專利名稱：一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭。
背景技術(shù)：
在石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)及水文鉆井工程中，通常使用鉆頭破碎巖石，鉆頭是破碎巖石形成井筒的破巖工具。目前鉆井工程中使用的鉆頭主要有三牙輪鉆頭和PDC鉆頭，其中，三牙輪鉆頭包括鋼齒鉆頭(又稱銑齒鉆頭)和硬質(zhì)合金齒鉆頭(又稱鑲齒鉆頭)。近年，美國(guó)貝克休斯公司推出一種牙輪-PDC混合式鉆頭新產(chǎn)品，下面以美國(guó)貝克休斯公司提出的牙輪-PDC混合式鉆頭為例加以說(shuō)明。
美國(guó)貝克休斯公司提出的牙輪-PDC混合式鉆頭是在傳統(tǒng)的PDC切削結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加牙輪切削結(jié)構(gòu)而形成的，具體由固定切削結(jié)構(gòu)和牙輪切削結(jié)構(gòu)組合而成。其中，牙輪-PDC混合式鉆頭的固定切削結(jié)構(gòu)是由若干PDC固定刀翼(也稱固定翼)組成，固定刀翼上布置有固定切削齒(一般為PDC齒)，當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖；牙輪-PDC混合式鉆頭的牙輪切削結(jié)構(gòu)與牙輪鉆頭類似，牙輪上的牙齒主要以沖擊壓碎的方式破巖。
實(shí)際上，牙輪-PDC混合式鉆頭的基本理念早在1985年以前就已經(jīng)提出，然而卻長(zhǎng)期沒(méi)有形成工業(yè)化應(yīng)用。其根本原因在于:由于混合鉆頭上的牙輪是以沖擊壓碎的方式破巖，牙輪上的牙齒在交替工作過(guò)程中產(chǎn)生的上下振動(dòng)(縱向振動(dòng))會(huì)直接影響roc固定切削結(jié)構(gòu)的工作穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致固定切削結(jié)構(gòu)中PDC齒的非正常失效。PDC齒是一種對(duì)沖擊載荷比較敏感的切削元件，由牙輪縱向振動(dòng)帶來(lái)的沖擊載荷容易引起PDC齒聚晶金剛石層的脆性崩裂損壞，減短鉆頭的使用壽命。因?yàn)檠垒?PDC混合式鉆頭所適用的地層一般是常規(guī)PDC鉆頭較難鉆進(jìn)的地層，巖石的抗壓強(qiáng)度較高。在這種條件下，PDC齒更容易發(fā)生崩裂損壞。正因?yàn)檠垒?PDC混合式鉆頭具有這個(gè)天生的弱點(diǎn)，加以早期的PDC齒產(chǎn)品的抗沖擊能力很差，所以，這種混合鉆頭才一直停留在概念設(shè)計(jì)階段。直至近年，PDC齒的抗沖擊性能有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，才使這種技術(shù)發(fā)展成為一種新的鉆頭產(chǎn)品，逐步在鉆井工程中得到應(yīng)用。然而，由于縱向振動(dòng)而導(dǎo)致PDC齒磨損加劇的問(wèn)題，依然是一個(gè)制約混合鉆頭性能的重要因素。除此而外，牙輪的縱向振動(dòng)還會(huì)使固定切削結(jié)構(gòu)中PDC齒的吃入深度發(fā)生頻繁變化，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成PDC齒頻繁脫離井底，因而可在一定程度上降低鉆頭的破巖效率。顯然，如果能夠顯著地減小甚至消除這種縱向振動(dòng)，將使鉆頭的綜合性能得到顯著提升。發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中牙輪-PDC混合式鉆頭存在的牙輪縱向振動(dòng)對(duì)鉆頭固定切削齒刮切巖石過(guò)程產(chǎn)生不良影響，因而導(dǎo)致切削齒磨損速度快，嚴(yán)重影響鉆頭破巖效率和使用壽命的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，能夠在提高鉆頭破巖效率的同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。所述技術(shù)方案如下:
一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)牙輪，所述牙輪和所述固定切削結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭體上，所述牙輪通過(guò)軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
所述牙輪上鑲固有寬鑲齒，寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α I <90°，所述寬鑲齒下部鑲固部分與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，所述寬鑲齒的臺(tái)階面與牙輪齒孔口的外表面緊密接觸，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度LI的80%，所述寬鑲齒起碾壓、劈裂作用；
所述固定切削結(jié)構(gòu)包括多個(gè)固定切削齒，所述多個(gè)固定切削齒起刮切作用。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80° ( I α | <90°，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度的90%。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度等于寬鑲齒的橫向長(zhǎng)度。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的4分齒頂厚度不大于寬鑲齒橫向?qū)挾萕l的25%。
作為優(yōu)選，所述牙輪上設(shè)有至少兩排齒圈，所述牙輪中不同齒圈的寬鑲齒呈部分或全部交錯(cuò)布置。
