CN103758459B - 防止孔壁塑性变形的牙齿齿形与镶装方法 - Google Patents
防止孔壁塑性变形的牙齿齿形与镶装方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，包括齿柱和齿冠，齿柱包括圆柱形齿柱和变截面齿柱，变截面齿柱位于圆柱形齿柱和齿冠之间，变截面齿柱与圆柱形齿柱相接处形成台阶，牙齿以圆柱形齿柱的纵截面对称。本发明牙轮钻头牙齿在不改变现有牙齿基本尺寸、牙齿加工工艺、镶装工艺、镶齿过盈量的基础上，通过对牙齿齿柱上部齿柱形状进行改进，使得钻井过程中牙齿受侧向载荷作用时齿孔壁的受力状态得到改善，避免齿孔壁材料塑性变形过大，可有效防止齿孔壁塑性变形，工作性能更加稳定、可靠，从而提高牙齿的防掉能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油、地质或者其他地壳上钻井的牙轮钻头用牙齿，尤其涉及一种防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，属于牙轮钻头技术领域。
背景技术
目前，牙轮钻头已有齿的形状有楔形齿、球形齿和锥形齿等，无论哪种牙齿，均是通过镶齿工艺完成牙齿的装配。但对现有牙轮钻头而言，齿孔壁在镶齿完成后，其孔口附近材料达到屈服状态，使得在工作过程中，在牙齿受到侧向载荷作用后孔口附近齿孔壁材料易发生塑性变形，造成掉齿现象的发生。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，解决现有镶齿工艺完成的牙齿在工作过程中容易出现掉齿现象的技术问题，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现：
一种防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，包括齿柱和齿冠，齿柱包括圆柱形齿柱和变截面齿柱，变截面齿柱位于圆柱形齿柱和齿冠之间，变截面齿柱与圆柱形齿柱相接处形成台阶，牙齿以圆柱形齿柱的纵截面对称。
作为优选，以圆柱形齿柱上底面的中心为圆心，以该上底面的水平中心线为水平基线，以该上底面的竖直中心线为竖直基线；以水平基线与圆柱形齿柱上棱边于位于台阶侧的相交点为P点；以台阶侧对应的变截面齿柱水平投影与水平基线在台阶平面上的交点为G点，该G点到P点的距离为台阶的中点深度δ，δ≤5mm；台阶起始点和圆心的连线与水平基线形成的扇形角为中心半角α，10°≤α≤90°；以台阶侧对应的变截面齿柱水平投影起点为f点，f点与其竖向对应的圆柱形齿柱的边沿的竖向距离为起点深度ε，ε≤5mm；所述变截面齿柱的高度h≤3mm。
进一步优选方式之一，变截面齿柱所形成的台阶与圆柱形齿柱相交的线为竖直线、斜线、内凹圆弧或者外凸圆弧。
进一步优选方式之二，所述变截面齿柱与圆柱形齿柱之间所形成的台阶可为整体台阶形式。
作为优选方式之一：所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为三段弧形，第二段弧形起始点和圆心的连线与水平基线之间形成的角度为β角；f点到P点的距离为Δ；其δ≤4mm，Δ≤5mm，ε≤4mm，20°≤α≤90°,10°≤β≤80°,台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
作为优选方式之二：所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为椭圆弧，台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的任一形式。
作为优选方式之三：所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为直线。
作为优选方式之四：所述变截面齿柱台阶侧对应齿柱面的母线为与水平基线成夹角θ的斜线，变截面齿柱的高度为h≤3mm，10≤θ≤90°，台阶的外边沿曲线为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
作为优选方式之五：所述变截面齿柱台阶侧对应齿柱面的母线为内凹圆弧，变截面齿柱高度为h≤3mm，R=2-49mm，台阶的外边沿曲线为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
作为优选方式之六：所述变截面齿柱台阶侧对应齿柱面的母线为外凸圆弧，变截面齿柱高度为h≤3mm，R=8-36mm，台阶的外边沿曲线为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
在镶装工艺中，将牙齿相对于牙轮锥体母线偏转角度γ，0°≤γ≤45°，使得牙齿对称面法向与牙齿刮切方向垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明牙轮钻头牙齿可有效防止齿孔壁塑性变形，工作性能更加稳定、可靠，从而提高牙齿的防掉能力；具体来说，具备以下特点：
1.在不改变现有牙齿基本尺寸、牙齿加工工艺、镶装工艺、镶齿过盈量的基础上，通过对牙齿齿柱上部齿柱形状进行改进，使得钻井过程中牙齿受侧向载荷作用时齿孔壁的受力状态得到改善，避免齿孔壁材料塑性变形过大，使得牙齿防掉能力更强、工作性能更稳定；
2.在镶齿阶段，随着牙齿的压入，圆柱形齿柱与变截面齿柱在径向方向的尺寸差异，使得位于变截面齿柱一侧的孔壁材料经历塑性强化后产生一定的弹性回复，孔口直径随之变小，孔口部位对牙齿起到限位作用，同时将牙齿相对于牙轮锥体母线偏转一定角度γ,使得使得台阶对称面法向与牙齿刮切方向垂直，可在钻井过程中牙齿受侧向载荷作用时使齿孔壁的受力状态得到改善，利用偏转镶装工艺避免齿孔在孔壁压缩方向上塑性变形过大，可有效防止齿孔壁塑性变形，工作性能更加稳定、可靠。
