CN106968595B - 冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头 - Google Patents

冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头 Download PDF

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    • E21B10/43—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits characterised by the arrangement of teeth or other cutting elements

Abstract

本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头涉及到一种钻头，包括钻头主体，钻头主体的下方设有一组或一组以上的冲击切削机构，每组冲击切削机构均包括有一对中心对称的冲击机构、一对或一对以上的中心对称的切削机构；所述的冲击机构是由冲击转轮支座和通过冲击转轮轴转动配合于冲击转轮支座的冲击转轮构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座和冲击转轮分别中心对称设置且两个冲击转轮共用一根冲击转轮轴，所述的冲击转轮表面均布有冲击齿。本发明杜绝了轴承密封机构失效后对轴承的损害，消除了轴承的悬臂梁式受力薄弱的问题，根除了存储式润滑脂腔体内润滑脂存量满足不了现场需要的问题，增加切削齿的布置数量，增加切削齿切削方向。

Description

冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头
技术领域
本发明涉及到一种钻头，尤其涉及到一种冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头。
背景技术
随着油气勘探开发的不断深入，浅层、易开发油气资源越来越少，在深部地层以及复杂地质条件下寻求油气资源正逐渐成为目前海陆勘探开发的重要工作。在深井和复杂地质条件下的油气钻探工作中，经常钻遇碳酸盐岩、火成岩和变质岩等难钻地层，其强度高、硬度大、可钻性差、研磨性强。研制新型破岩工具，发展高效钻井技术，是提高硬地层油气勘探开发效率的关键技术手段。
单独的牙轮钻头或者混合钻头中的牙轮钻头轴承属于转动件，其工作寿命受润滑脂存储量限制，也受到密封性能的影响；牙轮钻头轴承属于悬臂梁，也受到钻压载荷大小的影响。钻压过大就会弯曲、变形、掉落。
使用的PDC钻头属于固定刀翼。靠近钻头外径的齿转数快，切削量大，磨损快，磨损大。而逐渐靠近钻头心部的齿，组件转数越来越慢，切削量越来越小，磨损越来越慢，磨损越来越小。钻头齿做功不均衡，有的已经失效，有的还几乎是新的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述问题，提供了一种冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头。
本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，包括钻头主体，钻头主体的下方设有一组或一组以上的冲击切削机构，每组冲击切削机构均包括有一对中心对称的冲击机构、一对或一对以上的中心对称的切削机构；所述的冲击机构是由冲击转轮支座和通过冲击转轮轴转动配合于冲击转轮支座的冲击转轮构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座和冲击转轮分别中心对称设置且两个冲击转轮共用一根冲击转轮轴，所述的冲击转轮表面均布有冲击齿。
作为本发明的进一步改进，每组冲击切削机构包括一对中心对称的冲击机构和一对中心对称的切削机构；切削机构包括切削转轮支座和通过切削转轮轴安装于切削转轮支座内的切削转轮，一对切削机构内的两个切削转轮支座和两个切削转轮分别中心对称设置，所述的两个切削转轮分别与其中一个冲击转轮传动配合，所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。
作为本发明的进一步改进，冲击转轮为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮；切削转轮分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮的轮体上设有水流冲击槽、于切削转轮的表面设有从动齿轮，所述的从动齿轮与冲击转轮上的主动齿轮啮合；切削转轮的切削侧于切削转轮的表面设有切削齿。
作为本发明的进一步改进，冲击切削机构的数量为一组、其中一对冲击机构和一对切削机构均以钻头主体中轴为中心对称。
作为本发明的进一步改进，冲击切削机构的数量为一组，所述的冲击切削机构包括有一对冲击机构和两对切削机构、且所述的一对冲击机构以钻头主体中轴为中心对称设置、所述的两对切削机构分别以钻头主体中轴为中心对称设置；切削机构包括切削转轮支座和通过切削转轮轴安装于切削转轮支座内的切削转轮，两对切削机构内的两个切削转轮支座和两个切削转轮分别中心对称设置，所述的切削转轮分别与同侧的冲击转轮传动配合；所述的每对切削机构之间的连线与一对冲击机构之间的连线的夹角相等。
