CN110485930A - Pdc-牙轮复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PDC‑牙轮复合钻头，其包括用于对安装牙轮处的密封圈和轴承进行润滑的储油补偿系统储油补偿系统包括安装于储油孔内的储油装置及开设在钢芯和连接头上将储油装置内的润滑脂导入轴承处的导流管道网；储油装置包括安装盒、下缸体和上缸体，下缸体固定安装于安装盒底部，安装盒底部的台阶使得下缸体的底部与安装盒的底部形成一传压间隙；传压间隙通过安装于连接头的通槽内的管道与喷射系统连通，管道邻近喷射系统段设置有聚四氟乙烯薄膜；下缸体内放置有顶端侧壁具有泄压针孔的泄压储油囊，上缸体将泄压储油囊固定于下缸体内，上缸体并与泄压储油囊构成一个密闭的储油腔体。
Description
技术领域
本发明涉及钻地层的钻头，具体涉及一种PDC-牙轮复合钻头。
背景技术
钻头中的牙轮在旋转对地层进行切割时，为了应付由钻井液在井底形成的高压力，一般在牙掌背部设计有一个储油补偿装置，它的任务是保证密封圈和轴承具有良好的工作条件，从而提高密封圈和轴承的使用寿命。储油补偿装置和牙轮牙掌之间的轴承润滑空间，由通道连接组成了密封储油补偿系统，从而又保证轴承有良好的润滑条件，提高钻头轴承的使用寿命。
现有的钻头普遍会设置多个牙轮以提高钻井效率，为了保证每个牙轮处的轴承及密封圈的使用寿命，需要在每个牙掌上均设置一个密封储油补偿系统，设置多个密封储油补偿系统后，在后续使用过程中需要分别对每个补偿系统进行润滑脂检查及润滑脂补偿，使得润滑脂检查及润滑脂补偿工序复杂。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的PDC-牙轮复合钻头解决了润滑脂检查及润滑脂补偿工序复杂的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种PDC-牙轮复合钻头，其包括主体，主体包括焊接为一体的钢芯和连接头，连接头上开设有储油孔，且连接头外表面的螺纹覆盖至储油孔开口的下方；钢芯通过位于同一圆周面上的至少两个非对称牙爪安装有牙轮，相邻牙轮之间的钢芯上至少连接有两个地层切削刀片，所有的地层切削刀片均从钢芯中心处的出水口处延伸至钢芯圆周边缘；
牙轮和地层切削刀片上分别设置的第一切削元件和第二切削元件均为聚晶金刚石复合片；主体上设置有对安装牙轮处的密封圈和轴承进行润滑的储油补偿系统及对牙轮和地层切削刀片进行降温的喷射系统；储油补偿系统包括安装于储油孔内的储油装置及开设在钢芯和连接头上将储油装置内的润滑脂导入轴承腔处的导流管道网；
储油装置包括安装盒、下缸体和上缸体，下缸体固定安装于安装盒底部，安装盒底部的台阶使得下缸体的底部与安装盒的底部形成一传压间隙；传压间隙通过安装于连接头的通槽内的管道与喷射系统连通，管道邻近喷射系统段设置有聚四氟乙烯薄膜；下缸体内放置有顶端侧壁具有泄压针孔的泄压储油囊，上缸体将泄压储油囊固定于下缸体内，上缸体并与泄压储油囊构成一个密闭的储油腔体；
导流管道网包括开设在连接头上与上缸体导通的第一导油管，设置于连接头焊接端面、并与第一导油管导通的弧形导流槽及每个牙爪上开设的与弧形导流槽连通、并将润滑脂导入轴承处的第二导油管，弧形导流槽的长度等于位于钢芯上同一圆面上所有牙爪连接形成的弧形的长度。
本发明的有益效果为：本方案将储油补偿系统设置在钻头的连接头上，并通过连接头焊接端面设置的环形导流槽将润滑脂导入每个牙掌内的第二导油管内，通过该种结构的设置，使得不管设置几个牙轮，一个储油补偿系统就能够实现所有牙轮处的轴承和密封圈的润滑，减少了储油补偿系统的数量，从而降低了润滑脂检查及润滑脂补偿工序的复杂性；
另外，储油补偿系统数量的减少，可以简化整个钻头润滑系统的制造工艺，使得可以提高整个钻头的加工效率及改善加工成本。
连接头外表面的螺纹覆盖至储油孔开口下方的独特设置，可以在连接头与钻柱连接时，将储油装置的开口进行密封，以避免钻头高速旋转时切削下来的岩屑损坏上缸体，使得储油装置出现润滑脂泄露而影响轴承的润滑和密封圈的内外压力平衡。
