CN1054669C - 防掉牙轮的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种防掉牙轮的钻头，它是在目前三牙轮钻头的基础上改进的。该钻头由防掉牙轮指示器、浇洒式超细固体润滑系统、双材料(衔环)轴向密封或组合“O”形径向动密封、井底射流调节器、卡箍棘轮齿锁紧轴承等组成。利用牙轮钻头使用中的必然磨蚀面，通过液流传感，预告牙轮即将掉井，换用新钻头。本发明将上述诸方面技术融为一体，成为一种多功能的三牙轮钻头。在钻井工业中，钻速和使用寿命都超过70%以上。

Description

防掉牙轮的钻头

本发明涉及石油钻井技术，特别是钻井用的牙轮钻头的改进。

为提高钻井工艺，缩短钻井周期是现代钻井工程的首要追求，钻井过程中对牙轮的防掉、钻头使用寿命及切削地层效率等对钻头提出了更高要求。近年来，国内外无论是在钻井工艺，还是钻头使用寿命方面都有较大的提高，但在安全钻进和钻速提高上，还远不能满足于现代钻井工程的需要。钻头是钻井工程的尖兵，在产品性能和功能上还存有严重缺陷，凡掉一次牙轮轻者造成较大的经济损失，重则造成一口井报废是累见不鲜的，这样既耽误工期，经济损失更大。目前采用钻头定时的保守使用，造成人力、物力浪费也是很大的。这是整个钻井工程中的难题。从国内外钻头业目前的状态来讲，塞克公司在瑞德公司钻头板形密封环的基础上，改进了表面波纹、轴承寿命提高了一些，该产品准备同我国一家公司合资生产，将其十多只钻头在东部及四川两个最大的油气田中试用，最高寿命不足40小时/只，至使合资解体；休斯公司的钻头密封改进为双金属的轴向密封，比原有钻头径向“O”型密封帮助提高2％以上，但仍不理想，我国的一个专业研究所和一个公司，两个油田共同研制的MP₁型钻头，具有高速钻井特点，在江西大型鉴定的权威产品，同我们研制的弧形齿对比使用指标低下40％，其它公司的产品就更差了。总之，切削结构的改进是缓慢的，五十年代之前使用钢齿，以后又发展了一个新系列硬质合金球齿，七十年代改进为镶钨钴合金楔齿，八十年代推广了同类的勺形齿，基本完成了钻头型号的配套水平。金刚石齿由于成本制造工艺等问题，未能得到推广。国内外千篇一律的胶囊平衡补尝器适应范围和灵敏度都差。在防掉牙轮的措施方面国内外都尝试过钻头磨损的瞬时温差法均未如愿。洛克公司设计的钻头体外高压钢并被占头齿划破或弹子磨损受卡的方法，由于依靠的硬质合金齿，有时在钻头磨蚀后同样要折断或破碎，所以成功率很低，也未能推广。同时轴承用弹子锁紧，降低轴颈强度，装配时也很麻烦。休斯公司用卡簧锁紧，要求材料及配合条件高，易出废品。

近年来，我们研制的“一种牙轮钻头”实用新型专利(专利号91230004.3)作了一些更新，但金刚石齿未能加固心部、镀齿工艺差，防掉牙轮装置时水断面设计不合理。“用于钻头上的井底射流调节器”发明专利(专利号911072039)经试用后仍需改进，如调节档次少，结构复杂，稳定性和灵敏度较差。

本发明的目的是为了克服以上现有技术中各种牙轮钻头的不足之处，提供一种由防掉牙轮指示器，浮子平衡器及浇洒式超细固体润滑、润滑剂，轴向密封或组合“O”形径向动密封、曲线凸套井底射流量自动调节器，卡箍棘轮齿锁紧、轴承滑环等所组成的牙轮钻头。该牙论钻头使用寿命长，钻进速度快，并能预告牙轮即将掉井，及时起钻换用新钻头。

本发明的目的是由以下措施来实现的：防掉牙轮指示器是利用井底液流传感，在钻头浆孔壁上设置一小孔，爪尖、轴颈易磨损部位连通形成盲道，当这些部位任一处磨蚀后，排水断面扩大，泵压当即下降，证明牙轮即将掉井。

浮子平衡器采用平滑孔道，内置橡球浮子，井底压力P＝P₁±ΔP(P₁为轴承内腔压力，ΔP为井底压力与轴承内腔压力之差)，它增加了承压范围和压力传感的灵敏度。

浇洒式超细固体润滑系统，以固体状润滑代替了过去的油脂粘糊润滑，由于润滑剂采用石墨、氟化石墨、二硫化钼等减磨材料组成。流动性好，附着力强、耐高温膨胀系数低。当牙轮转动时，利用牙轮内部环槽及浮套下储上浇润滑剂，达到及时的润滑轴承，浮套本身在运动中具有减磨作用。

