CN103015900A - 一种牙轮钻头的牙齿 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种牙轮钻头的牙齿，包括齿柱部分和齿冠部分，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β；所述齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上有一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，其值为θ=β+α，且α不等于90o-β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段与钻柱轴线垂直。本发明牙齿的钻头轴倾角β无论等于0°与否，均能够使岩石对牙齿的反作用力平行于钻柱轴线，确保牙齿只能轴向受力，进行轴向的切削，不会产生侧向力，有效提高了钻头的稳定性，破岩效率高，降低、甚至杜绝钻进井眼的偏移，有利于保证钻井质量。
Description
技术领域
本发明涉及钻头，具体是一种牙轮钻头的牙齿。
背景技术
牙轮钻头主要由牙轮壳体和布置于牙轮壳体上的多个牙齿构成，是一种应用广泛的钻削岩层工具。目前，常用的牙齿有楔形齿、锥球齿、球齿等，这些牙齿均由齿柱部分和齿冠部分组成，齿柱部分为圆柱形，安装时齿柱部分被过盈镶嵌进牙轮壳体的齿孔中，使牙齿与牙轮壳体成为一体，齿冠部分凸起裸露在牙轮壳体表面，在钻井过程中，齿冠部分直接与岩石接触，参与破碎岩石。因而，牙齿的齿冠部分结构直接决定了牙轮钻头的运动性能及对岩石的破碎性能。
上述常用牙齿的齿冠部分基本采用回转体结构，现以楔形齿做详细说明。楔形齿齿冠部分是一截头圆锥，在圆锥表面对称加工有两个斜面，形成顶窄、底宽的楔形状，齿冠部分的齿顶为具有一定宽度的平面，齿顶平面上的齿顶线与齿柱轴线垂直，在钻井过程中，齿冠部分的齿顶最先吃入岩石。由于牙轮壳体的牙齿布齿表面为近似球面结构，而牙轮壳体上的齿孔轴线一般与牙轮布齿表面是近于垂直的，使得牙轮壳体上产生牙轮布齿面半锥角α，布置于牙轮壳体上的楔形齿的齿柱轴线与钻柱轴线之间产生钻头轴倾角β。这样的话，在钻井过程中，牙轮壳体上布置的楔形齿受力分成两种情况（参见图1）。其一，少部分楔形齿的钻头轴倾角β等于0°，当楔形齿随牙轮转动处于最低位时，楔形齿的齿柱轴线与钻柱轴线处于平行，楔形齿齿冠部分的齿顶线与钻柱轴线垂直，岩石对楔形齿的反作用力F平行于钻柱轴线，楔形齿只能轴向受力，几乎不会产生侧向力，进而对井底岩石进行轴向的切削，切削效果优异；其二，大部分楔形齿的钻头轴倾角β不等于0°，当楔形齿随牙轮转动处于最低位时，楔形齿的齿柱轴线与钻柱轴线倾斜形成交叉，楔形齿齿冠部分的齿顶线与钻柱轴线亦形成倾斜交叉，岩石对楔形齿的反作用力F就始终无法与钻柱轴线平行，而是分解为平行于钻柱轴线方向的分力F1和垂直于钻柱轴线方向的分力F2，各楔形齿平行于钻柱轴线方向的分力F1平衡总钻压，F2则成为钻头所受的侧向力，该侧向力通过钻头直接作用在井壁上，对井壁形成侧向切削，进而造成井斜。
通过上述分析我们可以清楚的看出，在钻井过程中，牙轮壳体上布置的牙齿受力分成两种情况的现象，是由牙齿齿冠部分的结构所决定，齿冠部分结构对整个牙齿所受的岩石反作用力有很大的影响，进而直接影响钻头切削方向。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有牙轮壳体上牙齿的受力现象，提供一种牙轮钻头的牙齿，该牙齿钻进稳定、破岩效率高、能够有效减小钻头的侧向受力。
本发明采用的技术方案是：一种牙轮钻头的牙齿，包括齿柱部分和齿冠部分，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β；所述齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上有一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，其值为θ=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段与钻柱轴线垂直。
进一步的，所述齿柱部分与齿冠部分倾斜相贯，齿柱轴线与齿冠轴线相交形成夹角φ，其值为φ=90o-（β+α）。
本发明的有益效果是：上述牙齿的齿冠部分具有一个投影轮廓呈直线段的面，且该面上的直线在牙齿随牙轮转动至最低位时，与钻柱轴线垂直，牙齿通过该投影轮廓呈直线段的面最先吃入岩石，对岩石进行切削，这就使牙齿的钻头轴倾角β无论等于0°与否，均能够使岩石对牙齿的反作用力平行于钻柱轴线，确保牙齿只能轴向受力，进行轴向的切削，不会产生侧向力，有效提高了钻头的稳定性，破岩效率高，降低、甚至杜绝钻进井眼的偏移，有利于保证钻井质量。
附图说明
下面结合附图对本发明的内容作进一步的说明。
图1是牙轮壳体上布置的楔形齿受力示意图。
图2是本发明的一种结构示意图。
图3是本发明的另一种结构示意图。
图4是牙轮壳体上布置的本发明受力示意图。
具体实施方式
实施例1
参见图2和图4：本发明包括齿柱部分1和齿冠部分2，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β。齿冠部分2为楔形状锥体，即在锥体曲面上对称切削有两块斜平面，将锥体曲面的顶端作截头处理，使齿冠部分2的顶部具有一平面的顶面，齿冠部分2顶面的一端被切除形成一个新平面，该新平面从齿冠部分2在垂直于钻柱轴线3方向的投影轮廓上看上去为一直线段5，该直线段5与齿柱轴线4相交形成夹角θ，夹角θ值=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段5应当与钻柱轴线3垂直。这样的话，无论本发明的钻头轴倾角β等于0°与否，均能够使本发明切削井底底面岩石时，齿冠部分的一个面与钻柱轴线垂直，在牙轮旋转钻进过程中，牙轮上所有正在切削井底底面岩石的牙齿都有一个与钻柱轴线垂直的面，通过该面对岩石最先吃入、并进行切削，切削形成的井底岩石表面呈阶梯状，岩石对牙齿的反作用力F垂直向上，平行于钻柱轴线，确保牙齿只能轴向受力，不会产生侧向力。