本方案通过储油装置上泄压针孔、传压间隙及管道的相互配合，可以使下缸体内腔与钢芯内的水流通道连通，以使泄压储油囊内的气压始终与钻井液流道内的气压处于平衡状态；其中聚四氟乙烯薄膜的设置，可以便于平衡气压的气体通过，同时还可以避免钻井液进入下缸体内影响气压平衡。
第一切削元件和第二切削元件采用聚晶金刚石复合片后，可以使得钻头既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。
本方案所有地层切削刀片由钻头的中心向外延伸至钢芯的边缘，使得地层切削刀片在切削时仅切削面与岩体接触，这样可以避免高速切割下的岩体撞击地层切削刀片与钢芯的接触部位，而使地层切削刀片出现被截断的可能性，从而提高了地层切削刀片的使用寿命。
附图说明
图1为PDC-牙轮复合钻头未焊接连接头的立体图。
图2为图1中PDC-牙轮复合钻头焊接上连接头、且去除地层切削刀片后延A-A方向的剖视图。
图3为图2中C部的放大图。
其中，1、钢芯；11、出水口；12、牙爪定位槽；13、出液口；2、地层切削刀片；21、排屑槽；22、冲洗管网；221、主冲洗槽；222、分流冲洗槽；23、第二切削元件；3、牙轮；31、第三切削元件；32、第一切削元件；4、连接头；41、补水主管道；42、弧形台阶槽；43、弧形密封垫圈；44、补水副管道；5、牙爪；51、轴承；52、密封圈；6、储油装置；61、安装盒；611、上缸体；612、下缸体；6121、传压间隙；613、泄压储油囊；614、台阶；62、管道；621、聚四氟乙烯薄膜；63、第一导油管；64、第二导油管。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，PDC-牙轮3复合钻头包括主体，主体包括焊接为一体的钢芯1和连接头4，连接头4上开设有储油孔，且连接头4外表面的螺纹覆盖至储油孔开口的下方；优选螺纹覆盖至储油孔开口的下方1cm处。
连接头4上螺纹覆盖长度的设置，可以在连接头4与钻柱连接时，将储油装置6的开口进行密封，以避免钻头高速旋转过程时，切削下来的岩体损坏上缸体611，使得储油装置6出现润滑脂泄露而影响牙轮3处的密封圈52和轴承51润滑。
钢芯的圆周面上至少开设有两个非对称的牙爪定位槽12，牙爪定位槽12的深度小于牙爪5的厚度，至少两个非对称牙爪5安装在牙爪定位槽12内，每个牙轮3通过螺钉阵列安装在牙爪5上，相邻牙轮3之间的钢芯1上至少连接有两个地层切削刀片2，所有的地层切削刀片2均从钢芯1中心处的出水口11处延伸至钢芯1圆周边缘。
实施时，本方案优选设置有两个牙轮3，两个牙爪5与钢芯1的中轴线之间连线间的夹角位于120°至150°之间，钢芯1劣弧侧设置有两片地层切削刀片2，优弧侧设置有三片地层切削刀片2，通过调整相邻地层切削刀片2间排屑槽21的宽度，以使所有地层切削刀片2的尺寸均相等。
本方案通过牙轮3和地层切削刀片2上述结构的配合，可以使得与岩体具有相同接触面积的情况下，尽可能地布置更多的切削元件，以增加对岩体的切削力度，而最终达到提高钻井效率。
牙轮3和地层切削刀片2上分别设置的第一切削元件32和第二切削元件23均为聚晶金刚石复合片；所有切削元件采用聚晶金刚石复合片后可以使得钻头既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性。
实施时，本方案优选所有的地层切削刀片2与地层接触的弧形接触面由出水口11侧至钢芯1圆周边缘均开设有由小变大的安装槽，第二切削元件23紧配合于安装槽内。
如图1和图2所示，牙轮3弧形表面上的第一切削元件32压入其上开设的齿槽内，并与齿槽紧配合；第一切削元件32位于齿槽内部分为圆柱体，位于齿槽外部分为去除尖顶的圆锥凸台，且第一切削元件32位于齿槽内部分长度大于位于齿槽外部分长度。
如图1所示，其中一个牙轮3顶部端面上还均布有若干第三切削元件31，第三切削元件31位于齿槽内部分为圆柱体，位于齿槽外部分为半球体，且第三切削元件31位于齿槽内部分长度大于位于齿槽外部分长度。