作为本发明的进一步改进，冲击转轮为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮Ⅰ和主动齿轮Ⅱ；切削转轮分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮的轮体上设有水流冲击槽、于切削转轮的表面设有从动齿轮，所述的同侧的两个切削转轮的从动齿轮分别与同侧的冲击转轮上的主动齿轮Ⅰ和主动齿轮Ⅱ啮合；切削转轮的切削侧于切削转轮的表面设有切削齿。
作为本发明的进一步改进，冲击切削机构的数量为一组，所述的冲击切削机构包括有一对冲击机构和一对切削机构、且所述一对冲击机构以钻头主体中轴为中心对称设置、所述的一对切削机构以钻头主体中轴为中心对称设置；切削机构包括附加冲击转轮支座和通过附加冲击转轮轴附加安装于附加冲击转轮支座上的附加冲击转轮，一对切削机构内的两个附加冲击转轮支座和两个附加冲击转轮分别以钻头主体中轴为中心对称设置；所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。
作为本发明的进一步改进，冲击切削机构的数量为一组，所述的冲击切削机构包括有一对冲击机构和一对切削机构、且所述一对冲击机构以钻头主体中轴为中心对称设置、所述的一对切削机构以钻头主体中轴为中心对称设置；切削机构为一对以钻头主体的轴为中心对称的固定刀翼，且冲击转轮轴从固定刀翼中部下方穿过；所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。
作为本发明的进一步改进，冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，包括钻头主体，钻头主体的下方设有一组或一组以上的冲击切削机构，每组冲击切削机构均包括有一个冲击机构、一个及一个以上的切削机构；所述的冲击机构包括一对冲击转轮支座、一个冲击转轮和一个轴套，冲击机构内的两个冲击转轮支座中心对称设置，所述的冲击转轮和轴套分别通过冲击转轮轴与其中一个冲击转轮支座转动配合、且冲击转轮和轴套共用一根冲击转轮轴，所述的冲击转轮为锥形体或半球体、其靠近中心处的一端截面积小于远离中心处的一端、且靠近中心处的一端设有主动齿轮；切削机构包括切削转轮支座和通过切削转轮轴安装于切削转轮支座内的切削转轮，切削转轮分为切削侧和传动侧，切削侧于切削转轮的表面设有切削齿，传动侧于切削转轮的轮体上设有水流冲击槽、于切削转轮的表面设有从动齿轮，所述的从动齿轮与冲击转轮上的主动齿轮相啮合。
作为本发明的进一步改进，冲击转轮靠近中心处的一端设有两个主动齿轮，切削机构的数量为两个且切削机构中的两个切削转轮分别通过从动齿轮与主动齿轮啮合。
本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，杜绝了轴承密封机构失效后对轴承的损害，消除了轴承的悬臂梁式受力薄弱的问题，根除了存储式润滑脂腔体内润滑脂存量满足不了现场需要的问题，增加切削齿的布置数量，增加切削齿切削方向，提高了切削齿自转的转速，增加切削齿做功总量，均衡每个切削齿破碎岩石做功量和磨损量，提高钻头工作寿命。
附图说明
图1~图2为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例一的侧视结构图；
图3为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例一的仰视结构图；
图4为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例二的仰视结构图
图5为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例三的仰视结构图；
图6为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例四的仰视结构图；
图7~图8为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例五的侧视结构图图；
图9为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例五的仰视结构图；
图10~图11为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例六的侧视结构图；
图12为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例六的仰视结构图；
图13为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的切削转轮的侧视结构图；
图14为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的切削转轮的正视结构图；
