CN104453719A - 一种衬套镶齿钻头及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种衬套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，所述牙齿和齿孔之间设有衬套，牙齿的齿根通过过盈配合镶固于衬套内，衬套通过过盈配合镶固于齿孔内。本发明其牙齿、衬套和齿孔的结合形式可可减小钻头的掉齿，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。

Description

一种衬套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：提出一种衬套镶齿钻头及其加工方法，其牙齿、衬套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：

一种衬套镶齿钻头，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，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，所述牙齿和齿孔之间设有衬套，牙齿的齿根通过过盈配合镶固于衬套内，衬套通过过盈配合镶固于齿孔内。

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，齿孔及牙齿齿根均为倒锥形结构。牙齿的齿根通过过盈配合镶固于衬套内，衬套通过过盈配合镶固于齿孔内。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。

衬套处于牙齿和齿孔之间，牙齿齿根与衬套、衬套与齿孔之间均为过盈配合镶固。镶固牙齿时，由于有衬套，衬套为内空的薄壁筒状构件，牙齿或衬套在镶入齿孔过程中，薄壁筒状的衬套易于产生整体的变形，衬套上的变形和应力都较均匀，以适应镶入过程中的过盈变形。

当遇到较高井底温度时，即使齿孔与衬套、衬套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衬套、衬套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(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，工作过程中往往是齿孔先发生塑变或产生裂纹，催生牙齿掉落，本申请可改善孔口应力状况减少掉齿)。即使在较大载荷下，齿孔有塑性变形或破坏，由于牙齿、齿孔为倒锥形，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。另外，由于齿孔与牙齿之间设置有衬套，即使齿孔有塑性变形或破坏，被挤压的衬套能适应并调节自身的变形弥补齿孔的变形，使齿孔对牙齿的抱紧力自适应、自均衡，齿孔及牙齿上的牙轮也将达到自适应、自均衡，这能减少齿孔的进一步塑性变形和破坏，改善牙齿镶固强度，增强固齿可靠性，减少牙齿掉落。

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，由于衬套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，如过大将不便于衬套及牙齿镶入齿孔；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。

作为选择3，所述衬套的外壁为上小下大的圆台形；所述衬套的内壁为上小下大的圆台形。

上述方案中，衬套的外壁、衬套的内壁为上小下大的圆台形，能更好地与倒锥形齿孔及倒锥形齿根匹配，能更好地产生楔形效应，便于倒锥形齿孔对牙齿的抱拉紧固。特别是当齿根、齿孔也为上小下大的圆台形时，上小下大的圆台形衬套内、外壁将能与齿根、齿孔更好地匹配紧固。

作为选择4，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5，所述钻头为牙轮钻头，所述牙齿镶固于钻头的牙轮上。

作为选择6，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，且所述牙齿齿孔的圆台的锥度大于所述牙齿齿根圆台的锥度。

上述方案中，牙齿与齿孔之间设置有衬套，衬套填压在牙齿与齿孔之间，牙齿齿孔的圆台锥度大于牙齿齿根圆台的锥度，填压在牙齿与齿孔之间的衬套的变形能迎合均衡齿孔对牙齿的抱紧；牙齿齿孔的圆台锥度大于牙齿齿根圆台的锥度，能使齿孔对牙齿产生更好的倒锥抱拉效果和楔形效应，增强齿孔对牙齿的抱固效果。