附图说明
图1是本发明牙轮钻头牙齿的立体结构示意图；
图2是本发明牙轮钻头牙齿的正面结构示意图；
图3是本发明牙轮钻头牙齿实施例1的结构示意图；
图4是本发明牙轮钻头牙齿实施例1的偏转镶装示意图；
图5是本发明牙轮钻头牙齿实施例2的结构示意图；
图6是本发明牙轮钻头牙齿实施例3的结构示意图；
图7是本发明牙轮钻头牙齿实施例4的结构示意图；
图8是本发明牙轮钻头牙齿实施例5的结构示意图；
图9是本发明牙轮钻头牙齿实施例6的结构示意图；
图10是本发明牙轮钻头牙齿实施例7的结构示意图；
图11是本发明牙轮钻头牙齿实施例8的结构示意图；
图12是本发明牙轮钻头牙齿实施例9的结构示意图；
图13是本发明牙轮钻头牙齿实施例10的结构示意图；
图14是本发明牙轮钻头牙齿实施例11的结构示意图。
图中：1-齿柱，2-齿冠，3-圆柱形齿柱，4-变截面齿柱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
如图1-图14所示，一种防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，包括齿柱1和齿冠2，齿柱1包括圆柱形齿柱3和变截面齿柱4，变截面齿柱4位于圆柱形齿柱3和齿冠2之间，变截面齿柱4与圆柱形齿柱3相接处形成台阶，牙齿以圆柱形齿柱3的纵截面对称。
以圆柱形齿柱3上底面的中心为圆心，以该上底面的水平中心线为水平基线，以该上底面的竖直中心线为竖直基线；以水平基线与圆柱形齿柱3上棱边于位于台阶侧的相交点为P点；以台阶侧对应的变截面齿柱4水平投影与水平基线在台阶平面上的交点为G点，该G点到P点的距离为台阶的中点深度δ，δ≤6mm；台阶起始点和圆心的连线与水平基线形成的扇形角为中心半角α，10°≤α≤90°；以台阶侧对应的变截面齿柱4水平投影起点为f点，f点与其竖向对应的圆柱形齿柱3的边沿的竖向距离为起点深度ε，ε≤6mm；所述变截面齿柱4的高度h≤3mm。
在镶装工艺中，将牙齿相对于牙轮锥体母线偏转角度γ，0°≤γ≤45°，使得牙齿对称面法向与牙齿刮切方向垂直。
实施例1，如图3、图4所示：
所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为椭圆弧时，其ε=0.39mm，α=66°,δ=0.5mm,台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的任一形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。在镶装工艺中将牙齿相对于牙轮锥体母线偏转角度γ=30°,使得台阶对称面法向与牙齿刮切方向垂直。由于圆柱形齿柱与变截面齿柱在径向方向的尺寸差异，使得位于变截面齿柱一侧的孔壁材料经历塑性强化后产生一定的弹性回复，孔口直径随之变小，孔口部位对牙齿起到限位作用，即在不改变镶齿过盈量的基础上，使得牙齿防掉能力更强、工作性能更稳定。
实施例2，如图5所示：
所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为直线时，其δ=0.5mm。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例3，如图6所示：
所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为三段圆弧时，其中ε=0.39mm，α=65°,δ=0.39mm，Δ=3mm,β=29°，台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例4，如图7所示：
所述变截面齿柱台阶侧对应的齿柱面的母线为斜线时，其中h=3mm，θ=80°，台阶的外边沿曲线可为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例5，如图8所示：
所述变截面齿柱台阶侧对应的齿柱面的母线为内凹圆弧时，其中h=3mm，R=8.74mm，其中台阶的外边沿曲线可为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例6，如图9所示：
所述变截面齿柱台阶侧对应的齿柱面的母线为外凸圆弧时，其中h=3mm，R=8.98mm，其中台阶的外边沿曲线可为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例7，如图10所示：
当牙齿台阶为整体台阶时，所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为椭圆弧时，其δ=0.5mm，ε=0.39mm,台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的任一形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例8，如图11所示：
当牙齿台阶为整体台阶时，所述变截面齿柱与圆柱形齿柱形成的边沿线为六段弧形时，其中δ=0.39mm，ε=0.27mm，β=29°,台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例9，如图12所示：
当牙齿台阶为整体台阶时，所述变截面齿柱柱面的母线为斜线时,变截面齿柱高度为h=3mm，θ=80°，其中台阶的外边沿曲线可为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例10，如图13所示：