作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的 1.5%O
作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的 0.5%O
作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪的偏移值為0(即牙輪無(wú)偏移)。
作為優(yōu)選,所述牙輪設(shè)有齒圈,所述牙輪中的至少一個(gè)齒圈與其所對(duì)應(yīng)的固定切削結(jié)構(gòu)上的至少一個(gè)固定切削齒呈徑向同軌布置。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂輪廓線為向上凸起的弧形。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿所述寬鑲齒的軸線方向的投影為圓弧形。
作為優(yōu)選,所述寬 鑲 齒沿齒頂厚度方向上的兩個(gè)側(cè)面為內(nèi)凹曲面。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒為硬質(zhì)合金齒、以金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒或孕鑲金剛石齒等其它包含金剛石的復(fù)合材料牙齒。
本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是:
本發(fā)明所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪的破巖方式與普通牙輪鉆頭有明顯區(qū)別，本發(fā)明所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的牙輪上采用寬鑲齒，寬鑲齒的齒頂寬度及齒頂偏轉(zhuǎn)角均較大一寬鑲齒的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度LI的80%，即W彡0.8L1 ;寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍在70° 90°或-90° -70°之間，使得牙輪運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，縱向振動(dòng)小，可明顯緩解甚至消除牙輪-PDC混合鉆頭中牙輪的縱向振動(dòng)對(duì)PDC齒的不良影響，本發(fā)明寬鑲齒以線載荷方式作用于井底巖石，接觸時(shí)間較長(zhǎng)，牙輪以近似靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，破巖能耗低，破巖效率高；減小了鉆頭破巖過(guò)程中的牙齒、牙輪及軸承的動(dòng)載，有利于增強(qiáng)牙齒的抗折斷能力，提高牙齒的鑲固可靠性；有利于提聞?shì)S承的使用壽命，進(jìn)而提聞鉆頭使用壽命。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的立體圖2是圖1提供的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭沿鉆頭軸線俯視時(shí)(即逆鉆頭鉆進(jìn)方向看)的視圖，即俯視圖3是本發(fā)明提供的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的牙輪寬鑲齒齒圈與固定切削結(jié)構(gòu)上的固定切削齒沿所述鉆頭徑向覆蓋的示意圖4是本發(fā)明提供的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的牙輪上寬鑲齒的齒頂線與牙輪的輪錐母線夾角(即齒頂偏轉(zhuǎn)角)α的示意圖5是本發(fā)明圖1中所述鉆頭的某牙輪沿牙輪軸線從牙輪尖部向牙輪底看時(shí)的示意圖6是本發(fā)明提供的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上設(shè)置三固定翼式的固定切削結(jié)構(gòu)和三個(gè)牙輪時(shí)的俯視圖7是本發(fā)明所述寬鑲齒鑲固于所述牙輪齒孔后，沿所述寬鑲齒下部鑲固部分的橫截面剖切時(shí)的局部剖視圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種寬鑲齒的結(jié)構(gòu)示意圖9是圖8中所述寬鑲齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時(shí)的俯視圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的又一種寬鑲齒的結(jié)構(gòu)示意圖11是圖10中所述寬鑲齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時(shí)的俯視圖12是圖8或圖10所示寬鑲齒鑲固于牙齒孔后,沿牙齒軸線剖切時(shí)的局部剖視圖13是本發(fā)明提供的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭采用臺(tái)階面邊緣輪廓為鍵形的蘑菇狀寬鑲齒時(shí)的鉆頭俯視圖14是本發(fā)明所述寬鑲齒的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿齒的軸線方向的投影為圓弧形，所述寬鑲齒沿牙齒軸線從牙齒頂部向齒底看時(shí)的示意圖。
圖15是本發(fā)明所述寬鑲齒沿齒頂厚方向上的兩個(gè)側(cè)面為內(nèi)凹曲面,沿牙齒齒頂寬度方向看時(shí)的牙齒示意圖。
圖16Α是以楔形齒為例時(shí)，牙齒4分齒頂寬度W的示意圖16Β是以楔形齒為例時(shí),牙齒4分齒頂厚度T的示意圖17是普通牙輪鉆頭的牙輪上的普通牙齒的齒頂線與牙輪的輪錐母線夾角α的示意圖18是鉆頭上的牙輪偏移時(shí)的示意圖。
