CN108798525A - 叠层工作的单牙轮钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，公开叠层工作的单牙轮钻头，包括牙掌以及转动安装于牙掌前端的牙轮，在所述牙轮的外表面固定安装有若干固定切削刀翼，所述固定切削刀翼上设置有切削齿，所有切削齿形成至少两组切削齿组，同组切削齿组中的切削齿顶端可绕所述牙轮的转动轴线旋转投影至同一条切削轮廓线上，切削轮廓线绕牙轮的转动轴线转动即可形成各组切削齿组的切削工作面，各切削工作面的高度不同，以便形成叠层切削工作。本发明能形成叠层刮切破岩，在增加钻头破岩效率的同时，还能延长钻头的使用寿命。

Description

叠层工作的单牙轮钻头
技术领域
本发明涉及石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，特别涉及叠层工作的单牙轮钻头。
背景技术
在钻井工程中牙轮钻头和PDC钻头是钻井工程中常用的钻头。牙轮钻头中单牙轮钻头在井下动力钻具钻进深井和小尺寸井眼中发挥着重要的作用。
单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿对岩石的挤压、刮切作用破碎岩石，其侧切能力强和岩石的接触时间可调范围大，适用于在高钻压低转速状态下运行。单牙轮牙齿通常使用的齿型有楔形齿、勺形齿、球形齿等硬质合金齿。在硬地层和高研磨性地层中，这种硬质合金牙齿的磨损寿命较短，同时由于牙轮空间布齿区域有限，造成牙轮牙齿提前磨损，影响单牙轮钻头在硬地层和高研磨性地层中的平均机械钻速和使用寿命。因此，研究抗研磨性强、岩石适应性更广泛、布齿覆盖率更好的的单牙轮钻头，不仅是提高单牙轮钻头使用寿命和小井眼侧钻及深井提速的当务之急，而且也对今后相关学科研究有着重要的参考价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了叠层工作的单牙轮钻头，能形成叠层刮切破岩，在增加钻头破岩效率的同时，还能延长钻头的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：叠层工作的单牙轮钻头，包括牙掌以及转动安装于牙掌前端的牙轮，在所述牙轮的外表面固定安装有若干固定切削刀翼，所述固定切削刀翼上设置有切削齿，所有切削齿形成至少两组切削齿组，同组切削齿组中的切削齿顶端可绕所述牙轮的转动轴线旋转投影至同一条切削轮廓线上，切削轮廓线绕牙轮的转动轴线转动即可形成各组切削齿组的切削工作面，各切削工作面的高度不同，以便形成叠层切削工作。如此设置，能形成叠层刮切破岩，上层切削齿组的切削齿磨损后，下层切削齿组的切削齿接替工作，在增加钻头破岩效率的同时，还能延长钻头的使用寿命。
进一步地，所有固定切削刀翼上属于同组切削齿组的切削齿顶端在同一切削轮廓线上的旋转投影覆盖整条切削轮廓线。如此设置，保证各同组的各切削齿无缝衔接，避免同组的相邻切削齿之间形成漏切削间隙。
本发明所述的叠层工作的单牙轮钻头，每个所述固定切削刀翼上均具有分属于各切削齿组的切削齿、且分属于各切削齿组的切削齿至少为一个。如此设置，保证每个固定切削刀翼均对应具有各切削齿组的切削齿，保证整体切削齿的工作效率。
本发明所述的叠层工作的单牙轮钻头，每组切削齿组分别对应一个切削轮廓线，相邻两组切削齿组中先与岩石工作的切削齿组为先行切削齿组，后与岩石工作的切削齿组为下层切削齿组，两相邻切削齿组的切削轮廓线高差值为r，在同一固定切削刀翼中，属于先行切削齿组的切削齿的最小有效工作高度为h，其中，0＜r≤h。如此设置，可最大限度地保证上层切削齿组和下层切削齿组无缝衔接工作。
