CN103410448B - 一种o形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，这种钻头实现了在超高速旋转条件下轮金属环（4）端面的轴向密封和轮O形圈（5）径向密封的双向组合密封，采用与储油囊（7）相连通的浮动套轴承，在牙轮（2）和主体（1）上针对作用区域差异镶装的PDC齿和硬质合金齿，使井底岩石全面破损效率得到提高并加强了钻头的保径效果，提高了钻头工作的稳定性，缩短了钻井周期，降低了钻井成本。

Description

一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头

技术领域

本发明属于岩石钻井用的牙轮钻头技术，具体涉及一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头。

背景技术

在岩石钻井技术中，一般以三牙轮钻头为主要工具，但是单牙轮钻头有许多特点优于三牙轮钻头：(1)国内外高转速钻井多采螺杆钻具和涡沦钻具，钻头转速为300—600r/min，属于超高转速，这是本发明开发新产品特定的超高转速范围。由于三牙轮钻头牙轮的转速是钻头转速的1.5倍，在超高转速下，牙轮转速可达到450—900r/min，而单牙轮钻头牙轮的转速是钻头转速的75%，所以说单轮钻头是减速牙轮钻头，牙轮的转速约为三牙轮钻头牙轮转速的一半。在超高转速下，单牙轮钻头牙轮的转速约为225—450r/min，因此用单轮钻头取代三牙轮钻头可以大幅度的提高钻头工作指标，降低钻井成本；(2)单牙轮钻头的球形牙轮能提供较大的轴承空间，比三个锥形牙轮提供轴承空间之和大得多，轴承承载面积是三个锥形牙轮的5.8倍，有利于最大限度地提高轴承寿命；(3)单牙轮钻头的球形牙轮能提供最大的布齿空间，使球形井底得到高效全面的破碎，提高钻头工作指标和降低钻井成本；(4)单牙轮钻头齿柱以刮削方式破碎球形井底岩石，比三牙轮钻头齿冲击破岩效率高；(5)球形牙轮强度高，能承受更大的钻压和转速。

但是，目前单牙轮钻头存在诸多缺陷，诸如：轴承密封的现有技术是采用O形橡胶圈密封轴承，在高转速条件下密封寿命低；轴承密封失效严重磨损后会发生掉牙轮事故；轴承结构、齿型和布齿设计不合理；……。上述诸多缺陷制约单牙轮钻头技术的发展和优良特性的发挥，影响单牙轮钻头的市场份额。

发明内容

针对现有技术存在的以上不足，本发明的目的在于提供一种设计完善、性能全面的O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，包括轮金属环、轮O形圈、小轴、储油囊、小轴套，上部有连接螺纹的主体，主体下方斜向伸出的大轴颈，套装在大轴颈上的牙轮，布置在牙轮上的齿柱，套装在大轴颈外壁的大轴套；所述牙轮上设有台阶状安装盲孔，台阶状安装盲孔的大孔内靠近台阶处设有内壁环形槽，大轴颈靠近其顶端面设置有与所述内壁环形槽对应的外壁环形槽，外壁环形槽和内壁环形槽内安装有连接用钢丝挡圈，抵靠在大轴颈顶端面和所述台阶状安装盲孔的台阶面设有止推圈；所述大轴颈根部设有轴台阶，牙轮的台阶状安装盲孔的大孔内靠近口部设有牙轮端槽，大轴颈根部靠近轴台阶处和牙轮端槽之间套装有轮金属环和轮O形圈，轮O形圈套在轮金属环外围；所述大轴颈顶端面上设有一小圆柱孔，小圆柱孔底部设有一个通向主体之外的传压孔，所述小轴的一端与小圆柱孔过盈配合，小轴另一端与牙轮的台阶状安装盲孔的小孔内壁之间设有小轴套；所述小轴与小圆柱孔底部之间设有一个装满钻头脂的储油囊，储油囊与贯穿设置在小轴上的通油孔连通，通油孔与设置在大轴颈外壁的储油槽连通，储油槽连通有注油孔，所述注油孔设置在大轴颈内并通往主体外。

上述技术方案的特点和进一步改进在于：

所述轮金属环的径向密封面包含斜面和平面，所述牙轮端槽底面包含与轮金属环的径向密封面对应的斜面和平面；所述轮O形圈位于轮金属环的径向密封面和牙轮端槽底面之间。

所述轮金属环的径向密封面所包含的斜面为楔形面。

所述轮大轴径的轴台阶的端面和对应的轮金属环的轴向面为滑动密封。

所述牙轮自身顶部中心设有一个小硬质合金勺形齿，其周围设有六个小硬质合金勺形齿组成的齿圈；牙轮表面上从齿圈外均匀分布十二个指向牙轮顶点的清洗槽，齿柱镶嵌在清洗槽之间的齿垄上，其排列方式从牙轮根部开始依次为：一个小PDC齿、两个大硬质合金勺形齿、两个大PDC齿。