作为选择7，所述衬套的材料的弹性模量介于牙齿和齿孔材料的弹性模量之间。

上述方案中，镶固于钻头(或牙轮)上的牙齿多为硬质合金齿，钻头体及牙轮材料一般都是低碳钢，低碳钢的硬度及弹性模量均明显低于硬质合金。较硬的牙齿镶固于软的齿孔内，在较大载荷作用下，坚硬的牙齿挤压软的齿孔易引起齿孔的塑性变形或破坏。温度升高时，齿孔热膨胀系数明显高于硬质合金牙齿，受热后牙齿与齿孔之间的有效过盈量将下降，不利于牙齿的紧固。牙齿与齿孔之间设置衬套，且衬套材料的弹性模量介于牙齿和齿孔材料的弹性模量之间，使坚硬的牙齿与较软齿孔之间的硬-软直接过渡改变为硬-中-软的缓慢过渡，减小了牙齿与钻头(或牙轮)齿孔之间材料弹性模量的差距和突变。衬套材料的弹性模量介于牙齿和齿孔材料的弹性模量之间，有利于改善牙齿受载时坚硬的牙齿对软齿孔的直接挤压，较少或避免齿孔的塑性变形和损坏；能弥补因温度升高引起的牙齿与齿孔之间的有效过盈量的下降，减少牙齿掉落。

一种前述衬套镶齿钻头的加工方法，包括：先将牙齿与衬套镶装，再将牙齿与衬套组件装入齿孔，且在齿孔温度高于牙齿和衬套组件温度条件下将牙齿和衬套组件过盈配合装配于齿孔内，且该温差条件下的齿孔与牙齿和衬套组件的相对过盈量小于装配好后的齿孔与牙齿和衬套组件等温时的过盈量。

作为选择，包括：在衬套温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于衬套内，且该温差条件下的衬套与牙齿的相对过盈量小于装配好后的衬套与牙齿等温时的过盈量。

另一种前述衬套镶齿钻头的加工方法，包括：先将衬套镶装于齿孔内，再将牙齿装入衬套内，且在齿孔和衬套温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于衬套内，且该温差条件下的衬套与牙齿的相对过盈量小于装配好后的衬套与牙齿等温时的过盈量。

在上述加工方法中，齿孔和(或)衬套的温度最高不高于200℃。因为，在较高的温度下，齿孔或衬套材料的金相组织可能会发上变化，这将改变齿孔或衬套材料的力学性能。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，加上外力的冲击振动作用，齿孔尺寸扩大。衬套的存在可减少固定齿孔与牙齿齿根之间因受力变形和热变形而产生的相互影响，起到缓冲作用力、保护齿孔的作用，保证了配合要求，有效防止牙齿的脱落。

附图说明

图1是本发明衬套镶齿钻头为牙轮钻头时的结构示意图；

图2是本发明衬套镶齿钻头为牙轮钻头时的牙轮剖视示意图；

图3为本发明带有衬套的牙齿与齿孔装配关系示意图；

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为衬套，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、2所示，一种衬套镶齿牙轮钻头，包括设于牙轮3上的牙齿4，牙齿4通过其齿根41镶固于牙轮3上的齿孔31内，齿孔31孔口直径小于齿孔31内最大直径，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和齿孔31之间设有衬套5，牙齿4的齿根41通过过盈配合镶固于衬套5内，衬套5通过过盈配合镶固于齿孔31内。

作为选择例1，齿孔31的孔口直径比齿孔内最大直径小0.1％～1％。

作为选择例2，牙齿4的齿根41为上小下大的圆台形，参见图3。

作为选择例3，齿孔31为口小底大的圆台形，参见图3。

作为选择例4，衬套5的外壁为上小下大的圆台形，参见图3。

作为选择例5，衬套5的内壁为上小下大的圆台形，参见图3。

作为选择例6，牙齿4的齿根41圆台的锥度范围为：1:500～1:100。

作为选择例7，齿孔31圆台的锥度范围为：1:500～1:100。

作为选择例8，牙齿4的齿根41为上小下大的圆台形，齿孔31为口小底大的圆台形，且齿孔31的圆台的锥度大于牙齿4齿根41圆台的锥度，参见图3。

作为选择例9，衬套5的材料的弹性模量介于牙齿4和齿孔31材料的弹性模量之间。

前述各钻头方案的加工方法，牙齿与齿孔进行装配时采用齿孔和/或衬套温度高于牙齿温度的方式进行装配。

具体方法有如下几种：①先将牙齿与衬套镶装，可常温直接镶装，可采用衬套温度高于牙齿温度的方式镶装，再将牙齿与衬套组件装入齿孔，采用齿孔温度高于牙齿、衬套温度的方式镶装；②先将衬套镶装于齿孔内，再将牙齿装入齿孔，采用齿孔、衬套温度高于牙齿温度的方式镶装。