实施例2
参见图3：本实施例的其他内容与实施例1相同，不同之处在于：整体结构的齿冠部分2在齿柱部分1上形成了弯头状，即齿柱部分1与齿冠部分2倾斜相贯成整体结构，齿柱轴线4与齿冠轴线6相交形成夹角φ，夹角φ=90o-（β+α）。
实施例3
本发明包括齿柱部分和齿冠部分，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β。齿冠部分为锥球状，即齿冠部分的顶面为球形面，该球形面被切除一部分，形成一个平面，要求该平面从齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上看上去为一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，夹角θ值=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该投影直线段应当与钻柱轴线垂直，即齿冠部分被切割加工出来的平面在切削井底底面岩石时，平面上的线与钻柱轴线垂直。
实施例4
本发明包括齿柱部分和齿冠部分，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β。齿冠部分为马勺状锥体，即在锥体曲面上加工有一内凹曲面，将锥体曲面的顶端作截头处理，使齿冠部分的顶部具有一平面的顶面，齿冠部分顶面的一端被切除形成一个新平面，该新平面从齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上看上去为一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，夹角θ值=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段应当与钻柱轴线垂直。
实施例5
本发明包括齿柱部分和齿冠部分，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β。齿冠部分为楔形状锥体，即在锥体曲面上对称切削有两块斜平面，将锥体曲面的顶端作截头处理，使齿冠部分的顶部具有一平面的顶面，齿冠部分顶面的一端被切割形成一个外凸的曲面，该外凸曲面从齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上看上去为一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，夹角θ值=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段应当与钻柱轴线垂直，即齿冠部分被切割加工出来的外凸曲面在切削井底底面岩石时，曲面表面上平行于曲面轴线的线与钻柱轴线垂直。
实施例6
本发明包括齿柱部分和齿冠部分，两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β。齿冠部分为楔形状锥体，即在锥体曲面上对称切削有两块斜平面，将锥体曲面的顶端作截头处理，使齿冠部分的顶部具有一平面的顶面，齿冠部分顶面的一端被切割形成一个内凹的曲面，该内凹曲面从齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上看上去为一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，夹角θ值=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段应当与钻柱轴线垂直，即齿冠部分被切割加工出来的内凹曲面在切削井底底面岩石时，曲面表面上平行于曲面轴线的线与钻柱轴线垂直。
实施例7
本发明在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β。本发明包括齿柱部分和齿冠部分，齿冠部分在齿柱部分上形成了弯头状，即齿柱部分与齿冠部分倾斜相贯成整体结构，齿柱轴线与齿冠轴线相交形成夹角φ，夹角φ=90o-（β+α）。齿冠部分为球状，即齿冠部分的顶面为球形面，该球形面被切除一部分，形成一个平面，要求该平面从齿冠部分在垂直于钻柱轴线方向的投影轮廓上看上去为一直线段，该直线段与齿柱轴线相交形成夹角θ，夹角θ值=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该投影直线段应当与钻柱轴线垂直，即齿冠部分被切割加工出来的平面在切削井底底面岩石时，平面上的线与钻柱轴线垂直。
Claims (2)
1. 一种牙轮钻头的牙齿，包括齿柱部分（1）和齿冠部分（2），两部分为整体结构，牙齿在牙轮上具有特征参数：牙轮布齿面半锥角α、钻头轴倾角β；其特征在于，所述齿冠部分（2）在垂直于钻柱轴线（3）方向的投影轮廓上有一直线段（5），该直线段（5）与齿柱轴线（4）相交形成夹角θ，其值为θ=β+α，且α不等于90o -β，当牙齿随牙轮转动处于最低位时，该直线段（5）与钻柱轴线（3）垂直。
2.根据权利要求1所述牙轮钻头的牙齿，其特征在于，所述齿柱部分（1）与齿冠部分（2）倾斜相贯，齿柱轴线（4）与齿冠轴线（6）相交形成夹角φ，其值为φ=90o-（β+α）。
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