合力推動(dòng)牙輪緊貼軸頸平面，這有利于改善軸承密封性能，提高軸承使用壽命，基于軸承壽命對(duì)于鉆頭的重要意義，從而實(shí)現(xiàn)旋切鉆頭壽命的提高。(6)保徑作用旋切鉆頭所有切削齒圈都能切削井底和井壁，形成井徑。如果最先切削井壁的那圈齒磨損變短，第二圈齒就會(huì)接替第一圈齒的工作，實(shí)現(xiàn)保徑，不致鉆孔越來(lái)越小。如果第二圈齒也磨損失效，第三圈齒仍可實(shí)現(xiàn)保徑，以此類推。由于本實(shí)用新型的旋切鉆頭具有所有齒圈都能切削旋切鉆頭對(duì)應(yīng)井徑的特點(diǎn)，使其具有三牙輪鉆頭所不及的保徑和側(cè)鉆能力，保徑效果好。(7)由于設(shè)置有偏移值，鉆井不會(huì)出現(xiàn)滿眼現(xiàn)象，解決了排屑問(wèn)題和重復(fù)切屑問(wèn)題。(8)牙齒可采用復(fù)合齒以旋切方式破巖的輪式鉆頭可以利用硬質(zhì)合金切削齒、 熱穩(wěn)定聚晶金剛石復(fù)合齒(PDC)、孕鑲金剛石切削齒等作為切削齒，齒的工作壽命和切削效率均優(yōu)于單牙輪鉆頭。本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型的切削齒以旋切方式破巖，中心破巖效率高， 保徑效果好，磨損均勻，軸承工作條件改善，機(jī)械鉆速高，鉆頭使用壽命長(zhǎng)。

圖1為本實(shí)用新型采用雙牙輪的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的切削原理及主要設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系示意圖；圖3為本實(shí)用新型冠頂結(jié)構(gòu)示意圖；圖4-圖9為本實(shí)用新型6個(gè)實(shí)例的牙輪齒圈投影示意圖。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)闡述本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
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具體實(shí)施方式
如圖1 圖9所示以旋切方式破巖的輪式鉆頭，包括鉆頭主體⑴、牙輪(2)、切削齒(3)，還可附加儲(chǔ)油囊、噴嘴(5)。鉆頭主體(1)包括牙輪軸頸，還可以有扶正塊、高壓泥漿通道和連接絲扣。牙輪( 與主體(1)上牙輪軸頸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，與主體(1)上的軸頸采用三牙輪鉆頭常用的軸承與密封結(jié)構(gòu)。牙輪O)的大端到小端布置多圈切削齒。主體 (1)上牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角β (以下簡(jiǎn)稱輪體夾角)的范圍為0° < β <90°。實(shí)施例1 如圖3所示，牙輪數(shù)目為2，輪體夾角β =30°，且一個(gè)牙輪切心部，一個(gè)牙輪不切心部。實(shí)施例2 如圖4所示，牙輪數(shù)目為2，輪體夾角β =30°，且兩個(gè)牙輪都切心部。實(shí)施例3:如圖5所示，牙輪數(shù)目為2，輪體夾角β =89.5°，且兩個(gè)牙輪都切心部。實(shí)施例4 如圖6所示，牙輪數(shù)目為1，輪體夾角β =30°，且牙輪切心部。實(shí)施例5 如圖7所示，牙輪數(shù)目為2，輪體夾角β =30°，且一個(gè)切心部，一個(gè)不切心部。實(shí)施例6 如圖8所示，牙輪數(shù)目為2，輪體夾角β =30°，且兩個(gè)牙輪都不切心部。實(shí)施例7 如圖9所示，牙輪數(shù)目為3，輪體夾角β =30°，且三個(gè)牙輪都不切心部。
權(quán)利要求1.旋切方式破巖的鉆頭，包括鉆頭主體(1)、牙輪O)、牙輪工作面上的切削齒(3)，其特征在于牙輪( 與鉆頭主體(1)上的牙輪軸頸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，牙輪工作面朝向井壁與井底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋切方式破巖的鉆頭，其特征在于牙輪為一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋切方式破巖的鉆頭，其特征在于牙輪為以鉆頭主體中心對(duì)稱的兩個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋切方式破巖的鉆頭，其特征在于牙輪為以鉆頭主體中心對(duì)稱的三個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋切方式破巖的鉆頭，其特征在于所述的牙輪( 數(shù)目 ^ 1，至少包含一個(gè)由牙輪(2)及主體(1)軸頸所構(gòu)成的連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋切方式破巖的鉆頭，其特征在于所述牙輪的切削齒(3) 齒圈數(shù)目> 1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋切方式破巖的鉆頭，其特征在于至少有一個(gè)牙輪的切削齒運(yùn)行軌跡達(dá)到或越過(guò)鉆頭軸線位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了旋切方式破巖的鉆頭，包括鉆頭主體(1)、牙輪(2)、牙輪工作面上的切削齒(3)，牙輪(2)與鉆頭主體(1)上牙輪軸頸構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)連接，其特征在于牙輪工作面朝向井壁與井底。主體上牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角β的范圍為0°＜β＜90°，軸頸偏移量s的范圍為D為鉆頭直徑。本實(shí)用新型內(nèi)排大齒圈切削井底中心，破巖效能高；每圈切削齒都能刮切井壁，保徑和側(cè)鉆效果好；軸頸尺寸大，輪體速比小于1，軸承壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)E21B10/52GK202249770SQ20112031579
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者張亮, 李舒 申請(qǐng)人:四川深遠(yuǎn)石油鉆井工具有限公司