所述主体四周均匀分布四组轴向排列的齿柱，每组齿柱从上到下分别为小硬质合金勺形齿、小PDC齿。

所述小PDC齿和小硬质合金勺形齿直径为14mm，齿高为10mm；所述大PDC齿和大硬质合金齿半径为12mm，齿高为8mm。

所述主体四周均匀分布四组轴向排列的齿柱，每组齿柱为两个小硬质合金勺形齿。

所述牙轮与大轴颈之间设置有均匀排列的大滚柱，牙轮顶部设有一个中心齿组，所述中心齿组由一颗楔形齿和两个对称设置在该颗楔形齿的齿顶线两侧的半楔形齿组成，沿所述中心齿组顶部向四周辐射设置有多个楔形齿。所述楔形齿齿顶宽2mm、齿高18mm、齿尖角40°。

本发明的具有突出的实质性特点和显著的有益效果。其中，O形圈金属环双向组合密封，同时解决了轴承的径向密封和轴向问题；采用钢丝挡圈锁紧牙轮，不会发生掉牙轮事故，在轴承密封失效严重磨损后也不会掉牙轮；优化布齿，容易实现牙轮钻头与PDC钻头一体化，推出PDC齿单牙轮钻头，最大限度地提高钻头工作指标及降低钻井成本。

本发明实现了超高速旋转条件下金属环端面的轴向动密封和0形圈径向静密封的双向组合密封，采用与储油系统一体化的高速全浮动套储油轴承，在球形牙轮上针对作用区域差异镶装的PDC齿和硬质合金齿，使井底岩石全面破损效率得到提高并加强主体保径效果，提高了钻头工作的稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头的全剖视示意图；

图2为图1中O形圈金属环双向组合密封局部视图；

图3为图1中齿柱形状图,其中图3a和图3b是PDC齿齿柱的主视图和右视图，图3c和图3d是硬质合金勺形齿齿柱的主视图和右视图；

图4为图1中的牙轮K向齿柱分布图；

图5为本发明的另一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头的结构示意图；

图6为图5中的楔形齿形状图；

图7为图5的H向视图。

在以上图中：1、主体；2、牙轮；3、轴台阶；4、轮金属环；5、轮O形圈；6、大轴套；6a、大滚柱；7、储油囊；8、小轴；9、钢丝挡圈；10、止推圈；11、小轴套；12、钻头脂；13、传压孔；14、油槽；15、通油孔；16、清洗槽；17、小硬质合金勺形齿；18、小PDC齿；19、大PDC齿；20、大硬质合金勺形齿；21、侧泥浆孔；22、连接螺纹；23、大轴颈；24、牙轮端槽；25、楔形齿；26、注油孔。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其包括轮金属环（4）、轮O形圈（5）、小轴（8）、储油囊（7）、小轴套（11），上部有连接螺纹（22）的主体（1），主体（1）下方斜向伸出的大轴颈（23），套装在大轴颈（23）上的牙轮（2），布置在牙轮（2）上的齿柱，套装在大轴颈（23）外壁的大轴套（6）；牙轮（2）上设有台阶状安装盲孔，台阶状安装盲孔的大孔内靠近台阶处设有内壁环形槽，大轴颈（23）靠近其顶端面设置有与所述内壁环形槽对应的外壁环形槽，外壁环形槽和内壁环形槽内安装有连接用钢丝挡圈（9），抵靠在大轴颈（23）顶端面和所述台阶状安装盲孔的台阶面设有止推圈（10），采用钢丝挡圈（9）锁紧牙轮（2），不会发生掉牙轮（2）事故，即使在轴承密封失效严重磨损后也不会掉牙轮（2）。在主体（1）伸出的大轴颈（23）附近还有两个互为九十度分布的侧泥浆孔（21），侧泥浆孔（21）内设有螺纹喷嘴、喷嘴密封圈和喷嘴套。从侧泥浆孔喷出的泥浆射流喷向球形牙轮的两侧，清洗球形牙轮、冷却齿柱、携带井底岩屑上返。

如图1的局部视图2中，大轴颈（23）根部设有轴台阶（3），牙轮（2）的台阶状安装盲孔的大孔内靠近口部设有牙轮端槽（24），大轴颈（23）根部靠近轴台阶（3）处和牙轮端槽（24）之间套装有轮金属环（4）和轮O形圈（5），轮O形圈（5）套在轮金属环（4）外围。轮O形圈（5）在牙轮端槽（24）底面和轮金属环（4）之间被径向压缩，形成径向密封。