轴向密封是利用氟橡胶作静密封，将轴颈动环及牙轮从动环为金属环密封摩擦付和一个增强复合塑料环，作摩擦片，或其中一个环为增强复合塑料，组成一对密封摩擦付装置，各环与付环氟橡胶圈分别硫化成一体，当环面摩损后得到氟橡胶伸长弹力的补充，这样可使轴承寿命大幅度的提高。

组合“O”形径向动密封，是将原来的“O”形密封圈，在摩擦面上增加一层增强复合塑料，改进它们的摩擦状态，降低摩擦系数。

轴承锁紧采用卡箍棘轮齿锁紧，是弹簧轴承钢的开口滑环，使用棘轮齿，增强了轴承颈强度，改善了装配效果和质量。

井底射流调节器，采用曲线凸套多级调节，上凸套为对称曲线齿，下凸套为变异曲线齿，造成两者之间的合成曲线轨道，使挂柱在其间游离带动流量调节器，调节过水断面。液流冲击承压板压缩弹簧，每压缩一次就调节一挡，这样就增加了调节挡次，并且灵活可告。流量调节器在锥面上下活动调节流量。过水断面F＝HF₁，式中H为调节系数，

(锥孔断面)减去

(调节器断面)，喷头上端为锥孔，底部为120°对称三穿槽的弧面育孔。用硬质合金作成，外套为一般金属并有丝扣，以便于装配时用。它可单独用于各种勘探钻头上也可以配合其它喷嘴用。使用该射流器，可以由原来的液流直接冲击井底15％提高为85％，可以不起钻在井底自动调节射流排量。比如处理井下事故、井身质量差防井下事故，调制井底泥浆、下套管前洗井需要调整为大排量，正常钻进软、硬地层时，需要经常调整排量等。总之，较好的发展了钻井工艺，为提高钻速、减少事故、节约劳动力、节约钻头、缩短钻井周期等起到了良好的作用。

图1为本发明的防掉牙轮钻头总剖面结构示意图。

图2为本发明的井底射流调节器的结构示意图。

图3(甲)是双材料(衔环)轴向密封放大图。

图4(乙)是组合“O”形径向动密封放大图。

图5是轴承卡箍棘轮齿锁紧环放大图。

下面结合附图对本发明的结构、工作原理及实施例作进一步的详细说明：

图1中，牙轮钻头1，防掉牙轮指示器是通过液流传感在浆孔2内壁上钻8-16mm，下倾10°-35°的小孔3，连接通道4与盲孔5组成大于30mm2的过水断面封闭系统，盲孔5的位置在大轴受力中心的任一侧20°-60°处均可，同爪尖6一样，需保持1.5-5mm壁厚。这样无论盲孔5或爪央6的任一处磨损，都会带来泵压下降，预示着钻头在井下即将报废，从而防止了牙轮掉井事故。

齿尖心部7B嵌入与齿尖形状一样的厚2.5-8mm，高

齿长的人造聚晶金刚石片，齿面用二次脉冲电铸金铸石或立方氮化硼加强，厚度为0.5～3mm，刃前7为齿高的 ，刃后7A为齿高的

，轴颈8为120°受力面，电铸层厚为0.05～0.6mm，如大轴9、C点平面10、二道止锥11、小轴12、爪尖6、均应电铸以上超硬材料，非密封轴承的电铸层厚度为0.4～5mm，采用渗涂C₆₀(巴基球)，其渗涂厚度为0.05～0.2mm。

平衡器为橡胶球16及平滑的孔道17所组成，隶属润滑系统，对密封轴承内外压力起到平衡作用，孔道17为12-40mm，长孔与钻头体外相通，浮子16的直径压缩比8～30％为宜。固体润滑剂采用10μ以下的超细石墨、氟化石墨、二硫化钼等减磨材料组成，并充满整个润骨空间，它的膨胀性小，流动性强、耐温、附着力强。

浇洒式超细固体润滑是在牙轮内孔增加一个环形槽18，浮动套19，在牙轮被迫转动时，超细润滑剂在浮动套开口间隙中不断的进入槽内，也不断的浇洒润滑轴承，浮套19也起到了摩擦减速作用。

图2中，井底射流调节器13的工作是利用压帽20锁紧钻结在钻头1中心，当洗井液冲压调节器13，并压缩弹簧13F带动中轴13D与流量调节器13N下移，受到挂桩13E的制约，挂桂13E始终是在合成曲线轨道之间游离，使挂柱落于下凸套13B的某一个槽口内，就是调节器13h在某一过水断面的档次，当需要换档时，停止循环两分钟后，弹簧13F恢复正常，将承压板13C再次回复原位。开泵洗引液循环，再冲承压板13C，挂柱13E落入下凸套另槽口内，即改换了调节器13h在传感流通13i的位置，这样达到井底射流的调节。