图15为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例七的仰视结构图；
图16为本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头的实施例八的仰视结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，作进一步说明：
实施例一
如图1~图2所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方冲击切削机构的数量为一组、其设于钻头主体1中轴处，冲击切削机构包括有一对中心对称的冲击机构、一对的中心对称的切削机构。
冲击机构是由冲击转轮支座2和通过冲击转轮轴3转动配合于冲击转轮支座2的冲击转轮4构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座2和冲击转轮4分别中心对称设置（以钻头主体1中轴为中心对称设置）且两个冲击转轮4共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4表面均布有冲击齿5。
切削机构包括切削转轮支座6和通过切削转轮轴7安装于切削转轮支座6内的切削转轮8，所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。
如图3所示，冲击转轮4为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端（成沙漏形）、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮9，如图13~图14所示，切削转轮8分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮8的轮体上设有水流冲击槽10、于切削转轮8的表面设有从动齿轮11，所述的从动齿轮11与冲击转轮4上的主动齿轮9啮合，切削转轮8的切削侧于切削转轮8的表面可以设有切削齿12。
实施例二
冲击切削机构的组数为一组以上的、其组数依据钻头主体1的外径尺寸来确定，一般为均匀分布，但是也可以不均匀分布。
如图4所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方均布设有三组冲击切削机构，所有的冲击切削机构其围绕钻头主体1的轴均布于钻头主体下方。
上述的冲击切削机构均包括有一对中心对称的冲击机构、一对的中心对称的切削机构。
冲击机构是由冲击转轮支座2和通过冲击转轮轴3转动配合于冲击转轮支座2的冲击转轮4构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座2和冲击转轮4分别中心对称设置（以钻头主体1中轴为中心对称设置）且两个冲击转轮4共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4表面均布有冲击齿5。
切削机构包括切削转轮支座6和通过切削转轮轴7安装于切削转轮支座6内的切削转轮8，所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。
如图4所示，冲击转轮4为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端（成沙漏形）、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮9，如图13~图14所示，切削转轮8分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮8的轮体上设有水流冲击槽10、于切削转轮8的表面设有从动齿轮11，所述的从动齿轮11与冲击转轮4上的主动齿轮9啮合，切削转轮8的切削侧于切削转轮8的表面可以设有切削齿12。
实施例三
如图5所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方均布设有四组冲击切削机构，所有的冲击切削机构其围绕钻头主体1的轴均布于钻头主体下方。
上述的冲击切削机构包括有一对中心对称的冲击机构、一对的中心对称的切削机构。
冲击机构是由冲击转轮支座2和通过冲击转轮轴3转动配合于冲击转轮支座2的冲击转轮4构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座2和冲击转轮4分别中心对称设置（以钻头主体1中轴为中心对称设置）且两个冲击转轮4共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4表面均布有冲击齿5。
切削机构包括切削转轮支座6和通过切削转轮轴7安装于切削转轮支座6内的切削转轮8，所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。
