CN101967956A - 一种用于高转速钻井的三牙轮钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高转速钻井的三牙轮钻头，包括有三个牙掌和牙轮，牙轮上布设牙齿，三个牙掌的上部相联成一体构成钻头体，在钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，其不同之处在于牙轮与牙掌轴间的钻头轴承为滚柱与弧形滑块间隔布置的滚滑复合轴承，并且牙轮与牙掌轴间的钻头轴承密封为金属密封。本发明的滚滑复合轴承能承受高转速和较高的负载，并具备较强的抗冲击性能，因而保证了牙轮钻头在高转速和中高钻压条件下的轴承寿命；并且六点保径结构增强了钻头的稳定性，减小了钻头振动所导致的牙齿折断，使牙齿的使用寿命进一步提高。本发明的牙轮钻头适合高转速、中高钻压使用条件，具有较高的钻井效率和使用寿命。

Description

一种用于高转速钻井的三牙轮钻头
技术领域
本发明涉及一种三牙轮钻头，尤其涉及一种用于高转速钻井的三牙轮钻头，属于地质钻探和石油钻井技术领域。
技术背景
现有的三牙轮钻头通常包括有一个钻头体，钻头体上有三片牙掌，牙轮安装在牙掌下端倾斜的牙掌轴上，牙掌轴与牙轮内孔设置轴承副，将钻压和扭矩传递给牙轮。目前，牙轮钻头轴承主要有滑动轴承和滚动轴承两种形式。牙轮上有钢齿或硬质合金镶齿，钻井液从钻柱进入钻头流道，然后从三个喷嘴喷出。喷嘴安装在喷嘴座中，钻井液冲击井底后从喷嘴座两侧上返。喷嘴射流喷向两个牙轮中间且靠近井壁。钻头牙轮的外排齿上有三点接触井壁，接触点在每个牙轮的前侧。在配合涡轮或高速螺杆高转速钻井时，上述现有牙轮钻头存在下述问题：滑动轴承不能承受高转速，而滚动轴承难以承受高钻压，因此轴承寿命显著降低；高转速钻井同时要配合较高的钻压，牙齿所受的冲击相对明显增大，钻头横向和纵向振动更严重，因而牙齿磨损快，容易发生牙齿折断，从而降低钻进效率。此外，高转速钻头在硬地层使用，牙齿磨损发热快，得不到及时冷却，导致牙齿过早失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种用于高转速钻井的三牙轮钻头，它能在高转速下配合较高的钻压进行工作，能够减小牙齿的冲击力，增强破岩效率，从而提高牙轮钻头的钻井效率和综合效果。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括有三个牙掌和安设在牙掌下端的牙轮，牙轮上布设牙齿，三个牙掌的上部相联成一体构成钻头体，在钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，其不同之处在于牙轮与牙掌轴间的钻头轴承为滚柱与弧形滑块间隔布置的滚滑复合轴承，并且牙轮与牙掌轴间的钻头轴承密封为金属密封。
按上述方案，所述的滚滑复合轴承的弧形滑块外圆弧面直径与牙轮内孔直径相同，长度与滚柱相同，弧形滑块的径向厚度大于滚柱直径，大于量为0.03～2.00mm，大于量与钻头直径相关，钻头直径从φ75mm到φ660mm；弧形滑块节圆弧长(滑块与滚柱设计接触点所在圆上的弧长)小于或等于2倍的滚柱直径。
按上述方案，在滚滑复合轴承与牙掌轴之间设置滑套；所述的滑套材料为工具钢。
按上述方案，所述的弧形滑块两侧侧面相平行；弧形滑块由工具钢或弹簧钢制成，滚柱由轴承钢制成。
按上述方案，所述的牙掌掌背的上部后侧向后延伸一段距离，形成延伸块状体，延伸块状体的回转直径略小于牙轮钻头规径，小于量为0.3～1.5mm，形成牙掌上部的保径面，延伸块状体上镶装2～3排保径齿，每排2～3个保径齿，间隔交错排列，由此与牙轮一起构成六个保径点，即三个牙轮和三个掌背上各设置一个保径点。所述的保径齿为硬质合金齿或金刚石复合齿。
按上述方案，所述的弧形滑块内、外圆弧面上均设置油槽，油槽与弧形滑块轴向端面的夹角为0～75°，油槽间隔平行设置；内、外圆弧面上的油槽设置的位置和方向相互交错。
按上述方案，所述的金属密封为双金属密封，包括安设在牙掌轴上的橡胶密封圈和金属密封圈，安设在牙轮内孔的橡胶密封圈和金属密封圈，两个金属密封圈的端面配合，形成端面旋转动密封。