圖中各符號(hào)表示含義如下:
I鉆頭體，
2 牙輪，
3寬鑲齒，3a齒圈，31寬鑲齒的下部鑲固部分，
4固定切削結(jié)構(gòu)，41固定切削齒。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
參見(jiàn)圖1至圖15所示，本發(fā)明提供的一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，本發(fā)明實(shí)施例以圖1為主加以說(shuō)明，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭包括鉆頭體1、固定切削結(jié)構(gòu)(圖中為固定翼)4和至少一個(gè)牙輪2，所述牙輪2和所述固定切削結(jié)構(gòu)4布置在所述鉆頭體I上，所述牙輪2通過(guò)軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體I形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
所述牙輪2上鑲固有寬鑲齒3,寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° <|α|<90°，所述寬鑲齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，所述寬鑲齒3的臺(tái)階面與牙輪齒孔口的外表面緊密接觸，所述寬鑲齒3的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒3的橫向長(zhǎng)度LI的80%，所述寬鑲齒3起碾壓、劈裂作用；
所述固定切削結(jié)構(gòu)4包括多個(gè)固定切削齒41，所述多個(gè)固定切削齒41起刮切作用。
牙齒的結(jié)構(gòu)是影響牙輪鉆頭鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵因素之一。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒與牙輪上的齒孔通常采用過(guò)盈配合(或鑲焊等)方式鑲固在牙輪上。牙齒的下部與牙輪齒孔形成過(guò)盈配合(該部分稱為牙齒的鑲固部分)，牙齒與齒孔形成過(guò)盈配合的表面一般為圓柱面；牙齒的上部位于牙輪殼體的表面之外，用于直接接觸、破碎巖石(該部分稱為牙齒的工作部分，也稱為牙齒的冠部或頭部)，通常情況下，牙齒冠部的徑向(垂直于牙齒軸線方向，平行牙齒下部圓柱的直徑方向)尺寸小于鑲固部分的圓柱直徑。牙齒鑲固部分的尺寸(直徑和高度)和過(guò)盈量是決定固齒強(qiáng)度的關(guān)鍵，而牙齒冠部的形狀和尺寸則是決定牙齒工作性能的關(guān)鍵。
表征牙齒冠部形狀和尺寸的主要參數(shù)為牙齒的出露高度h、牙齒的齒頂寬度W (見(jiàn)圖16A)和牙齒的齒頂厚度T(見(jiàn)圖16B)。出露高度h是指牙齒出露于牙輪殼體表面之外的高度，簡(jiǎn)稱出露高度或齒高；牙齒的齒頂寬度W是指牙齒的齒頂區(qū)域在垂直于牙齒軸線的平面內(nèi)的最大橫向尺寸，簡(jiǎn)稱齒頂寬度；牙齒的齒頂厚度T是指牙齒齒頂區(qū)域在垂直于牙齒寬度方向的最大橫向尺寸，簡(jiǎn)稱齒頂厚度。齒頂寬度和齒頂厚度代表了牙齒頂部的橫向尺寸，橫向尺寸越小，牙齒越尖銳、越容易侵入巖石，但同時(shí)也越容易發(fā)生強(qiáng)度失效。就對(duì)牙齒破巖效率的影響而言，牙齒的寬度具有比較特殊的意義，原因在于:盡管牙輪鉆頭主要以壓碎作用破碎巖石，但鉆頭牙齒在與巖石接觸時(shí)的相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)可使牙齒產(chǎn)生刮切破巖的效果，此時(shí)，牙齒的寬度越大，刮切時(shí)掃過(guò)的面積就越大，刮切破巖的效果也就越趨明顯。鑲齒牙輪鉆頭的牙齒一般多按照齒頂寬方向與牙輪母線平行的方向鑲固(如圖17中的齒5)。也可先分析預(yù)測(cè)牙齒刮切運(yùn)動(dòng)的方向，然后按照齒頂寬與刮切運(yùn)動(dòng)方向相垂直或接近垂直的方向鑲固牙齒(如圖17中的齒6)。
然而，由于牙齒冠部形狀的特殊性，牙齒“齒頂區(qū)域”的概念具有一定的模糊性，因而需要加以具體的約定，以達(dá)到對(duì)各種形狀的牙齒都能按照統(tǒng)一的方法度量齒頂寬度和齒頂厚度的目的。為此，特作約定如下:N為一自然數(shù)，在縱向距牙齒冠部最高點(diǎn)h/N的位置做一個(gè)垂直于牙齒軸線的平面P (見(jiàn)圖16A及圖16B)，牙齒上由該平面至牙齒冠部最高點(diǎn)之間的區(qū)域?yàn)檠例X的N分齒頂區(qū)域。在牙齒的N分齒頂區(qū)域內(nèi)，垂直于牙齒軸線的最大橫向尺寸，為牙齒的N分齒頂寬度(也即:牙齒的N分齒頂區(qū)域在平面P上投影的最大寬度)；最大橫向尺寸在P平面上所對(duì)應(yīng)的方向?yàn)辇X頂齒寬方向；該齒頂區(qū)域在垂直于齒頂寬度方向上的最大橫向尺寸，為牙齒的N分齒頂厚度。在圖16A及圖16B中，標(biāo)明了楔形齒的4分齒頂區(qū)域(P平面至牙齒頂部最高點(diǎn)之間的區(qū)域)、4分齒頂寬度W、齒頂寬度方向以及4分齒頂厚度T。通常情況下，牙齒冠部的形狀都是由根部到頂部越來(lái)越尖銳，所以在平面P上的牙齒橫截面寬度/厚度，就等于牙齒的N分齒頂寬度/厚度。
牙齒的橫向長(zhǎng)度，是指牙齒垂直于牙齒軸線的最大橫向尺寸，也即，牙齒在垂直于牙齒軸線平面上投影的最大長(zhǎng)度；牙齒的橫向?qū)挾龋侵复怪庇谘例X軸線且垂直于牙齒橫向長(zhǎng)度方向的最大橫向尺寸。如圖9所示，寬鑲齒3在垂直于寬鑲齒3軸線平面上的投影的最大長(zhǎng)度LI即為寬鑲齒3的橫向長(zhǎng)度，與最大長(zhǎng)度LI方向垂直的最大橫向尺寸Wl即為寬鑲齒3的橫向?qū)挾取?br> 現(xiàn)有鑲齒牙輪鉆頭上的牙齒的上部出露部分，均為從下部齒柱開(kāi)始逐漸向上收縮的尖頭部，牙齒的齒頂寬度均明顯小于下部齒柱的直徑。本發(fā)明中的牙齒具有較長(zhǎng)的齒頂寬度，牙齒的4分齒頂寬度W大于等于牙齒橫向長(zhǎng)度LI的80%，且將此種長(zhǎng)齒頂寬度的牙齒稱為寬鑲齒。