如图5所示，冲击转轮4为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端（成沙漏形）、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮9，如图13~图14所示，切削转轮8分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮8的轮体上设有水流冲击槽10、于切削转轮8的表面设有从动齿轮11，所述的从动齿轮11与冲击转轮4上的主动齿轮9啮合，切削转轮8的切削侧于切削转轮8的表面可以设有切削齿12。
实施例四
如图6所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方冲击切削机构的数量为一组、其设于钻头主体1中轴处，所述的冲击切削机构包括有一对冲击机构和两对切削机构、且所述的一对冲击机构以钻头主体1中轴为中心对称设置、所述的两对切削机构分别以钻头主体1中轴为中心对称设置。
冲击机构是由冲击转轮支座2和通过冲击转轮轴3转动配合于冲击转轮支座2的冲击转轮4构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座2和冲击转轮4分别中心对称设置（以钻头主体1中轴为中心对称设置）且两个冲击转轮4共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4表面均布有冲击齿5。
切削机构包括切削转轮支座6和通过切削转轮轴7安装于切削转轮支座6内的切削转轮8，两对对切削机构内的两个切削转轮支座6和两个切削转轮8分别中心对称设置，切削转轮8分别与同侧的（以冲击机构所在半圆为界限）冲击转轮4传动配合。并且，每对切削机构之间的连线与一对冲击机构之间的连线的夹角应当相等。
上述的冲击转轮4为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮Ⅰ13和主动齿轮Ⅱ14；切削转轮8分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮8的轮体上设有水流冲击槽10、于切削转轮8的表面设有从动齿轮11，所述的同侧的两个切削转轮8的从动齿轮11分别与同侧的冲击转轮4上的主动齿轮Ⅰ13和主动齿轮Ⅱ14啮合；切削转轮8的切削侧于切削转轮8的表面设有切削齿12。
实施例五
如图7~图8所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方冲击切削机构的数量为一组、其设于钻头主体1中轴处，所述的冲击切削机构包括有一对冲击机构和一对切削机构、且所述一对冲击机构以钻头主体1中轴为中心对称设置、所述的一对切削机构以钻头主体1中轴为中心对称设置。
如图9所示，冲击机构是由冲击转轮支座2和通过冲击转轮轴3转动配合于冲击转轮支座2的冲击转轮4构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座2和冲击转轮4分别中心对称设置（以钻头主体1中轴为中心对称设置）且两个冲击转轮4共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4表面均布有冲击齿5。
切削机构包括附加冲击转轮支座15和通过附加冲击转轮轴16附加安装于附加冲击转轮支座15上的附加冲击转轮17，所述的一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。建议直径比较大的钻头使用此结构。
实施例六
如图10~图11所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方冲击切削机构的数量为一组、其设于钻头主体1中轴处，冲击切削机构包括有一对冲击机构和一对切削机构、且所述一对冲击机构以钻头主体1中轴为中心对称设置、所述的一对切削机构以钻头主体1中轴为中心对称设置。
如图12所示，冲击机构是由冲击转轮支座2和通过冲击转轮轴3转动配合于冲击转轮支座2的冲击转轮4构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座2和冲击转轮4分别中心对称设置（以钻头主体1中轴为中心对称设置）且两个冲击转轮4共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4表面均布有冲击齿5。
切削机构为一对以钻头主体1的轴为中心对称的固定刀翼18，冲击转轮轴3从固定刀翼18内穿过。并且，一对切削机构之间的连线垂直于一对冲击机构之间的连线。建议直径比较小的钻头使用此结构。
实施例七
如图15所示，本发明的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方设有一组或一组以上的冲击切削机构，每组冲击切削机构均包括有一个冲击机构和一个切削机构。
冲击机构包括一对冲击转轮支座2、一个冲击转轮4和一个轴套23，冲击机构内的两个冲击转轮支座2中心对称设置，所述的冲击转轮4和轴套23分别通过冲击转轮轴3与其中一个冲击转轮支座2转动配合、且冲击转轮4和轴套23共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4为锥形体或半球体、其靠近中心处的一端截面积小于远离中心处的一端、且靠近中心处的一端设有主动齿轮9。