按上述方案，所述的牙轮上布设的牙齿包括主切削齿和外排齿，主切削齿为凸形齿顶齿，包括凸顶楔形齿(CN200510019419.2)，外排齿为楔形齿或球形齿。
按上述方案，所述的牙掌掌背的上部后侧的延伸块状体内安设喷嘴座，喷嘴座内安设喷嘴，喷嘴射流喷射方向朝向后一个牙轮的的前方。
按上述方案，所述的牙掌前侧面整体向后偏斜，向后偏斜的角度为10°～30°，与前一个牙掌的后侧形成螺旋回流通道，钻井液冲击井底后从螺旋回流通道上返。
本发明的有益效果在于：1、滚滑复合轴承能承受高转速和较高的负载，并具备较强的抗冲击性能，因而保证了牙轮钻头在高转速和中高钻压条件下的轴承寿命，而轴承密封采用适应高转速和高温工况的金属密封能够使轴承寿命得到进一步的保证和提高；2、在滚滑复合轴承与牙掌轴之间设置滑套以及在弧形滑块上设置油槽改善了弧形滑块的滑动和润滑状况，有助于牙轮钻头在中高钻压条件下转速的进一步提高；3、由于凸形齿顶切削齿的攻击性较强，易于破碎岩石，在高转速状态下既能提高牙轮钻头的钻进效率，又能保证牙齿在高转速下的有效使用寿命；并且牙掌掌背的上部后侧向后延伸一段距离，形成牙掌上部的保径面，六点保径结构增强了钻头的稳定性，减小了钻头振动所导致的牙齿折断，使牙齿的使用寿命进一步提高；4、螺旋回流通道有利于井底岩屑上返，定向喷射增强牙齿冷却，有利钻进效率的提高。
本发明组合了滚滑复合轴承、金属密封，牙掌掌背上部后侧直径加大形成保径面等技术，配合设计钻头切削结构和水力结构，形成的一种用于高转速、中高钻压钻井的牙轮钻头，该钻头在使用中取得很好的效果，在钻压80～140KN、转速400r/min条件下，进尺和使用寿命比现有普通金属密封钻头均提高两倍以上，明显具有较高的钻井效率和使用寿命。
附图说明
图1是本发明一个实施例的正视图。
图2是本发明一个实施例中轴承部分的剖视图。
图3是本发明一个实施例中金属密封的剖视图。
图4是本发明一个实施例中弧形滑块的俯视图。
图5是本发明一个实施例的牙齿齿形立体图。
图6是本发明一个实施例牙轮向下状态的正视图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的实施例。
一种三牙轮钻头，包括有三个牙掌3和安设在牙掌下端的牙轮4，三个牙掌3的上部通过组焊相联成一体构成钻头体，钻头体的上部设置有锥螺纹1，用以与钻柱联接；牙轮通过钢球20轴向定位于牙掌轴13上，在牙轮与牙掌轴间的钻头轴承6为滚柱7与弧形滑块8间隔布置的滚滑复合轴承，弧形滑块8两侧侧面10相平行并与弧形滑块中线相对称，其外圆弧11直径与牙轮内孔12直径相同，其径向厚度W大于滚柱直径d，大于量为0.08～0.20mm；其长度与滚柱相同，弧形滑块节圆弧长S(滑块与滚柱设计接触点所在圆上的弧长)与滚柱直径d之比为1.5，弧形滑块材料为工具钢，滚柱由轴承钢制成；弧形滑块8内、外圆弧面上均设置油槽33，油槽33与滑块轴向端面34的夹角为α，α为45°；内、外圆弧面上油槽设置的方向(旋向)相反，相互交错。在滑块8、滚柱7与牙掌轴13之间还设置有滑套14，滑套的单边径向厚度为2～4毫米，滑套材料为工具钢。
牙轮与牙掌轴之间采用双金属密封22进行密封。双金属密封由一对金属环25和25’和一对橡胶圈26和26’以及牙掌3根部23的密封槽27和牙轮4内孔孔口的密封槽28构成。金属环25和25’的端面30紧密接触，构成轴向端面密封，此密封为旋转动密封，与普通橡胶O形圈动密封相比，可以承受更高的牙轮牙掌之间的相对转速以及更高的环境温度，橡胶圈26和26’为O型圈，其中橡胶圈26’与牙掌3密封槽27的接触面为31，与金属环25’的接触面为29’，接触面31和29’与牙掌轴承中心线成α角，橡胶圈26与牙轮4密封槽28的接触面为32，与金属环25的接触面为29，接触面32和29与牙掌轴承中心线成β角。橡胶圈26和26’主要作用在于保证两个金属环25和25’紧密接触，同时起静密封作用。