第一切削元件32和第三切削元件31位于齿槽内部分长度大于位于齿槽外部分长度的设置，可以提高第一切削元件32和第三切削元件31位于齿槽内的稳定性，以避免高速旋转过程在离心力作用下，第一切削元件32和第三切削元件31出现脱落；另外该种长度的设置，在高速切割时，由于位于齿槽外部分较短，可以避免切削岩体时出现截断的现象。
第一切削元件32和第三切削元件31位于齿槽外部分外形的设置，可以增大与岩体的接触面积，使得整体耐磨性得到大幅度提高。
再次参考图2，主体上设置有对安装牙轮3处的密封圈52和轴承51进行润滑的储油补偿系统及对牙轮3和地层切削刀片2进行降温的喷射系统；储油补偿系统包括安装于储油孔内的储油装置6及开设在钢芯1和连接头4上将储油装置6内的润滑脂导入轴承51处的导流管道网。
如图3所示，储油装置6包括安装盒61、下缸体612和上缸体611，下缸体612固定安装于安装盒61底部，安装盒61底部的台阶614使得下缸体612的底部与安装盒61的底部形成一传压间隙6121；传压间隙6121通过安装于连接头4的通槽内的管道62与喷射系统连通，管道62邻近喷射系统段设置有聚四氟乙烯薄膜621；下缸体612内放置有顶端侧壁具有泄压针孔的泄压储油囊613，上缸体611将泄压储油囊613固定于下缸体612内，上缸体611并与泄压储油囊613构成一个密闭的储油腔体。
泄压储油囊613由于采用柔性材质制成，在高速旋转过程中，泄压储油囊613能够在离心力作用下发生周期性收缩、伸长，在收缩时，将润滑脂从储油腔体中排出至导流管道网，以实现对牙轮3处的密封圈52和轴承51的润滑。
再次参考图3，导流管道网包括开设在连接头4上与上缸体611导通的第一导油管63，设置于连接头4焊接端面、并与第一导油管63导通的弧形导流槽及每个牙爪5上开设的与弧形导流槽连通、并将润滑脂导入轴承51处的第二导油管64，弧形导流槽的长度等于位于钢芯1上同一圆面上所有牙爪5连接形成的弧形的长度。
实施时，本方案优选第二导油管64包括斜导油管和与水平面平行的水平导油管，斜导油管与水平导油管导通，水平导油管邻近牙爪5端面端通过密封垫密封，其另一端延伸至轴承51的滚珠处。
在本发明的一个实施例中，弧形导流槽包括开设于连接头4焊接端面的弧形台阶槽42和放置于弧形台阶槽42邻近端面上、用于密封弧形台阶槽42以形成弧形导油管的弧形密封垫圈43；每个牙轮3所在侧的钢芯1上均开设有与弧形导油管连通的第三导油管，第二导油管64和第三导油管导通，且在连接处设置有密封垫圈。
连接头4和钢芯1进行焊接时，首先在弧形密封垫圈43上涂上黏胶，之后将弧形密封垫圈43放置在弧形台阶槽42内，旋转弧形密封垫圈43以使其上的过油孔与第三导油管的进口对齐；待黏胶干透后将连接头4和钢芯1在焊接形成一整体。
如图2所示，喷射系统包括补水主管道41和多根与补水主管道41连通的补水副管道44，出水口11为补水主管道41的出口；相邻两片地层切削刀片2之间的排屑槽21内均具有一个与一根独立补水副管道44连通的出液口13；出液口13和出水口11内均安装有喷嘴。
多根补水副管道44的设置，可以使液体从钻头的多个表面喷出，以实现钻头高速切割过程降温更均匀。
在本发明的一个实施例中，PDC-牙轮3复合钻头还包括布设于排屑槽21内的冲洗管网22，冲洗管网22包括与出液口13紧密接触、并延伸至排屑槽21末端的多根主冲洗槽221，相邻两根主冲洗槽221通过分流冲洗槽222连通，且部分主冲洗槽221还连接有直接延伸至排屑槽21末端的分流冲洗槽222。
冲洗管网22的设置，可以使得部分从出液口13喷出的水从排屑槽21表面均匀流过，流体在高速喷出时给冲洗管网22一个冲刷力，可以避免切割下的岩屑附着在排屑槽21内表面，影响后续产生的岩屑的正常排出，以越积越多而使得钻头难以正常的掘进。
综上所述，本方案提供的PDC-牙轮复合钻头通过喷射系统和储油补偿系统的设置，使得钻头的成本和生产效率、工作效率及使用寿命均得以很好的改善。
Claims (8)