本发明所述的叠层工作的单牙轮钻头，所述切削齿为硬质合金齿、PDC齿、斧型齿和锥型齿中的至少一种。
进一步地，切削齿为硬质合金齿和PDC齿中的一种或两种，以及斧型齿和锥型齿中的一种或两种。如此设置，增加了牙轮钻头破岩的方式，使原有单牙轮的破碎岩石方式从冲击压碎+刮切变化为冲击压碎+刮切+犁削多形式破碎岩石，有利于提高钻头的破岩效率，同时使得单牙轮可以适应地层范围扩大。
本发明所述的叠层工作的单牙轮钻头，所述固定切削刀翼（3）的周向偏移夹角为α，其中，0°＜α≤5°。
本发明所述的叠层工作的单牙轮钻头，所述固定切削刀翼为椭圆形、阶梯形或者波浪形。如此设置，增加了牙轮上的布齿覆盖率。
本发明所述的叠层工作的单牙轮钻头，所述固定切削刀翼连续整垮地覆盖设置于所述牙轮上。如此设置，可增加固定切削刀翼与牙轮的连接强度。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1、牙轮上的固定切削刀翼可以很好的解决牙轮空间布齿区域有限的问题，增大牙轮布齿覆盖率。
2、固定切削刀翼上不同组固定切削齿工作面不在同一球面上，而是一种叠层工作方式破碎岩石，当相邻两组切削齿上层切削齿磨损后，下层切削齿组可以以新的切削齿状态继续破碎岩石，保持钻头的机械钻速，延长钻头的使用寿命。
3、钻头采用硬质合金齿、PDC齿、斧型齿和锥型齿的灵活组合，增加了牙轮钻头破岩的方式，使原有单牙轮的破碎岩石方式从冲击压碎+刮切变化为冲击压碎+刮切+犁削多形式破碎岩石，有利于提高钻头的破岩效率，同时使得单牙轮可以适应地层范围扩大，可以应用于硬地层和高研磨性地层。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1中固定切削刀翼与切削齿的配合示意图；
图3是本发明中固定切削刀翼与牙轮转动轴线的角度配合示意图；
图4是本发明中实施例2中固定切削刀翼与切削齿的配合示意图；
图5是本发明实施例3的结构示意图；
图6是本发明实施例3中固定切削刀翼与切削齿的配合示意图；
附图标记：1为牙掌，2为牙轮，3为固定切削刀翼，4为切削齿，5为牙轮轮廓线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1至3所示，叠层工作的单牙轮钻头，包括牙掌1以及转动安装于牙掌1前端的牙轮2，在牙轮2的外表面固定安装有若干固定切削刀翼3，固定切削刀翼3具体镶焊在牙轮2外表面，固定切削刀翼3为椭圆形、阶梯形或者波浪形，本实施例1具体设置为阶梯形，且在牙轮2的球面形成四条斜曲线，每条斜曲线均由若干个固定切削刀翼3组成；
固定切削刀翼3上设置有切削齿4，固定切削刀翼3上具有安装凹窝，切削齿4固定安装于安装凹窝内，可方便切削齿的安装固定，更加规范可靠，切削齿4为硬质合金齿、PDC齿、斧型齿和锥型齿中的至少一种，具体地，切削齿4为硬质合金齿和PDC齿中的一种或两种，以及斧型齿和锥型齿中的一种或两种，本实施例1具体在每个固定切削刀翼3上安装三个切削齿4，分别设置为斧型齿、PDC齿和锥型齿；