当牙齿台阶为整体台阶时，所述变截面齿柱柱面的母线为内凹圆弧,变截面齿柱高度为h=3mm，R=8.74mm，其中台阶的外边沿曲线可为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
实施例11，如图14所示：
当牙齿台阶为整体台阶时，所述变截面齿柱柱面的母线为外凸圆弧,变截面齿柱高度为h=3mm，R=8.98mm，其中台阶的外边沿曲线可为圆、椭圆或者样条曲线中的任意组合形式。变截面齿柱的上端与齿冠渐变过渡。其作用原理与实施例1类同。
在现有牙轮钻头牙齿基础上，不改变牙齿基本尺寸、牙齿加工工艺、镶装工艺、镶齿过盈量，改变牙齿齿柱上部形状，即此时齿柱由圆柱形齿柱和变截面齿柱两部分组成,变截面齿柱位于圆柱形齿柱和齿冠之间，变截面齿柱与圆柱形齿柱之间形成中心角为2α的部分台阶或中心角为360°的整体台阶，同时在镶装工艺中将牙齿相对于牙轮锥体母线偏转一定角度γ,使得台阶对称面法向与牙齿刮切方向垂直。根据不同地层条件,只要各牙轮不同齿圈采用不同的变截面齿柱高度和牙齿镶装偏转角,而不改变其它结构参数,即可在钻井过程中牙齿受侧向载荷作用时使齿孔壁的受力状态得到改善，利用偏转镶装齿避免齿孔在孔壁压缩方向上塑性变形过大，可有效防止齿孔壁塑性变形，工作性能更加稳定、可靠，从而提高牙齿的防掉能力。在不影响齿孔壁受力的情况下，可在变截面齿柱与齿孔壁之间填充较软的缓冲物质，可防止泥浆中固相颗粒进入齿孔，影响齿孔配合效果。因为本发明中牙齿的防掉能力得到增强，所以本发明中所述齿形不仅可用于目前常规钻井作业，还可用于地热井等非常规井的作业开发。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，包括齿柱(1)和齿冠(2)，其特征在于：齿柱(1)包括圆柱形齿柱(3)和变截面齿柱(4)，变截面齿柱(4)位于圆柱形齿柱(3)和齿冠(2)之间，变截面齿柱(4)与圆柱形齿柱(3)相接处形成台阶，牙齿以圆柱形齿柱(3)的纵截面对称；其中，以圆柱形齿柱(3)上底面的中心为圆心，以该上底面的水平中心线为水平基线，以该上底面的竖直中心线为竖直基线；以水平基线与圆柱形齿柱(3)上棱边于位于台阶侧的相交点为P点；以台阶侧对应的变截面齿柱(4)水平投影与水平基线在台阶平面上的交点为G点，该G点到P点的距离为台阶的中点深度δ，δ≤5mm；台阶起始点和圆心的连线与水平基线形成的扇形角为中心半角α，10°≤α≤90°；以台阶侧对应的变截面齿柱(4)水平投影起点为f点，f点与对应的圆柱形齿柱(3)的边沿的竖直方向向距离为起点深度ε，ε≤5mm；所述变截面齿柱(4)的高度h≤3mm。
2.如权利要求1所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，其特征在于：变截面齿柱(4)所形成的台阶与圆柱形齿柱(3)相交的线为竖直线、斜线、内凹圆弧或者外凸圆弧；或者所述变截面齿柱(4)与圆柱形齿柱(3)之间所形成的台阶为整体台阶形式。
3.如权利要求2所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，其特征在于：所述变截面齿柱(4)与圆柱形齿柱(3)形成的边沿线为三段弧形，第二段弧形起始点和圆心的连线与水平基线之间形成的角度为β角；f点到P点的距离为Δ；其δ≤4mm，Δ≤5mm，ε≤4mm，20°≤α≤90°,10°≤β≤80°,台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
4.如权利要求2所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，其特征在于：所述变截面齿柱(4)与圆柱形齿柱(3)形成的边沿线为椭圆弧，台阶的外边沿曲线Α为圆、椭圆或者样条曲线中的任一形式。
5.如权利要求2所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿，其特征在于：所述变截面齿柱(4)与圆柱形齿柱(3)形成的边沿线为直线。
6.如权利要求2所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿,其特征在于:所述变截面齿柱(4)台阶侧对应齿柱面的母线为与水平基线成夹角θ的斜线，10°≤θ≤90°，台阶的外边沿曲线为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
7.如权利要求2所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿,其特征在于:所述变截面齿柱(4)台阶侧对应齿柱面的母线为内凹圆弧，R＝2-49mm，台阶的外边沿曲线为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
8.如权利要求2所述的防止孔壁塑性变形的牙轮钻头牙齿,其特征在于:所述变截面齿柱(4)台阶侧对应齿柱面的母线为外凸圆弧，R＝8-36mm，台阶的外边沿曲线为圆、椭圆或者样条曲线中的一种或者多种组合。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的牙齿镶装方法，其特征在于：在镶装工艺中，将牙齿相对于牙轮锥体母线偏转角度γ，0°≤γ≤45°，使得牙齿对称面法向与牙齿刮切方向垂直。
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