所述的牙轮4上布设有主切削齿5和外排齿21，主切削齿5为凸形齿顶齿，即齿顶19为凸形曲面；外排齿21为楔形齿或球形齿。所述的牙掌前侧面15整体向后偏斜，向后偏斜的角度为20°～30°，与前一个牙掌的后侧面形成螺旋回流通道，钻井液冲击井底后从螺旋回流通道上返。所述的牙掌掌背的上部后侧向后延伸一段距离，形成延伸块状体，延伸块状体的回转直径略小于牙轮钻头规径，小于量为1.0～1.5mm，形成牙掌上部的保径面，该延伸块状体上镶装2～3排保径齿，每排2～3个保径齿9，间隔交错排列，保径齿处的回转半径比钻头半径小0.5mm，并且从下到上、从前到后逐渐减小，由此形成掌背上的三个保径点。此外在牙掌上安设有2～3排保径齿，每排4～8个保径齿。在牙掌掌背的上部后侧的延伸块状体内安设喷嘴座2和喷嘴16，喷嘴射流17喷射方向朝向后一个牙轮的的前方18。

Claims (11)

1.一种用于高转速钻井的三牙轮钻头，包括有三个牙掌和安设在牙掌下端的牙轮，牙轮上布设牙齿，三个牙掌的上部相联成一体构成钻头体，在钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，其特征在于牙轮与牙掌轴间的钻头轴承为滚柱与弧形滑块间隔布置的滚滑复合轴承，并且牙轮与牙掌轴间的钻头轴承密封为金属密封。
2.按权利要求1所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的滚滑复合轴承的弧形滑块外圆弧面直径与牙轮内孔直径相同，长度与滚柱相同，弧形滑块的径向厚度大于滚柱直径，大于量为0.03～2.00mm；弧形滑块节圆弧长小于或等于2倍的滚柱直径。
3.按权利要求1或2所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于在滚滑复合轴承与牙掌轴之间设置滑套；所述的滑套材料为工具钢。
4.按权利要求1或2所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的弧形滑块两侧侧面相平行；弧形滑块由工具钢或弹簧钢制成，滚柱由轴承钢制成。
5.按权利要求1或2所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的牙掌掌背的上部后侧向后延伸一段距离，形成延伸块状体，延伸块状体的回转直径略小于牙轮钻头规径，小于量为0.3～1.5mm，形成牙掌上部的保径面，延伸块状体上镶装2～3排保径齿，每排2～3个保径齿。
6.按权利要求1或2所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的弧形滑块内、外圆弧面上均设置油槽，油槽与弧形滑块轴向端面的夹角为0～75°，油槽间隔平行设置。
7.按权利要求6所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的内、外圆弧面上的油槽设置的位置和方向相互交错。
8.按权利要求1或2所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的金属密封为双金属密封，包括安设在牙掌轴上的橡胶密封圈和金属密封圈，安设在牙轮内孔的橡胶密封圈和金属密封圈，两个金属密封圈的端面配合形成旋转动密封。
9.按权利要求1或2所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的牙轮上布设的牙齿包括主切削齿和外排齿，主切削齿为凸形齿顶齿，外排齿为楔形齿或球形齿。
10.按权利要求5所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的牙掌掌背的上部后侧的延伸块状体内安设喷嘴座，喷嘴座内安设喷嘴，喷嘴射流喷射方向朝向后一个牙轮的的前方。
11.按权利要求5所述的用于高转速钻井的三牙轮钻头，其特征在于所述的牙掌前侧面整体向后偏斜，向后偏斜的角度为10°～30°，与前一个牙掌的后侧形成螺旋回流通道，钻井液冲击井底后从螺旋回流通道上返。
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