如圖4所示，齒頂偏轉(zhuǎn)角α是指齒頂線(即沿切削齒齒頂寬度方向并垂直于切削齒軸線)與切削齒所在牙輪2的輪錐母線(及輪錐面上與切削齒軸線相交的母線)的夾角。一般指齒頂線與輪錐母線所成的銳角或直角。本發(fā)明是以齒頂沿切削齒軸線方向向牙輪體看定義齒頂偏轉(zhuǎn)角α的正或負(fù)，具體地，齒頂線相對(duì)牙輪2的輪錐母線逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)為正偏轉(zhuǎn)，反之則為負(fù)偏轉(zhuǎn)。
三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，即牙齒通過(guò)對(duì)巖石的沖擊、擠壓和伴有少量的滑移刮切來(lái)破碎巖石。現(xiàn)有大多數(shù)鑲齒三牙輪鉆頭牙輪上牙齒的齒頂無(wú)偏轉(zhuǎn)(即齒頂偏轉(zhuǎn)角為0°，如圖17中的牙齒5)，也有少量鉆頭的部分齒圈的牙齒(切削齒)齒頂有偏轉(zhuǎn)(如圖17中的牙齒6)，偏轉(zhuǎn)角一般在50°以內(nèi)。牙齒的偏轉(zhuǎn)是為了迎合牙齒沖擊壓入巖石后的滑移刮切方向，以增加牙齒對(duì)巖石的滑移刮切效果(量)。
牙輪的偏移是指:牙輪的極軸面(過(guò)牙輪軸線且平行于鉆頭軸線的平面)相對(duì)鉆頭中心線的偏移距離。如圖18所示，為沿鉆頭鉆進(jìn)方向(沿鉆頭軸線從鉆頭螺紋端向牙輪端)看時(shí)，鉆頭牙輪在垂直于鉆頭軸線的平面上的投影示意圖，圖中牙輪2的軸線投影與鉆頭中心之間的距離S即為鉆頭偏移值。多數(shù)三牙輪鉆頭的牙輪2存在偏移，其目的在于，偏移使牙輪2在井底巖石上滾動(dòng)破巖時(shí)無(wú)法發(fā)生純滾動(dòng)，使牙輪2上的牙齒破巖時(shí)滑移增大，偏移值越大牙輪2上的牙齒滑移刮切越明顯。
牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪2的破巖方式與普通牙輪鉆頭有明顯區(qū)另|J。牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的牙輪2上采用寬鑲齒3,寬鑲齒3的齒頂寬度及齒頂偏轉(zhuǎn)角α均較大——寬鑲齒3的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒3的橫向長(zhǎng)度LI的80%，即W彡0.8L1 (參見(jiàn)圖9、11所示)；寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍在70° 90°或-90° -70°之間。該技術(shù)特征使同齒圈3a上的相鄰寬鑲齒3間的空當(dāng)間隔大大減小，具有大齒頂寬度的寬鑲齒3形成一個(gè)個(gè)接近完整圓形的齒盤。特別是當(dāng)不同齒圈寬鑲齒3交錯(cuò)布置時(shí)，牙輪上相鄰牙齒之間的空當(dāng)間隔顯著減小， 大大增強(qiáng)了牙輪牙齒交替破巖過(guò)程的平穩(wěn)性，使牙輪工作時(shí)滾動(dòng)平穩(wěn)，縱向振動(dòng)小。這樣，每個(gè)寬鑲齒3接觸井底巖石的時(shí)間顯著增加，寬鑲齒3可以接近于靜壓的線載荷方式作用于井底巖石，沖擊效應(yīng)顯著降低，輔以小齒頂厚度牙齒技術(shù)特征，從而實(shí)現(xiàn)牙輪2上的寬鑲齒3以接近靜壓的方式壓碾、劈裂破碎巖石。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種破巖方式對(duì)于抗壓強(qiáng)度較高的硬巖層鉆進(jìn)十分適宜，破巖能耗低。
常規(guī)PDC鉆頭在較硬巖層鉆進(jìn)時(shí)遇到的難題之一是PDC齒吃入巖石的難度高，特別是當(dāng)PDC齒發(fā)生磨損時(shí)，吃入巖石更加困難，因而鉆頭鉆速很低。牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭能很好地解決這一問(wèn)題。牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭由牙輪2和固定切削結(jié)構(gòu)4復(fù)合而成。牙輪2以近似靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，其上的齒圈3a在井底巖石上碾壓出一圈圈的破碎坑、槽，從而使固定切削齒41的井底刮切面變得凸凹不平，這樣，固定切削齒41就不必完全依靠鉆壓強(qiáng)力吃入井底巖石，而是能夠自然而然地吃入巖石、刮切破巖。與常規(guī)牙輪相比，本發(fā)明的牙輪2的碾壓、劈裂工作方式能在較硬巖層達(dá)到很好的破巖效果，牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭可在牙輪2碾壓、劈裂破巖方式與固定切削結(jié)構(gòu)4的刮切破巖方式的相互配合下破巖鉆進(jìn)，能明顯提高鉆頭在較硬巖層鉆進(jìn)時(shí)的破巖效率。
牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的破巖方式與牙輪-PDC混合鉆頭也有明顯區(qū)別。牙輪-PDC混合鉆頭上的牙輪與常規(guī)鑲齒牙輪鉆頭的牙輪一樣，均以沖擊壓碎方式破巖，牙輪工作過(guò)程中牙齒接觸井底巖石的時(shí)間很短，牙輪在牙齒交替工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的上下振動(dòng)(縱向振動(dòng))，牙齒對(duì)巖石的沖擊效應(yīng)很明顯。對(duì)牙輪-PDC混合鉆頭而言，由牙輪縱向振動(dòng)帶來(lái)的沖擊載荷容易引起PDC齒聚晶金剛石層的脆性崩裂損壞，減短鉆頭的使用壽命。牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上采用的是鑲有寬鑲齒3的牙輪2，其牙輪2運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，縱向振動(dòng)小，寬鑲齒3以線載荷方式作用于井底巖石，接觸時(shí)間較長(zhǎng)，牙輪2以近似靜壓的方式壓碾、劈裂破巖。鑲有寬鑲齒3的牙輪2的采用，可明顯緩解甚至消除牙輪-PDC混合鉆頭中牙輪的縱向振動(dòng)對(duì)PDC齒的不良影響，且鉆頭鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)定性好，鉆進(jìn)效率更高。牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的綜合破巖效率具有明顯優(yōu)勢(shì)。
牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭能延長(zhǎng)牙輪牙齒及軸承的使用壽命，保證牙輪殼體強(qiáng)度及安全性，從而延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。牙輪-PDC混合鉆頭上的牙輪及常規(guī)鑲齒牙輪鉆頭的牙輪均以沖擊壓碎方式破巖，牙輪上的牙齒頭部尖而窄，牙輪工作過(guò)程中牙齒接觸井底巖石的時(shí)間很短，牙輪在牙齒交替工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的上下振動(dòng)(縱向振動(dòng))，牙齒、牙輪及軸承所受的沖擊載荷及載荷波動(dòng)均很大，牙輪上的牙齒斷裂、掉落及牙輪軸承的損壞是鉆頭失效的主要常見(jiàn)形式。牙齒、軸承的工作壽命對(duì)牙輪鉆頭及牙輪-PDC混合鉆頭的整體壽命形成了明顯的制約。牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的牙輪2上的寬鑲齒3的齒頂寬度及齒頂偏轉(zhuǎn)角均較大，牙輪2上的牙齒交替破巖平穩(wěn)，牙輪工作平穩(wěn)，縱向振動(dòng)小，能明顯改善牙輪牙齒及軸承的工況，延長(zhǎng)牙齒及軸承使用壽命。同時(shí)，牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭牙輪2上的寬鑲齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，寬鑲齒3的臺(tái)階面與牙輪齒孔口的外表面緊密接觸，該技術(shù)方案也能改善牙輪牙齒及軸承的使用壽命:普通牙輪上的牙齒的下部鑲固部分為圓柱，從鑲固部分的頂端至齒頂逐漸收縮變小，下部鑲固部分的圓柱直徑為牙齒的最大橫向或徑向尺寸，牙齒鑲?cè)胙垒嘄X孔后牙齒的底部端面直接抵緊齒孔底面，鉆頭工作時(shí)牙齒上的軸向載荷可由齒孔底面?zhèn)鬟f到牙輪上。通常情況下，牙齒的直徑越大、鑲固得越深，牙齒的鑲固強(qiáng)度就越高，但同時(shí)牙輪上相鄰齒孔之間的最小距離(一般出現(xiàn)在相鄰齒孔的根部)以及齒孔底部與軸承孔壁之間的距離就越小。前者過(guò)小時(shí)會(huì)影響牙齒的鑲固強(qiáng)度，甚至導(dǎo)致相鄰牙齒的鑲固部分發(fā)生干涉；后者過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致牙輪殼體的塑性變形，降低殼體強(qiáng)度。本發(fā)明中牙輪上牙齒的碾壓、劈裂破巖方式要求牙齒具有較大的牙齒寬度，本發(fā)明的牙齒結(jié)構(gòu)和鑲固方法能在不增加(或少增加)牙齒鑲固直徑的條件下顯著增大牙齒的橫向長(zhǎng)度和齒頂寬度，從而達(dá)到更好的碾壓、劈裂破巖效果，并更好地與固定切削結(jié)構(gòu)相配合，增進(jìn)鉆頭的綜合破巖效果。
牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭牙輪2上的寬鑲齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，寬鑲齒3的臺(tái)階面與牙輪齒孔口的外表面緊密接觸，寬鑲齒3通過(guò)臺(tái)階面坐壓在牙輪齒孔的孔口面上(如圖12所示)，使牙齒工作時(shí)的軸向壓力通過(guò)齒孔孔口面來(lái)傳遞給牙輪2，不再由齒孔底的牙輪殼體來(lái)承擔(dān)和傳遞。這樣，牙齒工作時(shí)作用于牙輪殼體的載荷將大大改善，能明顯提高牙輪體的載荷分布均勻度和殼體的安全性；寬鑲齒3設(shè)計(jì)臺(tái)階過(guò)渡，一方面，這為牙齒齒頂寬的加長(zhǎng)提供了便利，另一方面，臺(tái)階面尺寸較大，臺(tái)階面坐壓于孔口面上的接觸面積和接觸區(qū)域跨度均較大，能改善牙齒的應(yīng)力分布，牙齒壽命長(zhǎng)；牙齒臺(tái)階面為軸向承壓面，臺(tái)階過(guò)渡處同時(shí)起定位作用，寬鑲齒3的下部鑲固部分31的長(zhǎng)度及橫向尺寸、相應(yīng)齒孔的深度和孔徑均可減小，牙輪2的齒孔孔底與牙輪2內(nèi)的軸承孔之間的厚度也可減小，臺(tái)階的設(shè)置能增加齒頂寬度和齒圈圓度(可通過(guò)減小牙齒間距減小鑲固部分31尺寸，或牙齒間距不變，增加牙齒出露部分及齒頂寬長(zhǎng)度尺寸)的同時(shí)，還能延長(zhǎng)寬鑲齒3的使用壽命，保證牙輪殼體的強(qiáng)度，增加軸承尺寸，延長(zhǎng)軸承壽命。因此，牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭能延長(zhǎng)牙輪牙齒及軸承的使用壽命，保證牙輪殼體強(qiáng)度及安全性，從而延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。
本發(fā)明實(shí)施例中，所述固定切削結(jié)構(gòu)4優(yōu)選采用PDC齒為固定切削齒，能夠在提高鉆頭破巖效率的同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。
