CN104389524A - 一种倒锥齿根镶齿钻头及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒锥齿根镶齿钻头及其加工方法，涉及各类钻井工程中使用的钻头，包括设于钻头上的牙齿，所述牙齿通过其齿根镶固于钻头上的齿孔内，其特征在于：齿孔孔口直径小于齿孔内最大直径，牙齿齿根与孔口匹配处的直径小于齿根下部最大直径，所述牙齿的齿根与齿孔通过过盈配合镶固。加工方法包括：在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内，且该温差条件下的齿孔与牙齿的相对过盈量小于装配好后的齿孔与牙齿等温时的过盈量。本发明的牙齿和齿孔的结合形式可显著提高牙齿的镶固强度，增强钻头的固齿能力，有效防止掉齿，提高镶齿钻头对高温环境的适应能力，提高钻头钻井效率，降低钻井成本。

Description

一种倒锥齿根镶齿钻头及其加工方法

技术领域

本发明涉及各类钻井工程中使用的钻头，尤其涉及石油天然气钻井工程中使用的镶齿牙轮钻头。 

背景技术

钻井工程中使用的牙轮钻头按照牙齿齿型及材料可分为铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头，镶齿牙轮钻头的牙齿一般采用硬质合金材料。由于镶齿牙轮钻头的硬质合金齿的耐磨性和强度等机械性能均优于铣齿牙轮钻头的牙齿，其在钻井作业中应用非常广泛。现有镶齿牙轮钻头是把圆柱形牙齿的齿根压入牙轮壳体上的圆柱形齿孔内，牙齿的齿根与齿孔之间通过过盈配合或焊接的方式固结在一起，过盈配合固齿通过齿孔的过盈变形所产生的应力将牙齿抱紧固定。然而，近年来，随着油气钻井技术的发展，钻井深度不断加大，地层温度和复杂性不断提高，并且随着地热钻井的发展，钻井施工中井底温度越来越高。镶齿牙轮钻头的掉齿是牙轮钻头失效的主要形式之一，在高温地层，掉齿失效更为明显。这主要是由于在温度较高时，齿孔和牙齿受热膨胀，牙轮材料的热膨胀系数一般大于牙轮上牙齿材料的热膨胀系数，这将降低齿孔与牙齿之间的有效过盈量，从而降低齿孔对牙齿的紧固强度；且受热后，即使过盈量不变，在较高温度下齿孔对牙齿的紧固力也会下降。这些均会加剧钻头的掉齿失效。 

发明内容

本发明的目的在于：提出一种倒锥齿根镶齿钻头及其加工方法，其牙齿和齿孔的结合形式可减小钻头的掉齿，明显延长钻头寿命，从而提高钻头钻井进尺和钻井效率，降低钻井成本。 

本发明的目的通过下述技术方案来实现： 

一种倒锥齿根镶齿钻头，包括设于钻头上的牙齿，所述牙齿通过其齿根镶固于齿孔内，齿孔孔口直径小于齿孔内最大直径，牙齿齿根与孔口匹配处的直径小于齿根下部最大直径，所述牙齿的齿根与齿孔通过过盈配合镶固。 

上述方案中，齿孔孔口直径小于齿孔内最大直径，牙齿齿根与孔口匹配处的直径小于齿根下部最大直径，牙齿的齿根与齿孔通过过盈配合镶固。这种固齿方式，使牙齿倒锥形的齿根被倒锥形的齿孔抱拉，齿孔将牙齿抱拉紧固在齿孔内，不易掉齿。 

当遇到较高井底温度时，即使齿孔与齿根之间的过盈量发生变化，倒锥形齿孔对倒锥形齿根产生楔形效应，牙齿将很难从齿孔脱出掉落。 

倒锥齿根的镶齿可使牙齿和齿孔之间的配合过盈量远小于圆柱齿和圆柱孔等常规镶齿的配合过盈量，却能取得更佳的固齿效果，同时更小的过盈量使得孔口薄弱处的应力更小，在严苛的实际井下作业中，孔口更难以被破坏，从而进一步减少掉齿。即使在较大载荷下，齿孔有塑性变形或破坏，由于牙齿与齿孔间镶固部分为倒锥形，牙齿与齿孔在倒锥形结构的倒锥抱拉效果和楔形效应作用下，能保持牙齿不掉落，减少牙齿掉落失效的几率。 

