CN109372434A - 一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头 - Google Patents

一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，包括钻头基体和牙轮；钻头基体的上端设置有连接部，钻头基体的下端为斜面，斜面上垂直设置有轴颈，轴颈的下端圆柱面上设置有绕轴颈中心轴环绕的外壁弧形槽；牙轮设有与轴颈匹配的安装盲孔，安装盲孔的侧壁设置有与轴颈的外壁弧形槽匹配的内壁弧形槽；牙轮套装在钻头基体的轴颈上，外壁弧形槽与内壁弧形槽之间充装有钢珠。牙轮的外周均布有三列主齿排和三列副齿排，主齿排和副齿排从顶至底依次布置有浮动复合齿、硬质合金齿和牙轮保径齿。本发明镶装浮动复合齿的单牙轮钻头具有破岩能力更强、钻头寿命更长的优点，并且提高了钻头的工作指标、降低了钻井成本。

Description

一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头
技术领域
本发明涉及石油钻头领域，具体涉及一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头。
背景技术
目前凿岩钻头仍以三牙轮钻头为主要工具，但是单牙轮钻头有许多特点优于三牙轮钻头：(1)国内外高转速钻井多采螺杆钻具和涡沦钻具，钻头转速为300—600r/min，属于超高转速，三牙轮钻头牙轮的转速是钻头转速的1.5倍，其牙轮转速将达到450—900r/min，而单牙轮钻头牙轮的转速是钻头转速的0.75倍，其牙轮的转速约为225—450r/min，牙轮的转速约为三牙轮钻头牙轮转速的一半，因此用单轮钻头取代三牙轮钻头可以大副度提高钻头工作指标及降低钻井成本；(2)单牙轮钻头的球形牙轮能提供最大的轴承空间，其轴承承载面积比三个锥形牙轮提供轴承空间之和大得多，承载面积可扩大5－8倍，有利于最大限度地提高轴承寿命；(3)单牙轮钻头的球形牙轮能提供最大的布齿空间使球形井底得到高效全面破碎，提高钻头工作指标和降低钻井成本；(4)单牙轮钻头牙齿以刮削方式破碎球形井底岩石，比三牙轮钻头齿冲击破岩效率高；(5)球形牙轮强度高能承受更大的钻压和转速；(6)掉牙轮事故发生少，在轴承密封失效严重磨损后也不会掉牙轮；(7)最大限度地提高钻头工作制标及降低钻井成本。因此对于单牙轮钻头的不断研发创新具有深远的意义。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，在牙轮上镶装具有径向间隙和轴向间隙的浮动齿环，破岩时岩石的阻力能推动浮动齿环转动起来不偏磨切削齿，提高它的寿命和破岩效率，提高头工作指标和降低钻井成本。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，包括钻头基体和牙轮；钻头基体的上端设置有连接部，钻头基体的下端为斜面，斜面上垂直设置有轴颈，轴颈的下端圆柱面上设置有绕轴颈中心轴环绕的外壁弧形槽；
牙轮设有与轴颈匹配的安装盲孔，安装盲孔的侧壁设置有与轴颈的外壁弧形槽匹配的内壁弧形槽；牙轮套装在钻头基体的轴颈上，外壁弧形槽与内壁弧形槽之间充装有钢珠。
牙轮的外周均布有三列主齿排，三列主齿排位于牙轮对应的三条母线上；两两主齿排的中间母线上插入一列副齿排，主齿排和副齿排从顶至底依次布置有切削齿，切削齿包含浮动复合齿、硬质合金齿和牙轮保径齿，副齿排上的切削齿与主齿排上的切削齿在旋转轨迹上等距错位。
进一步地，主齿排从顶至底依次布设三颗浮动复合齿、两颗硬质合金齿和一颗牙轮保径齿；副齿排从顶至底依次布设三颗浮动复合齿、一颗硬质合金齿和一颗牙轮保径齿。
进一步地，浮动复合齿包含浮动齿环、硬质合金齿柱和固定挡轴；