大轴颈（23）顶端面上设有一小圆柱孔，小圆柱孔底部设有一个通向主体（1）之外的传压孔，小轴（8）的一端与小圆柱孔过盈配合，小轴（8）另一端与牙轮（2）的台阶状安装盲孔的小孔内壁之间设有小轴套（11）；小轴（8）与小圆柱孔底部之间设有一个装满钻头脂的储油囊（7），储油囊（7）与贯穿设置在小轴（8）上的通油孔（15）连通，通油孔（15）与设置在大轴颈（23）外壁的储油槽连通，储油槽连通注油孔（26），注油孔（26）设置在大轴颈（23）内并通往主体（1）外。大轴套（6a）、小轴套（11）和止推圈（10）与大轴颈（23）、小轴（8）、牙轮（2）形成三个浮动套轴承，在大轴套（6）、小轴套（11）和止推圈（10）上都有储油槽，这些储油槽形成通路将注油孔（26）与通油孔（15）和储油囊（7）连接起来，盖上注油孔（26）的丝堵后，可以通过储油囊（7）的弹性变形来平衡轴承内外压力差，向浮动套轴承提供钻头脂（12），保证其正常工作，其中储油囊（7）和各种轴套分别由氢化丁腈橡胶和高速工具钢制造。

轮金属环（4）的径向密封面包含斜面和平面，牙轮端槽（24）底面包含与轮金属环（4）的径向密封面对应的斜面和平面，斜面角度约为20°；轮O形圈（5）位于轮金属环（4）的径向密封面和所述牙轮端槽（24）底面之间，轮金属环（4）的径向密封面所包含的斜面为楔形面。楔形面角度约为20°，楔形面的形状使径向压力产生将轮金属环（4）推向轴台阶（3）的轴向力，轮金属环（4）各个面都进行抛光处理，轴台阶（3）与轮金属环（4）接触的轴向密封面也进行光滑处理，大轴径（23）的轴台阶（3）的端面和对应的轮金属环（4）的轴向面为滑动密封，密封面宽度为2-2.5mm。

如图1至图4所示，牙轮（2）自身顶部中心设有一个小硬质合金勺形齿（17），其周围设有六个小硬质合金勺形齿（17）组成的齿圈；牙轮（2）表面上从齿圈外均匀分布十二个指向牙轮（2）顶点的清洗槽（16），齿柱镶嵌在清洗槽（16）之间的齿垄上，其排列方式从牙轮（2）根部开始依次为：一个小PDC齿（18）、两个大硬质合金勺形齿（20）、两个大PDC齿（19）。这十二组齿柱相邻两组之间交错分布，使球形井底岩石得到高效全面破碎，每组的两个大PDC齿（19）作为其直接破碎岩石的主齿，在单牙轮钻头钻井时作用点为孔底中央区域和孔边缘区域，在牙轮（2）转动时始终接触工作面；每组的两个大硬质合金勺形齿（20）作为副齿作用在孔底中央区域和孔边缘之间的区域，在牙轮（2）转动时进行有间断的接触工作面，在牙轮（2）顶部的七个小硬质合金勺形齿（17）作为齿顶组，不间断地进行破碎已经被主齿破碎的部分岩石。如图3a、图3b、图3c和图3d所示，其中，PDC齿是由半圆金刚石层、硬质合金齿柱组成，半圆金刚石层是直接在硬质合金齿柱的斜面上烧结一层1.5-2mm厚的人造聚晶金刚石，这些人造聚晶金刚石形成的切削角度为15-20°，硬质合金勺形齿柱正面的作用面是一个勺形弧面，所有齿柱都是采用了冷压固齿工艺被压进牙轮（2）上的齿孔里。

在图1中，主体（1）四周均匀分布四组轴向排列的齿柱，每组齿柱从上到下分别为小硬质合金勺形齿（17）、小PDC齿（18）。大硬质合金勺形齿（20）和大PDC齿（19）直径为14mm，高度为10mm，小硬质合金勺形齿（17）和小PDC（18）齿直径为12mm，高度为8mm，这些齿柱和分布在牙轮（2）底部的小PDC齿（18）作为保径齿组主要防止牙轮（2）上的齿柱齿顶磨损造成井眼直径缩小，以此提高钻头工作稳定性。牙轮（2）和钻头的主体（1）上的所有大小不同的齿柱齿顶都在单牙轮钻头的光滑的外轮廓线上。