现有圆柱齿和圆柱孔的常规镶齿中，齿孔孔口处的应力集中非常突出，齿孔孔口处的应力明显大于其他地方的应力，牙齿工作过程中在载荷力及冲击的作用下，往往是齿孔孔口处先发生塑变、裂纹或压溃等破坏，使牙齿有效紧固长度、面积和紧固力减小，致使牙齿掉落。本申请不仅可改善孔口应力状况，而且还能改善牙齿工作受载过程中牙齿及齿孔，特别是齿孔最薄弱处——孔口的应力情况：镶固在钻头上的牙齿，特别是镶齿牙轮钻头牙轮上的牙齿，在工作时牙齿同时受到轴向和侧向(垂直牙齿轴向)的载荷，其中使最薄弱、应力最集中且最易损坏的孔口发生破坏的是侧向载荷，轴向载荷不会增大齿孔孔口应力。在牙齿工作受载时，轴向载荷将使牙齿向齿孔底变形移动(较小位移的移动，当载荷消失后位移又会恢复)，由于本发明的牙齿齿根及齿孔均为倒锥形，轴向载荷使牙齿向齿孔底变形移动后，与齿孔孔口匹配的牙齿齿根截面下移，较小的齿根上部截面与齿孔孔口配合，齿孔孔口与齿根之间的配合过盈量将变小，其能明显改善齿孔孔口的应力。并且，在轴向载荷的作用下，锥形牙齿向齿孔底变形移动时能明显改善减小整个齿孔壁和齿孔孔口的应力情况。在工作载荷作用下，即使同时有侧向载荷的作用，倒锥形齿孔和牙齿能优化牙齿及齿孔的工况。而现有圆柱齿和圆柱孔的常规镶齿，无论轴向载荷如何，由于牙齿和齿孔均为圆柱状，牙齿向下变形运动将不会改变齿孔孔口和齿孔壁的应力状况，在侧向载荷作用下圆柱形镶齿的齿孔孔口及孔壁极易发生破坏，而催生牙齿掉落。 

因此，本发明不仅在结构上能改善牙齿与齿孔的镶固应力、固持可靠性，而且在工作受力原理上能改善牙齿工作过程中的应力工况，即在工作机理上改善优化牙齿与齿孔的互作用关系，提高固齿可靠性，减少钻头掉齿几率。 

该方案虽然在结构上看似简单，但由于上百年历史以来钻头牙齿安装方式已几乎定型，成为定律，在惯性思维和相关技术的制约下，现有技术中从未出现本申请的这种方案，本申请是一种实际上突破性的钻头技术。 

作为选择1，所述齿孔的孔口直径比齿孔内最大直径小0.1％～1％。 

上述方案中，由于齿根与齿孔间为过盈配合，齿孔的孔口直径与齿孔内最大直径相差不宜过大，如过大将不便于牙齿镶入齿孔；但相差也不能太小，太小将难达到倒锥抱拉的效果和楔形效应。 

作为选择2，所述牙齿的齿根为上小下大的圆台形；所述齿孔为口小底大的圆台形。 

上述方案中，齿根、齿孔为上小下大的圆台形时便于加工实现，且能相对高效地批量生产。 

作为进一步选择3，所述牙齿的齿根圆台、齿孔圆台的锥度范围为：1:500～1:100。 

上述方案中，锥度太小将难以达到倒锥抱紧效果和楔形效应，锥度过大不便牙齿镶装于齿孔内。 

作为选择4，所述钻头为牙轮钻头，所述牙齿镶固于钻头的牙轮上。 

前述倒锥齿根镶齿钻头的加工方法，包括：在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内，且该温差条件下的齿孔与牙齿的相对过盈量小于装配好后的齿孔与牙齿等温时的过盈量。 

在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内时，齿孔温度最高不高于200℃。因为，在较高的温度下，齿孔材料的金相组织可能会发上变化，这将改变齿孔材料的力学性能。齿孔材料多为低碳钢，其在200℃以内一般不会发生金相组织的变化。 

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。如本发明，各选择即可和主方案及其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，在此不做穷举。 

本发明的有益效果：镶齿牙轮钻头在高温环境下工作时，牙齿和牙轮因温度升高而发生金属软化，加上外力作用，齿孔尺寸扩大。但采用倒锥齿根齿及对应齿孔，即使齿孔孔口尺寸有所扩大，因为齿根最大横截面尺寸大于齿孔最小横截面尺寸，且齿根最大横截面尺寸位置低于齿孔最小横截面尺寸位置，所以牙齿不会从齿孔中脱出。 

附图说明

图1是本发明倒锥齿根镶齿钻头为牙轮钻头时的结构示意图； 

图2是本发明倒锥齿根镶齿钻头为牙轮钻头时的牙轮及镶齿的剖视示意图； 

图3为本发明锥形牙齿齿根和锥形齿孔配合关系示意图； 

图中，1为牙轮钻头的牙轮轴，2为牙轮轴承密封，3为牙轮，31为齿孔，4为牙轮上的牙齿，41为牙齿的齿根，5为牙轮锁紧滚珠，6为钻头体，9为牙轮牙掌。 

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。 

基本例，如图1至图3所示，一种倒锥齿根镶齿钻头，包括设于钻头上的牙齿，牙齿通过其齿根镶固于钻头上的齿孔内，以本实施例为例，钻头为牙轮钻头，牙齿4镶固于牙轮3上。齿孔31孔口直径小于齿孔31内最大直径，牙齿4的齿根41为上小下大的圆台形 牙齿4齿根41与孔口匹配处的直径小于齿根41下部最大直径，牙齿4的齿根41与齿孔31通过过盈配合镶固。 