图3中，轴向密封是动环14(动环包括正环金属圈14A、付环氟橡胶圈14B)与从动环15(从动环包括正环金属圈15A、付环氟橡胶圈15B)所在图1位置，即轴颈9上的正环金属圈14A，用金属或增强复合塑料作成与付环氟橡胶圈14B结合在一起；从动环15上的正环金属圈15A用金属或增强复合塑料作成与付环氟橡胶圈15B结合在一起，其摩擦面上加一个增强复合塑料摩擦片D，这样由于付环氟橡胶14B、15B的相对压缩，成为静密封，将泥浆隔绝，充分利用增强复合塑料的低摩擦系数μ＝0.05～0.1，如正环金属圈14A、15A为增强复合塑料，即可取消磨擦片D。

图4中，组合“O”形径向动密封，在密封槽内装配直径3-12“O”形氟橡胶圈22与表面硫化粘结一种厚度小于1.5mm的增强复合材料的开口环23，最大限度的利用材料性能特点，如氟橡胶的压缩反弹力，增强复合塑料的低摩擦系数。

图5中，是组件21卡箍棘轮齿锁紧环的放大图，是增加轴颈强度，装配便利，提高装配质量的设计。当钻头分装时，将牙轮钻头密封件放在轴颈上，把卡箍锁紧环置于牙轮轴孔的环槽内，将轴孔放在轴颈上，用力压入即成。将同样的三个分装件组合车丝扣即成形使用产品。对尺寸为直径311毫米以上的钻头，丝扣部分为钻头体。

本发明与现有技术相比有如下特点：

1.由于牙轮钻头切削结构中，对最新工艺和材质的利用对齿形的改进，使钻速大幅度的提高，钻速增长率达72％以上。

2.由于密封、润滑方式和轴承材料的改进，钻头使用寿命提高到一倍以上。

3.防掉牙轮装置的成功，解除了历来操作者怕钻头使用时间掌握不好的顾虑，可以集中精力去追求钻井速度，从而节约了起下钻次数和少用了钻头，减少了事故，大幅度的降低了钻井成本。

4.井底射流调节器的改进，改善了钻井工艺，减少了井下事故的发生，缩短钻井周期，极大的节约了钻井费用。

5.由于钻井对地层的适应性扩大，可以在生产中节约大量的型号转产，也减少了使用中的提下钻时间和钻头用量。

Claims (3)

1.防掉牙轮的钻头，采用对牙轮、牙爪精加工、热处理工艺后制作，经装配后形成的牙轮钻头，其特征在于：

a、防掉牙轮指示器，是利用井底液流传感，在钻头(1)浆孔(2)壁上设置直径为8-16毫米的小孔(3)，并向下倾10°-35°，与壁厚1.5-5mm的爪尖(5)、轴颈盲孔(6)、易磨损部位、通道(4)组成大于30mm2过水断面的封闭系统，通过液流传感显示，当爪尖(5)、轴颈盲孔(6)外壁磨蚀后，即可预示牙轮即将脱落掉井；

b、浮子平衡器采用直径Φ10-Φ40mm平滑孔道(17)，内置直径压缩比为8～30％橡胶球浮子(16)，孔道(17)内连润滑系统外接井底液柱；

c、浇洒式超细固体润滑系统，润滑剂采用石墨、氟化石墨、二硫化钼等减磨材料组成，当牙轮转动时，利用牙轮内部环槽(18)及浮套(19)下储上浇润滑剂，达到及时的润滑轴承，浮套(19)本身在运转中具有减磨作用；

d、轴向密封与组合“O”形径向动密封，衔环结构是采用金属摩擦面动环的正环金属圈(14A)同从动环的正环金属圈(15A)之间衔一增强复合塑料摩擦片(D)，或正环金属圈(14A15A)用金属与复合材料配对，正环金属圈(14A15A)的背后都要将付环氟橡胶圈(14B15B)分别硫化成一体，而组合“O”形径向动密封是用氟橡胶圈(22)和厚度小于1.5mm的增强复合塑料开口环(23)相贴硫化粘结为一体；

e、轴承的锁紧采用卡箍棘轮齿(21)锁紧，是弹簧轴承钢的开口滑环；

f、井底射流调节器采用曲线凸套法多级调节，上凸套(13A)设置为对称曲线齿，下凸套(13B)设置为变异曲线齿，造成两者之间的合成曲线轨道，使掛柱在其间游离，以带动流量调节器(13h)，达到调节水断面的目的。

2.按照权利要求1所说的牙轮钻头，其特征是在于射流调节器的喷头内套(13g)采用钨钴合金，底部呈圆弧状，120°对称三穿孔，过水断面为130～450mm²，外套用丝扣和螺帽(20)与钻头将孔(2)底部穿孔，再密封锁紧。

3.按照权利要求1所说的牙轮钻头，其特征是在于弧形齿尖心部(7B)可嵌入人造聚晶金刚石片，齿面用二次脉冲电铸金刚石或立方氮化硼。