浮动齿环的中心设置有环孔，浮动齿环的一端设置有耐磨合金层；硬质合金齿柱固定连接牙轮上；固定挡轴的纵截面为T字形，固定挡轴包含轴部和凸缘部；浮动齿环被固定挡轴连接在硬质合金齿柱上，且浮动齿环的耐磨合金层朝向外侧；浮动齿环与固定挡轴的轴部之间留有径向间隙，浮动齿环与固定挡轴的凸缘部之间留有轴向间隙。
进一步地，浮动齿环与固定挡轴的轴部之间的径向间隙范围为0.1mm-0.3mm，浮动齿环与固定挡轴的凸缘部之间的轴向间隙范围为0.3mm-0.8mm。
更进一步地，牙轮的轮顶中心设置有一颗轮顶硬质合金齿，绕中心轴线均匀分布有五颗轮顶硬质合金齿。
进一步地，钻头基体的中轴线与轴颈的中轴线的夹角是度。
进一步地，钻头基体上设有四组钻头保径齿，每组钻头保径齿包含两颗锥球合金齿和一颗锥球复合齿，且锥球复合齿位于两颗锥球合金齿的中间。
进一步地，钻头基体上设置有水力喷射系统，水力喷射系统包含中心喷管、斜水孔、喷嘴和密封圈；
中心喷管的中轴线与钻头基体的中轴线重合；
钻头基体下端斜面上设置有两个与中心喷管连通的斜水孔，每个斜水孔的下端设置有内螺纹；喷嘴设置有与斜水孔下端的内螺纹匹配的外螺纹；喷嘴与斜水孔的下端通过螺纹连接，喷嘴与斜水孔之间设置有密封圈。
进一步地，牙轮的主齿排与副齿排之间的母线上设置有水槽。
本发明镶装浮动复合齿的单牙轮钻头具有破岩能力更强、钻头寿命更长的优点，提高了钻头的工作指标、降低了钻井成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明镶装浮动复合齿的单牙轮钻头的整体结构示意图；
图2为图1中钻头基体的结构示意图；
图3为图1中牙轮的结构示意图；
图4为图1的K向视图；
图5为浮动复合齿的结构示意图。
在以上图中：1钻头基体；11连接部；12轴颈；13外壁弧形槽；14锥球合金齿；15锥球复合齿；16中心喷管；17斜水孔；18喷嘴；19密封圈；2牙轮；21安装盲孔；22内壁弧形槽；23主齿排；24副齿排；25浮动复合齿；251浮动齿环；2511耐磨合金层；252硬质合金齿柱；253固定挡轴；2531轴部；2532凸缘部；26硬质合金齿；27牙轮保径齿；28轮顶硬质合金齿；29水槽；3钢珠。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
参考图1，一种镶装浮动复合齿25的单牙轮2钻头，包括钻头基体1和牙轮2；参考图2，所述钻头基体1的上端设置有连接部11，钻头基体1的下端为斜面，所述斜面上垂直设置有轴颈12，所述轴颈12的下端圆柱面上设置有绕轴颈12中心轴环绕的外壁弧形槽13；
参考图3，所述牙轮2设有与所述轴颈12匹配的安装盲孔21，所述安装盲孔21的侧壁设置有与所述轴颈12的外壁弧形槽13匹配的内壁弧形槽22；参考图，所述牙轮2套装在所述钻头基体1的轴颈12上，所述外壁弧形槽13与内壁弧形槽22之间充装有钢珠3。
以上实施例中，为了固定将牙轮2安装在钻头基体1上，并且牙轮2需要绕轴颈12转动，在牙轮2上设置外壁弧形槽13，在钻头基体1上设置内壁弧形槽22，当牙轮2套装到钻头基体1的轴颈12上，内壁弧形槽22和外壁弧形槽13围成一个环形通道。钻头基体1上设置有向环形通道中灌装钢珠3的灌装圆孔，将数个钢珠3从灌装圆孔灌装到环形通道中，再将灌装圆孔用堵头堵塞，即可将牙轮2与钻头基体1连接在一起，且钢珠3可以减小牙轮2与钻头基体1之间的摩擦力。
参考图3和图4，所述牙轮2的外周均布有三列主齿排23，三列主齿排23位于牙轮2对应的三条母线上；两两主齿排23的中间母线上插入一列副齿排24，主齿排23和副齿排24从顶至底依次布置有切削齿；所述切削齿包含浮动复合齿25、硬质合金齿26和牙轮保径齿27，所述副齿排24上的切削齿与主齿排23上的切削齿在旋转轨迹上等距错位。将主齿排23和副齿排24上的切削齿在旋转轨迹上等距错位，钻头在工作时三列主齿排23和三列副齿排24同时切削球形井底岩石，切削痕形成交错的两个切痕网，使球形井底岩石得到高效全面破碎。