牙轮2上的所有切削齿4形成至少两组切削齿组，同组切削齿组中的各切削齿（4）顶端可绕牙轮2的转动轴线旋转投影至同一条切削轮廓线上，切削轮廓线绕牙轮2的转动轴线转动即可形成各组切削齿组的切削工作面，各切削工作面的高度不同，每个所述固定切削刀翼3上均具有分属于各切削齿组的切削齿4、且分属于各切削齿组的切削齿4至少为一个，各切削齿组形成叠层切削工作，本实施例1中具体形成三组切削齿组，对应于三条切削轮廓线，如图2中的a、b和c三条切削轮廓线，三组切削齿组能形成叠层刮切破岩，上层切削齿组的切削齿4磨损后，下层切削齿组的切削齿4接替工作。
进一步地，所有固定切削刀翼3上属于同组切削齿组的切削齿4顶端在同一切削轮廓线上的旋转投影覆盖整条切削轮廓线；每组切削齿组分别对应一个切削轮廓线，相邻两组切削齿组中先与岩石工作的切削齿组为先行切削齿组，后与岩石工作的切削齿组为下层切削齿组，两相邻切削齿组的切削轮廓线高差值为r，在同一固定切削刀翼3中，属于先行切削齿组的切削齿4的最小有效工作高度为h，其中，0＜r≤h，可最大限度地保证上层切削齿组和下层切削齿组无缝衔接工作，固定切削刀翼3的周向偏移夹角为α，其中，0°＜α≤5°。
实施例2
如图4所示，本实施例2与实施例1的区别在于，固定切削刀翼3为椭圆形，且其上部固定安装四个切削齿4，分别设置为硬质合金齿、PDC齿、斧型齿和锥型齿，本实施例2也形成三组切削齿组，对应于三条切削轮廓线，如图4中的d、e和f三条切削轮廓线。
实施例3
如图5和6所示，本实施例3与实施例1的区别在于，固定切削刀翼3为波浪形，且为连续整垮地覆盖设置于牙轮2上，具体在牙轮2外表面布置7个波浪形的整垮结构，同时，本实施例3中具体形成五组切削齿组，对应于五条切削轮廓线，如图6中的g、h、i、j和k五条切削轮廓线。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (7)

1.叠层工作的单牙轮钻头，包括牙掌（1）以及转动安装于牙掌（1）前端的牙轮（2），其特征在于：在所述牙轮（2）的外表面固定安装有若干固定切削刀翼（3），所述固定切削刀翼（3）上设置有切削齿（4），所有切削齿（4）形成至少两组切削齿组，同组切削齿组中的切削齿（4）顶端可绕所述牙轮（2）的转动轴线旋转投影至同一条切削轮廓线上，切削轮廓线绕牙轮（2）的转动轴线转动即可形成各组切削齿组的切削工作面，各切削工作面的高度不同，以便形成叠层切削工作。
2.根据权利要求1所述的叠层工作的单牙轮钻头，其特征在于：每个所述固定切削刀翼（3）上均具有分属于各切削齿组的切削齿（4）、且分属于各切削齿组的切削齿（4）至少为一个。
3.根据权利要求1所述的叠层工作的单牙轮钻头，其特征在于：每组切削齿组分别对应一个切削轮廓线，相邻两组切削齿组中先与岩石工作的切削齿组为先行切削齿组，后与岩石工作的切削齿组为下层切削齿组，两相邻切削齿组的切削轮廓线高差值为r，在同一固定切削刀翼（3）中，属于先行切削齿组的切削齿（4）的最小有效工作高度为h，其中，0＜r≤h。
4.根据权利要求1所述的叠层工作的单牙轮钻头，其特征在于：所述切削齿（4）为硬质合金齿、PDC齿、斧型齿和锥型齿中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的叠层工作的单牙轮钻头，其特征在于：所述固定切削刀翼（3）的周向偏移夹角为α，其中，0°＜α≤5°。
6.根据权利要求1至5任一项所述的叠层工作的单牙轮钻头，其特征在于：所述固定切削刀翼（3）为椭圆形、阶梯形或者波浪形。
7.根据权利要求6所述的叠层工作的单牙轮钻头，其特征在于：所述固定切削刀翼（3）连续整垮地覆盖设置于所述牙轮（2）上。
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