更具體地，如圖1所示，本實(shí)施例中牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上設(shè)置兩固定翼式的固定切削結(jié)構(gòu)4和兩牙輪2，兩固定翼式的固定切削結(jié)構(gòu)4和兩牙輪2相間布置，本實(shí)施例易于鉆頭小尺寸化，可用于較小井眼的鉆進(jìn)。
更具體地，如圖6所示，本實(shí)施例中牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上設(shè)置有三個(gè)固定翼式的固定切削結(jié)構(gòu)4和三個(gè)牙輪2，三個(gè)固定翼式的固定切削結(jié)構(gòu)4和三個(gè)牙輪2相間布置，本實(shí)施例使得所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上周向定位點(diǎn)較多，有益于減少鉆頭的橫向振動(dòng)，提高所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的橫向穩(wěn)定性。此外，本實(shí)施例比較適于鉆頭直徑相對(duì)較大的場(chǎng)合。
具體地，寬鑲齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，暫將此種結(jié)構(gòu)形式稱為蘑菇狀。蘑菇狀的寬鑲齒3有眾多的結(jié)構(gòu)形式,其中有幾種較佳的蘑菇狀結(jié)構(gòu):
如圖8、圖9所示，是一種蘑菇狀寬鑲齒，本實(shí)施例中，寬鑲齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，臺(tái)階面邊緣輪廓為圓形；
如圖10、圖11所示，是又一種蘑菇狀寬鑲齒，本實(shí)施例中，寬鑲齒3的下部鑲固部分31與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，臺(tái)階面邊緣輪廓為鍵形。如圖13所示，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭的牙輪2上采用臺(tái)階面邊緣輪廓為鍵形的寬鑲齒3。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖4所示，所述寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80° ≤ |α |≤90°，所述寬鑲齒3的4分齒頂寬度W不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度L1的90%。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖4所示，所述寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是75?！?I α I ≤ 90。。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖4所示，所述寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是85?！?I α I ≤ 90。。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖4所示，所述寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是75?！?I α I ≤ 80。。
更優(yōu)選地，如圖1、2、5、6所示，所述寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°，即寬鑲齒3的齒頂線與所述牙輪2的輪錐母線垂直。
更優(yōu)選地，所述寬鑲齒3的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=70°、75。、80°或85°。
采用上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)寬鑲齒3的齒頂線與牙輪2的輪錐母線垂直時(shí)，齒圈3a上的相鄰寬鑲齒3間的空當(dāng)間隔更小，牙輪2上齒圈3a的連續(xù)性更好，齒圈3a的齒頂輪廓更接近于圓形，有利于牙齒以滾動(dòng)碾壓、劈裂的方式破碎巖石，牙齒及軸承壽命高，破巖效率高，復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性好。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖4所示，所述寬鑲齒3的4分齒頂寬度W等于寬鑲齒3的橫向長(zhǎng)度LI。
根據(jù)前述的定義，牙齒的橫向長(zhǎng)度是指牙齒垂直于牙齒軸線的最大橫向尺寸。如圖9、11所示，寬鑲齒3的4分齒頂寬度W等于寬鑲齒3的橫向長(zhǎng)度LI，即寬鑲齒3的4分齒頂寬度W就為寬鑲齒3的最大橫向尺寸LI。在這種情況下，能極大程度地?cái)U(kuò)寬寬鑲齒3的齒頂寬度，較大的齒頂寬度有利于齒圈3a上的相鄰寬鑲齒3間的空當(dāng)間隔的減小，牙輪2上齒圈3a的連續(xù)性更好，齒圈3a的齒頂輪廓更接近于圓形，有利于牙齒以滾動(dòng)碾壓、劈裂的方式破碎巖石，牙齒及軸承的壽命高，破巖效率高，復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性好。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖9所示，所述牙輪2上寬鑲齒3的4分齒頂厚度不大于寬鑲齒3的橫向?qū)挾萕l的25%。
更具體地，如圖9所示，本實(shí)施例中，寬鑲齒3的4分齒頂厚度不大于寬鑲齒3的橫向?qū)挾萕l的25%，即寬鑲齒3的齒頂厚度較小，在該臨界值下，更有利于牙齒滾動(dòng)碾壓時(shí)對(duì)巖石的擠壓劈裂作用，提高鉆頭破巖效率，特別是對(duì)高硬度難鉆地層，破巖效果更好。