进一步地，参考图3和图4，主齿排23从顶至底依次布设三颗浮动复合齿25、两颗硬质合金齿26和一颗牙轮保径齿27；所述副齿排24从顶至底依次布设三颗浮动复合齿25、一颗硬质合金齿26和一颗牙轮保径齿27。以上实施例中，主齿排23上比副齿排24上多布置一颗硬质合金齿26。
进一步地，参考图5，所述浮动复合齿25包含浮动齿环251、硬质合金齿柱252和固定挡轴253；所述浮动齿环251的中心设置有环孔，浮动齿环251的一端设置有耐磨合金层2511；所述硬质合金齿柱252连接牙轮2上；所述固定挡轴253的纵截面为T字形，固定挡轴253包含轴部2531和凸缘部2532；
所述浮动齿环251被固定挡轴253固定连接在硬质合金齿柱252上，且浮动齿环251的耐磨合金层2511朝向外侧；
所述浮动齿环251与固定挡轴253的轴部2531之间留有径向间隙，所述浮动齿环251与固定挡轴253的凸缘部2532之间留有轴向间隙。
以上实施例中，主齿排23和副齿排24上布置有浮动复合齿25。在破岩时，岩石的阻力能推动浮动齿环251转动起来不偏磨损浮动齿环251，提高浮动齿环251的寿命和破岩效率，进而提高钻头工作指标和降低钻井成本。
更进一步地，所述浮动齿环251与固定挡轴253的轴部2531之间的径向间隙范围为0.1mm-0.3mm，所述浮动齿环251与固定挡轴253的凸缘部2532之间的轴向间隙范围为0.3mm-0.8mm。本实施例中，固定挡轴253的轴部2531之间的径向间隙优选为0.2mm，固定挡轴253的凸缘部2532之间的轴向间隙优选为0.5mm。
进一步地，参考图1和图4，所述牙轮2的轮顶中心设置有一颗轮顶硬质合金齿28，绕中心轴线均匀分布有六颗轮顶硬质合金齿28。
以上实施例中，在牙轮2的轮顶布置有共计七颗硬质合金齿26。
进一步地，参考图2，所述钻头基体1的中轴线与轴颈12的中轴线的夹角是20度。
进一步地，为了加强钻头的保径能力，参考图2，所述钻头基体1上设有四组钻头保径齿，每组钻头保径齿包含两颗锥球合金齿14和一颗锥球复合齿15，且锥球复合齿15位于两颗锥球合金齿14的中间。
进一步地，为了冲洗牙轮2破岩时的岩屑，参考图2，钻头基体1上设置有水力喷射系统，水力喷射系统包含中心喷管16、斜水孔17、喷嘴18和密封圈19；中心喷管16的中轴线与钻头基体1的中轴线重合；所述钻头基体1下端斜面上设置有两个与中心喷管16连通的斜水孔17，每个斜水孔17的下端设置有内螺纹；所述喷嘴18设置有与斜水孔17下端的内螺纹匹配的外螺纹；所述喷嘴18与斜水孔17的下端通过螺纹连接，喷嘴18与斜水孔17之间设置有密封圈19。
进一步地，参考图4，所述牙轮2的主齿排23与副齿排24之间的母线上设置有水槽29。从外部输入的高速泥浆从中心喷管16进入两个斜水孔17，冲向牙轮2的表面，高速泥浆即可携带井底岩屑上返。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的。因此，在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，包括钻头基体(1)和牙轮(2)；
所述钻头基体(1)的上端设置有连接部(11)，钻头基体(1)的下端为斜面，所述斜面上垂直设置有轴颈(12)，所述轴颈(12)的下端圆柱面上设置有绕轴颈(12)中心轴环绕的外壁弧形槽(13)；
所述牙轮(2)设有与所述轴颈(12)匹配的安装盲孔(21)，所述安装盲孔(21)的侧壁设置有与所述轴颈(12)的外壁弧形槽(13)匹配的内壁弧形槽(22)；所述牙轮(2)套装在所述钻头基体(1)的轴颈(12)上，所述外壁弧形槽(13)与内壁弧形槽(22)之间充装有钢珠(3)；