切削机构包括切削转轮支座6和通过切削转轮轴7安装于切削转轮支座6内的切削转轮8，切削转轮8分为切削侧和传动侧，切削侧于切削转轮8的表面设有切削齿12，传动侧于切削转轮8的轮体上设有水流冲击槽10、于切削转轮8的表面设有从动齿轮11，所述的从动齿轮11与冲击转轮4上的主动齿轮9相啮合。
实施例八
如图16所示，冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其具体结构如下：钻头主体1的下方设有一组或一组以上的冲击切削机构，每组冲击切削机构均包括有一个冲击机构、一对切削机构。
冲击机构包括一对冲击转轮支座2、一个冲击转轮4和一个轴套23，冲击机构内的两个冲击转轮支座2中心对称设置，所述的冲击转轮4和轴套23分别通过冲击转轮轴3与其中一个冲击转轮支座2转动配合、且冲击转轮4和轴套23共用一根冲击转轮轴3，所述的冲击转轮4为锥形体或半球体、其靠近中心处的一端截面积小于远离中心处的一端，冲击转轮4靠近中心处的一端设有两个主动齿轮9。
切削机构包括切削转轮支座6和通过切削转轮轴7安装于切削转轮支座6内的切削转轮8，切削转轮8分为切削侧和传动侧，切削侧于切削转轮8的表面设有切削齿12，传动侧于切削转轮8的轮体上设有水流冲击槽10、于切削转轮8的表面设有从动齿轮11，所述的一对切削机构内的两个切削转轮8分别通过从动齿轮11与其中一个主动齿轮9啮合。
上述的各实施例中，在钻头主体1内都于切削机构上方设有钻井液喷嘴19，该钻井液喷嘴19与钻头主体1轴心处的钻井液中心通道20连通，均于冲击转轮支座2、切削转轮支座6、附加冲击转轮支座15和固定刀翼18的外表面设有附加切削齿22，于钻头主体1环周设有保径齿21。

Claims (4)

1.冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，包括钻头主体（1），其特征在于钻头主体（1）的下方设有一组冲击切削机构，冲击切削机构包括一对中心对称的冲击机构、两对中心对称的切削机构；所述的冲击机构是由冲击转轮支座（2）和通过冲击转轮轴（3）转动配合于冲击转轮支座（2）的冲击转轮（4）构成，一对冲击机构内的两个冲击转轮支座（2）和冲击转轮（4）分别中心对称设置且两个冲击转轮（4）共用一根冲击转轮轴（3），所述的冲击转轮（4）表面均布有冲击齿（5）；所述的冲击切削机构包括有一对冲击机构和两对切削机构、且所述的一对冲击机构以钻头主体（1）中轴为中心对称设置、所述的两对切削机构分别以钻头主体（1）中轴为中心对称设置；切削机构包括切削转轮支座（6）和通过切削转轮轴（7）安装于切削转轮支座（6）内的切削转轮（8），每对切削机构内的两个切削转轮支座（6）和两个切削转轮（8）分别中心对称设置，所述的切削转轮（8）分别与同侧的冲击转轮（4）传动配合；所述的每对切削机构之间的连线与一对冲击机构之间的连线的夹角相等。
2.根据权利要求1所述的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其特征在于冲击转轮（4）为锥形体或半球体、其靠近对称中心处的一端截面积小于远离对称中心处的一端、且靠近对称中心处的一端设有主动齿轮Ⅰ（13）和主动齿轮Ⅱ（14）；切削转轮（8）分为传动侧和切削侧，传动侧于切削转轮（8）的轮体上设有水流冲击槽（10）、于切削转轮（8）的表面设有从动齿轮（11），所述的同侧的两个切削转轮（8）的从动齿轮（11）分别与同侧的冲击转轮（4）上的主动齿轮Ⅰ（13）和主动齿轮Ⅱ（14）啮合；切削转轮（8）的切削侧于切削转轮（8）的表面设有切削齿（12）。
3.冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，包括钻头主体（1），其特征在于钻头主体（1）的下方设有一组或一组以上的冲击切削机构，每组冲击切削机构均包括有一个冲击机构、一个及一个以上的切削机构；所述的冲击机构包括一对冲击转轮支座（2）、一个冲击转轮（4）和一个轴套（23），冲击机构内的两个冲击转轮支座（2）中心对称设置，所述的冲击转轮（4）和轴套（23）分别通过冲击转轮轴（3）与其中一个冲击转轮支座（2）转动配合、且冲击转轮（4）和轴套（23）共用一根冲击转轮轴（3），所述的冲击转轮（4）为锥形体或半球体、其靠近中心处的一端截面积小于远离中心处的一端、且靠近中心处的一端设有主动齿轮（9）；切削机构包括切削转轮支座（6）和通过切削转轮轴（7）安装于切削转轮支座（6）内的切削转轮（8），切削转轮（8）分为切削侧和传动侧，切削侧于切削转轮（8）的表面设有切削齿（12），传动侧于切削转轮（8）的轮体上设有水流冲击槽（10）、于切削转轮（8）的表面设有从动齿轮（11），所述的从动齿轮（11）与冲击转轮（4）上的主动齿轮（9）相啮合。
4.根据权利要求3所述的冲击式连续啮合多方位切削高效混合钻头，其特征在于冲击转轮（4）靠近中心处的一端设有两个主动齿轮（9），切削机构的数量为两个且切削机构中的两个切削转轮（8）分别通过从动齿轮（11）与主动齿轮（9）啮合。
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