参照图5、图7，是本发明的另一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头的结构示意图，与前述O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头的区别是：主体（1）四周均匀分布四组轴向排列的齿柱，每组齿柱为两个小硬质合金勺形齿（17）。牙轮（2）与大轴颈（23）之间设置有均匀排列的大滚柱（6a），牙轮（2）顶部设有一个中心齿组，图7显示出，中心齿组由一颗楔形齿（25）和两个对称设置在该颗楔形齿（25）的齿顶线两侧的半楔形齿组成，沿所述中心齿组顶部向四周辐射设置有多个楔形齿（25），这些楔形齿（25）有十二组，每两个相邻的组之间的楔形齿（25）交错排列，以提高效率破碎岩石效率。楔形齿（25）为在牙轮体上铣成的钢齿，钢齿的表面堆焊耐1mm厚的磨合金层，以提高耐磨性能。其楔形齿具体形状如图6所示，楔形齿（25）齿顶宽为2mm，齿高为18mm，齿尖角为40°。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，包括轮金属环(4)、轮O形圈(5)、小轴(8)、储油囊(7)、小轴套(11)，上部有连接螺纹(22)的主体(1)，主体(1)下方斜向伸出的大轴颈(23)，套装在大轴颈(23)上的牙轮(2)，布置在牙轮(2)上的齿柱，套装在大轴颈(23)外壁的大轴套(6)；所述牙轮(2)上设有台阶状安装盲孔，台阶状安装盲孔的大孔内靠近台阶处设有内壁环形槽，大轴颈(23)靠近其顶端面设置有与所述内壁环形槽对应的外壁环形槽，外壁环形槽和内壁环形槽内安装有连接用钢丝挡圈(9)，抵靠在大轴颈(23)顶端面和所述台阶状安装盲孔的台阶面设有止推圈(10)；所述大轴颈(23)根部设有轴台阶(3)，牙轮(2)的台阶状安装盲孔的大孔内靠近口部设有牙轮端槽(24)，大轴颈(23)根部靠近轴台阶(3)处和牙轮端槽(24)之间套装有轮金属环(4)和轮O形圈(5)，轮O形圈(5)套在轮金属环(4)外围；所述大轴颈(23)顶端面上设有一小圆柱孔，小圆柱孔底部设有一个通向主体(1)之外的传压孔，所述小轴(8)的一端与小圆柱孔过盈配合，小轴(8)另一端与牙轮(2)的台阶状安装盲孔的小孔内壁之间设有小轴套(11)；所述小轴(8)与小圆柱孔底部之间设有一个装满钻头脂的储油囊(7)，储油囊(7)与贯穿设置在小轴(8)上的通油孔(15)连通，通油孔(15)与设置在大轴颈(23)外壁的储油槽连通，储油槽连通有注油孔，所述注油孔设置在大轴颈内并通往主体外；

所述牙轮(2)自身顶部中心设有一个小硬质合金勺形齿(17)，其周围设有六个小硬质合金勺形齿(17)组成的齿圈；牙轮(2)表面上从齿圈外均匀分布十二个指向牙轮(2)顶点的清洗槽(16)，齿柱镶嵌在清洗槽(16)之间的齿垄上，其排列方式从牙轮(2)根部开始依次为：一个小PDC齿(18)、两个大硬质合金勺形齿(20)、两个大PDC齿(19)。

2.根据权利要求1所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述轮金属环(4)的径向密封面包含斜面和平面，所述牙轮端槽(24)底面包含与轮金属环(4)的径向密封面对应的斜面和平面；所述轮O形圈(5)位于所述轮金属环(4)的径向密封面和所述牙轮端槽(24)底面之间。

3.根据权利要求2所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述轮金属环(4)的径向密封面所包含的斜面为楔形面。

4.根据权利要求1所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述大轴颈(23)的轴台阶(3)的端面和对应的轮金属环(4)的轴向面为滑动密封。

5.根据权利要求1所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述主体(1)四周均匀分布四组轴向排列的齿柱，每组齿柱从上到下分别为小硬质合金勺形齿、小PDC齿。

6.根据权利要求1所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述主体(1)四周均匀分布四组轴向排列的齿柱，每组齿柱为两个小硬质合金勺形齿(17)。

7.根据权利要求1所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述牙轮(2)与大轴颈(23)之间设置有均匀排列的大滚柱(6a)，牙轮(2)顶部设有一个中心齿组，所述中心齿组由一颗楔形齿(25)和两个对称设置在该颗楔形齿(25)的齿顶线两侧的半楔形齿组成，沿所述中心齿组顶部向四周辐射设置有多个楔形齿(25)。

8.根据权利要求7所述的一种O形圈金属环双向组合密封的储油单牙轮钻头，其特征在于，所述楔形齿(25)齿顶宽2mm、齿高18mm、齿尖角40°。