作為優(yōu)選,參見(jiàn)圖5所示,所述牙輪2上設(shè)有至少兩排齒圈3a,所述牙輪2中不同齒圈的寬鑲齒3呈部分或全部交錯(cuò)布置。
更具體地，如圖5所示，本實(shí)施例中，牙輪2上兩排齒圈3a的寬鑲齒3在牙輪2輪錐周向上相互錯(cuò)位布置，其中一個(gè)齒圈中兩個(gè)相鄰寬鑲齒之間的空當(dāng)被另一齒圈的寬鑲齒所填補(bǔ)，使牙輪2滾動(dòng)更平穩(wěn)，減小了縱向振動(dòng)，降低了牙齒的沖擊載荷，進(jìn)而降低了牙輪2工作時(shí)的載荷波動(dòng)，有利于牙輪2上寬鑲齒3以靜壓方式碾壓、劈裂破巖，顯著地改善了鉆頭固定切削齒41的刮切工作條件，可明顯緩解甚至消除牙輪-PDC混合鉆頭中PDC切削結(jié)構(gòu)與牙輪切削結(jié)構(gòu)在工作條件需求上的不協(xié)調(diào)性，不僅有利于固定PDC齒的穩(wěn)定刮切，更有利于減少甚至避免固定PDC齒的沖擊損壞，有利于提高軸承的壽命和牙齒的承壓能力，使得所述復(fù)合鉆頭工作壽命可以得到顯著提升。
作為優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的每個(gè)牙輪2的偏移值不大于鉆頭直徑的1.5%。
本實(shí)施例中，牙輪2的偏移值使牙輪2以更接近純滾動(dòng)的形式滾動(dòng)工作，更有利于齒圈3a上寬鑲齒3以滾動(dòng)碾壓、劈裂的方式破碎巖石；同時(shí)，還能減少牙輪2上牙齒的滑移刮切，減少牙齒的磨損，延長(zhǎng)牙齒使用壽命。
作進(jìn)一步優(yōu)選，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪2的偏移值不大于牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭直徑的0.5%。
更優(yōu)選地，如圖1、2、6所示，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭上的牙輪2的偏移值為O (即牙輪2無(wú)偏移)。
上述實(shí)施例中，牙輪2不偏移，是實(shí)現(xiàn)牙輪2以純滾動(dòng)(或接近純滾動(dòng))方式工作的極優(yōu)參數(shù)，更有利于牙輪2上的寬鑲齒3以碾壓、劈裂方式破碎巖石。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖3所示，所述牙輪2中的齒圈3a與其所對(duì)應(yīng)的固定切削結(jié)構(gòu)4上的固定切削齒41呈徑向同軌布置。具體地，如圖3所示，本實(shí)施例中，牙輪2上的某齒圈3a與固定切削結(jié)構(gòu)4上的固定切削齒41徑向同軌布置。
本實(shí)施例中，同軌是指切削齒在鉆頭上的徑向位置相同，即距鉆頭軸線距離相等。牙輪2齒圈3a與固定切削齒41徑向同軌布置時(shí)，齒圈3a上的齒與固定切削齒41在井底同一環(huán)形區(qū)域上輪流作用破巖。井底巖石被牙輪2上的牙齒碾壓、劈裂后，在形成的破碎槽上固定切削齒41再進(jìn)行刮切，切削齒同軌布齒有利于固定切削齒41的吃入，便于復(fù)合鉆頭破巖效率的提高。
作為優(yōu)選，參見(jiàn)圖5、圖12，所述寬鑲齒3的齒頂為向上凸起的弧形。具體地，如圖5、圖12所示,本實(shí)施例中，寬鑲齒3的齒頂為向上凸起的圓弧狀。
本實(shí)施例中，所述寬鑲齒3的齒頂為向上凸起的弧形。寬鑲齒3的齒頂采用向上凸起的弧形時(shí)，同一齒圈3a上的寬鑲齒3的齒頂所組成的齒圈3a (輪廓)更接近圓形(如圖5所示)，有利于牙輪2的平穩(wěn)滾動(dòng)，減少牙齒的沖擊載荷，降低牙輪2工作時(shí)的載荷波動(dòng)，有利于牙輪2齒圈3a以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利于提高牙齒、軸承的壽命，并提高復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性。
作為優(yōu)選，如圖14所示，所述寬鑲齒3的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿所述寬鑲齒3齒的軸線方向的投影為圓弧形，該結(jié)構(gòu)能改善齒圈3a的圓度。
本實(shí)施例中，所述寬鑲齒3的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿齒的軸線方向的投影為圓弧形。由于牙輪2齒圈3a上的牙齒軸線往往與牙輪2軸線不垂直，特別是靠近牙輪2尖部的齒圈3a牙齒的軸線與牙輪2軸線夾角較小，當(dāng)齒圈3a周長(zhǎng)較小，齒圈3a上齒數(shù)較少時(shí)，齒圈3a圓度較差。將寬鑲齒3的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿齒的軸線方向的投影設(shè)計(jì)為圓弧形，能改善齒圈3a的圓度，使齒圈3a (輪廓)更接近于圓形，有利于牙輪2的平穩(wěn)滾動(dòng)，減少牙齒的沖擊載荷，降低牙輪2工作時(shí)的載荷波動(dòng)，有利于牙輪2齒圈3a以靜壓方式壓碾、劈裂破巖，有利于提高軸承和牙齒的壽命，并提高復(fù)合鉆頭工作穩(wěn)定性。
作為優(yōu)選，如圖15所示，所述寬鑲齒3沿齒頂厚方向上的兩個(gè)側(cè)面為內(nèi)凹曲面。
本實(shí)施例中，寬鑲齒3沿齒頂厚方向上的兩個(gè)側(cè)面為內(nèi)凹曲面，在縱向(沿牙齒軸線方向)上牙齒齒頂厚度較小，從齒頂往下齒厚的增加緩慢，不僅有利于寬鑲齒3壓入巖石，增強(qiáng)牙齒壓入后對(duì)巖石的擠壓劈裂作用效果，而且有利于在牙齒磨損時(shí)減緩牙齒齒頂厚度的增大趨勢(shì)，使牙齒持續(xù)保持較小的齒頂厚，延長(zhǎng)牙齒對(duì)巖石的碾壓、劈裂破碎效果。
作為優(yōu)選，如圖12所示，所述寬鑲齒3的齒頂兩端(沿齒頂寬的兩端)設(shè)有倒圓角或倒角。