所述牙轮(2)的外周均布有三列主齿排(23)，三列主齿排(23)位于牙轮(2)对应的三条母线上；两两主齿排(23)的中间母线上插入一列副齿排(24)，主齿排(23)和副齿排(24)从顶至底依次布置有切削齿，所述切削齿包含浮动复合齿(25)、硬质合金齿(26)和牙轮保径齿(27)，所述副齿排(24)上的切削齿与主齿排(23)上的切削齿在旋转轨迹上等距错位。
2.根据权利要求1所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述主齿排(23)从顶至底依次布设三颗浮动复合齿(25)、两颗硬质合金齿(26)和一颗牙轮保径齿(27)；所述副齿排(24)从顶至底依次布设三颗浮动复合齿(25)、一颗硬质合金齿(26)和一颗牙轮保径齿(27)。
3.根据权利要求2所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述浮动复合齿(25)包含浮动齿环(251)、硬质合金齿柱(252)和固定挡轴(253)；
所述浮动齿环(251)的中心设置有环孔，浮动齿环(251)的一端设置有耐磨合金层(2511)；
所述硬质合金齿柱(252)固定连接牙轮(2)上；
所述固定挡轴(253)的纵截面为T字形，固定挡轴(253)包含轴部(2531)和凸缘部(2532)；
所述浮动齿环(251)被固定挡轴(253)连接在硬质合金齿柱(252)上，且浮动齿环(251)的耐磨合金层(2511)朝向外侧；
所述浮动齿环(251)与固定挡轴(253)的轴部(2531)之间留有径向间隙，所述浮动齿环(251)与固定挡轴(253)的凸缘部(2532)之间留有轴向间隙。
4.根据权利要求3所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述浮动齿环(251)与固定挡轴(253)的轴部(2531)之间的径向间隙范围为0.1mm-0.3mm，所述浮动齿环(251)与固定挡轴(253)的凸缘部(2532)之间的轴向间隙范围为0.3mm-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述牙轮(2)的轮顶中心设置有一颗轮顶硬质合金齿(28)，绕中心轴线均匀分布有五颗轮顶硬质合金齿(28)。
6.根据权利要求1所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述钻头基体(1)的中轴线与轴颈(12)的中轴线的夹角是(20)度。
7.根据权利要求1所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述钻头基体(1)上设有四组钻头保径齿，每组钻头保径齿包含两颗锥球合金齿(14)和一颗锥球复合齿(15)，且锥球复合齿(15)位于两颗锥球合金齿(14)的中间。
8.根据权利要求1所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述钻头基体(1)上设置有水力喷射系统，所述水力喷射系统包含中心喷管(16)、斜水孔(17)、喷嘴(18)和密封圈(19)；
所述中心喷管(16)的中轴线与钻头基体(1)的中轴线重合；
所述钻头基体(1)下端斜面上设置有两个与中心喷管(16)连通的斜水孔(17)，每个斜水孔(17)的下端设置有内螺纹；
所述喷嘴(18)设置有与斜水孔(17)下端的内螺纹匹配的外螺纹；
所述喷嘴(18)与斜水孔(17)的下端通过螺纹连接，喷嘴(18)与斜水孔(17)之间设置有密封圈(19)。
9.根据权利要求1所述的镶装浮动复合齿的单牙轮钻头，其特征在于，所述牙轮(2)的主齿排(23)与副齿排(24)之间的母线上设置有水槽(29)。
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