1.PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，包括主体，所述主体包括焊接为一体的钢芯和连接头，所述连接头上开设有储油孔，且连接头外表面的螺纹覆盖至储油孔开口的下方；所述钢芯通过位于同一圆周面上的至少两个非对称牙爪安装有牙轮，相邻牙轮之间的钢芯上至少连接有两个地层切削刀片，所有的地层切削刀片均从钢芯中心处的出水口处延伸至钢芯圆周边缘；
所述牙轮和地层切削刀片上分别设置的第一切削元件和第二切削元件均为聚晶金刚石复合片；所述主体上设置有平衡轴承腔内外压力和补充轴承腔润滑脂的储油补偿系统及对牙轮和地层切削刀片进行冲洗及辅助破岩的喷射系统；所述储油补偿系统包括安装于储油孔内的储油装置及开设在钢芯和连接头上将储油装置内的润滑脂导入轴承处的导流管道网；
所述储油装置包括安装盒、下缸体和上缸体，所述下缸体固定安装于安装盒底部，安装盒底部的台阶使得下缸体的底部与安装盒的底部形成一传压间隙；所述传压间隙通过安装于连接头的通槽内的管道与喷射系统连通，所述管道邻近喷射系统段设置有聚四氟乙烯薄膜；所述下缸体内放置有顶端侧壁具有泄压针孔的泄压储油囊，所述上缸体将泄压储油囊固定于下缸体内，上缸体并与泄压储油囊构成一个密闭的储油腔体；
所述导流管道网包括开设在连接头上与上缸体导通的第一导油管，设置于连接头焊接端面、并与第一导油管导通的弧形导流槽及每个牙爪上开设的与弧形导流槽连通、并将润滑脂导入轴承处的第二导油管，所述弧形导流槽的长度等于位于钢芯上同一圆面上所有牙爪连接形成的弧形的长度。
2.根据权利要求1所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述弧形导流槽包括开设于连接头焊接端面的弧形台阶槽和放置于弧形台阶槽邻近端面上、用于密封弧形台阶槽以形成弧形导油管的弧形密封垫圈；每个牙轮所在侧的钢芯上均开设有与弧形导油管连通的第三导油管，所述第二导油管和第三导油管导通，且在连接处设置有密封垫圈。
3.根据权利要求2所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述第二导油管包括斜导油管和与水平面平行的水平导油管，所述斜导油管与水平导油管导通，水平导油管邻近牙爪端面端通过密封垫密封，其另一端延伸至轴承的滚珠槽处。
4.根据权利要求1所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述喷射系统包括补水主管道和多根与补水主管道连通的补水副管道，所述出水口为补水主管道的出口；相邻两片地层切削刀片之间的排屑槽内均具有一个与一根独立补水副管道连通的出液口；所述出液口和出水口内均安装有喷嘴。
5.根据权利要求4所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，还包括布设于排屑槽内的冲洗管网，所述冲洗管网包括与所述出液口紧密接触、并延伸至排屑槽末端的多根主冲洗槽，相邻两根主冲洗槽通过分流冲洗槽连通，且部分主冲洗槽还连接有直接延伸至排屑槽末端的分流冲洗槽。
6.根据权利要求1-5任一所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所有的地层切削刀片与地层接触的弧形接触面由出水口侧至钢芯圆周边缘均开设有由小变大的安装槽，所述第二切削元件紧配合于所述安装槽内。
7.根据权利要求1-5任一所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，所述牙轮弧形表面上的第一切削元件压入其上开设的齿槽内，并与所述齿槽紧配合；所述第一切削元件位于齿槽内部分为圆柱体，位于齿槽外部分为去除尖顶的圆锥凸台，且第一切削元件位于齿槽内部分长度大于位于齿槽外部分长度。
8.根据权利要求7所述的PDC-牙轮复合钻头，其特征在于，其中一个牙轮顶部端面上还均布有若干第三切削元件，所述第三切削元件位于齿槽内部分为圆柱体，位于齿槽外部分为半球体，且第三切削元件位于齿槽内部分长度大于位于齿槽外部分长度。
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