本實(shí)施例中，寬鑲齒3的齒頂兩端如不設(shè)倒圓角或倒角過(guò)度,齒頂兩端將為尖角，牙齒與巖石作用破巖時(shí)，尖角處易形成應(yīng)力集中，易使齒頂端部疲勞損壞或局部斷裂。齒頂兩端設(shè)倒圓角或倒角，能有效改善齒頂端部的應(yīng)力分配降低應(yīng)力集中，延長(zhǎng)牙齒使用壽命。
作為優(yōu)選，所述寬鑲齒3為硬質(zhì)合金齒、以金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒或孕鑲金剛石齒等其它包含金剛石的復(fù)合材料牙齒。
由于本發(fā)明牙輪2上的牙齒以過(guò)盈配合等方式鑲固在牙輪2上，因此牙齒可選擇與牙輪2本體不同的材料。寬鑲齒3可采用硬度及耐磨性均遠(yuǎn)優(yōu)于牙輪2本體材料的硬質(zhì)合金齒、用金剛石做表面加強(qiáng)的硬質(zhì)合金齒或其他金剛石復(fù)合牙齒等，這些切削齒的硬度和耐磨性均較高，因此，本發(fā)明中牙輪2的寬鑲齒3壽命將明顯高于牙齒基體材料與牙輪材料相同的鋼質(zhì)牙齒類牙輪鉆頭。
上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭包括鉆頭體、固定切削結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)牙輪，所述牙輪和所述固定切削結(jié)構(gòu)布置在所述鉆頭體上,所述牙輪通過(guò)軸承結(jié)構(gòu)與所述鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接； 所述牙輪上鑲固有寬鑲齒，寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70° ( I α I <90°，所述寬鑲齒下部鑲固部分與上部出露部分經(jīng)臺(tái)階過(guò)渡，所述寬鑲齒的臺(tái)階面與牙輪齒孔口的外表面緊密接觸，所述寬鑲齒的4分齒頂寬度不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度的80%，所述寬鑲齒起碾壓、劈裂作用； 所述固定切削結(jié)構(gòu)包括多個(gè)固定切削齒，所述多個(gè)固定切削齒起刮切作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是80° ( I α I <90° ,所述寬鑲齒的4分齒頂寬度不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度的90%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述牙輪上的寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α=90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述牙輪上寬鑲齒的4分齒頂厚度不大于寬鑲齒橫向?qū)挾鹊?5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述牙輪上設(shè)有至少兩排齒圈，所述牙輪中不同齒圈的寬鑲齒呈部分或全部交錯(cuò)布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述鉆頭上的每個(gè)牙輪的偏移值不大于鉆頭直徑的1.5%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述牙輪設(shè)有齒圈，所述牙輪中的至少一個(gè)齒圈與其所對(duì)應(yīng)的固定切削結(jié)構(gòu)上的至少一個(gè)固定切削齒呈徑向同軌布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述寬鑲齒的齒頂輪廓線為向上凸起的弧形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述寬鑲齒的齒頂順著齒頂線方向的輪廓線沿所述寬鑲齒的軸線方向的投影為圓弧形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，其特征在于，所述寬鑲齒沿齒頂厚方向上的兩個(gè)側(cè)面為內(nèi)凹曲面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種牙輪-固定切削結(jié)構(gòu)復(fù)合鉆頭，屬于鉆探領(lǐng)域。所述鉆頭包括鉆頭體、牙輪和固定切削結(jié)構(gòu)，牙輪和固定切削結(jié)構(gòu)布置在鉆頭體上，牙輪通過(guò)軸承結(jié)構(gòu)與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接；牙輪上鑲固有寬鑲齒，每個(gè)寬鑲齒的齒頂偏轉(zhuǎn)角α的取值范圍是70°≤|α|≤90°，每個(gè)寬鑲齒為蘑菇狀，每個(gè)寬鑲齒的齒頂寬度不小于寬鑲齒橫向長(zhǎng)度的80%；固定切削結(jié)構(gòu)包括多個(gè)固定切削齒。本發(fā)明在提高鉆頭破巖效率的同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。
文檔編號(hào)E21B10/16GK103147692SQ20131006399
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者楊迎新, 陳煉, 徐彤, 鄭家偉, 程榮超, 紀(jì)國(guó)棟, 馮明, 孫永興, 付曉平, 林敏 , 任海濤, 包澤軍, 張廣存 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué), 中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院, 寶石機(jī)械成都裝備制造分公司, 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院