以先将牙齿与衬套镶装为例，具体装配方式可以为，将衬套加温，牙齿为常温，衬套升温后将发生热膨胀使衬套孔胀大，牙齿温度不变(常温)，然后装配；也可以为将衬套加温，同时将牙齿降温(低于常温，如零度左右)，衬套升温后将发生热膨胀使衬套孔胀大，牙齿降温后将收缩，然后装配。之后再将牙齿与衬套组件，装入齿孔，方式类似前者：将齿孔加温，牙齿和衬套为常温，齿孔升温后将发生热膨胀使齿孔胀大，牙齿和衬套温度不变(常温)，然后装配；也可以为将齿孔加温，同时将牙齿和衬套降温(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，牙齿和衬套降温后将收缩，然后装配。

其中以齿孔和牙齿、衬套之间的装配关系为例(牙齿与衬套之间的装配关系相同)：齿孔温度高于牙齿和衬套温度后，镶装时齿孔与衬套的相对过盈量将小于齿孔与衬套等温时的过盈量，便于牙齿和衬套装于齿孔内，特别是便于衬套根部装入并通过相对较小的齿孔口，不致在衬套根部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。齿孔与牙齿+衬套镶装完后，牙齿+衬套温度将会与齿孔温度相同，牙齿与衬套、衬套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+衬套温度的温差镶装法，齿孔的相对膨胀和牙齿+衬套的相对收缩，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、衬套与齿孔达到理想的过盈配合量。钻头工作时，牙齿、衬套与齿孔的温度是同时上升的，即牙齿、衬套与齿孔的温度环境是相同的，因此钻头工作时牙齿、衬套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。比如，如图3也还可视为基本例和选择例1-9的任意组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

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 (10)

1.一种衬套镶齿钻头，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，所述牙齿和齿孔之间设有衬套，牙齿的齿根通过过盈配合镶固于衬套内，衬套通过过盈配合镶固于齿孔内。

2.如权利要求1所述的衬套镶齿钻头，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1所述的衬套镶齿钻头，其特征在于：所述牙齿的齿根和/或齿孔为上小下大的圆台形。

4.如权利要求1所述的衬套镶齿钻头，其特征在于：所述衬套的外壁和/或内壁为上小下大的圆台形。

5.如权利要求3所述的衬套镶齿钻头，其特征在于：所述牙齿的齿根和/或齿孔圆台的锥度范围为：1:500～1:100。

6.如权利要求1所述的衬套镶齿钻头，其特征在于：所述牙齿的齿根为上小下大的圆台形，所述齿孔为口小底大的圆台形，且所述牙齿齿孔的圆台的锥度大于所述牙齿齿根圆台的锥度。

7.如权利要求1所述的衬套镶齿钻头，其特征在于：所述衬套的材料的弹性模量介于牙齿和齿孔材料的弹性模量之间。

8.如权利要求1-7中的任一条所述的衬套镶齿钻头的加工方法，其特征在于包括：先将牙齿与衬套镶装，再将牙齿与衬套组件装入齿孔，且在齿孔温度高于牙齿和衬套组件温度条件下将牙齿和衬套组件过盈配合装配于齿孔内，且该温差条件下的齿孔与牙齿和衬套组件的相对过盈量小于装配好后的齿孔与牙齿和衬套组件等温时的过盈量。

9.如权利要求8所述的衬套镶齿钻头的加工方法，其特征在于包括：在衬套温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于衬套内，且该温差条件下的衬套与牙齿的相对过盈量小于装配好后的衬套与牙齿等温时的过盈量。

10.如权利要求1-7中的任一条所述的衬套镶齿钻头的加工方法，其特征在于包括：先将衬套镶装于齿孔内，再将牙齿装入衬套内，且在齿孔和衬套温度高于牙齿温度条件下将牙齿过盈配合装配于衬套内，且该温差条件下的衬套与牙齿的相对过盈量小于装配好后的衬套与牙齿等温时的过盈量。