作为选择例1，齿孔31孔口直径比齿孔31内最大直径小0.1～1％。由于齿根与齿孔间为过盈配合，齿孔的孔口直径与齿孔内最大直径相差不宜过大，如过大将不便于牙齿镶入齿孔；但相差也不能太小，太小将难达到倒锥抱拉的效果和楔形效应。 

作为选择例2，牙齿4的齿根41圆台的锥度为：1:500～1:100。 

作为选择例3，如图2、3所示，牙齿4的齿孔31为口小底大的圆台形；进一步地，牙齿4的齿孔31圆台的锥度范围为：1:500～1:100。锥度太小将难以达到倒锥抱紧效果和楔形效应，锥度过大不便牙齿镶装于齿孔内。 

前述各选择例的钻头的加工方法，牙齿4与齿孔31在装配时采用齿孔温度高于牙齿温度的方式进行装配：包括在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内，且该温差条件下的齿孔与牙齿的相对过盈量小于装配好后的齿孔与牙齿等温时的过盈量。在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内时，齿孔温度最高不高于200℃。因为，在较高的温度下，齿孔材料的金相组织可能会发上变化，这将改变齿孔材料的力学性能。齿孔材料多为低碳钢，其在200℃以内一般不会发生金相组织的变化。具体装配方式可以为，将齿孔加温，牙齿为常温，齿孔升温后将发生热膨胀使齿孔胀大，牙齿温度不变(常温)，然后装配；也可以为将齿孔加温，同时将牙齿降温(低于常温，如零度左右)，齿孔升温后将发生热膨胀使齿孔胀大，牙齿降温后将收缩，然后装配。齿孔温度高于牙齿温度后，镶装时齿孔与牙齿的相对过盈量将小于齿孔与牙齿等温时的过盈量，便于牙齿装于齿孔内，特别是便于牙齿根部装入并通过相对较小的齿孔口，不致在牙齿齿根通过较小的齿孔孔口时过大的过盈量而使齿孔孔口发生塑性变形或产生裂纹缺陷。牙齿与齿孔镶装完后，牙齿温度将会与齿孔温度相同，牙齿与齿孔的镶装过盈量将达到设计过盈量。由于本发明的齿孔为倒锥齿孔，牙齿镶装过程采用齿孔温度高于牙齿温度的温差镶装法，齿孔的相对膨胀和牙齿的相对收缩，避免了同温普通镶装方式使齿孔损坏的同时，还能使镶装完后的牙齿与齿孔达到理想的过盈配合量。钻头工作时，牙齿与齿孔的温度是同时上升的，即牙齿与齿孔的温度环境是相同的，因此钻头工作时牙齿与齿孔的过盈量或因温升而发生的过盈量变化量在整个倒锥齿孔内是能够保持不变和均衡的。 

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。如图2、3即可视为选择例2、3的组合。 

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 (8)

1.一种倒锥齿根镶齿钻头，包括设于钻头上的牙齿，所述牙齿通过其齿根镶固于钻头上的齿孔内，其特征在于：齿孔孔口直径小于齿孔内最大直径，牙齿齿根与孔口匹配处的直径小于齿根下部最大直径，所述牙齿的齿根与齿孔通过过盈配合镶固。

2.如权利要求1所述的倒锥齿根镶齿钻头，其特征在于：所述齿孔的孔口直径比齿孔内最大直径小0.1％～1％。

3.如权利要求2所述的倒锥齿根镶齿钻头，其特征在于：所述牙齿的齿根为上小下大的圆台形。

4.如权利要求2所述的倒锥齿根镶齿钻头，其特征在于：所述齿孔为口小底大的圆台形。

5.如权利要求3所述的倒锥齿根镶齿钻头，其特征在于：所述牙齿的齿根圆台的锥度范围为：1:500～1:100。

6.如权利要求4所述的倒锥齿根镶齿钻头，其特征在于：所述牙齿的齿孔圆台的锥度范围为：1:500～1:100。

7.如权利要求1-6中的任一条所述的倒锥齿根镶齿钻头的加工方法，其特征在于包括：在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内，且该温差条件下的齿孔与牙齿的相对过盈量小于装配好后的齿孔与牙齿等温时的过盈量。

8.如权利要求7所述的倒锥齿根镶齿钻头，其特征在于：在齿孔温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于齿孔内时，齿孔温度最高不高于200℃。