CN1304720C - 高强抗磨多牙轮钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于石油、天然气钻井和采矿钻井领域的具备较高强度和抗磨损性能的多牙轮钻头，包括有两个或两个以上的牙掌和牙轮，各牙掌上部相联成一体，构成钻头体，各牙掌下部为悬臂轴，牙轮套装于悬臂轴上，牙轮上安设有切削齿，其不同之处在于所述牙轮由一尖部加大牙轮和前平头牙轮构成，尖部加大牙轮的尖部具较大的轴向与径向尺寸，且牙轮前端离钻头中心线近，余下的前平头牙轮尖部具较小的轴向尺寸且牙轮前离钻头中心线远。本发明采用了不同尖部结构牙轮来构成多牙轮钻头，消除了牙轮强度的薄弱环节，避免了牙轮尖部磨损折断现象的发生，有效增强了多牙轮钻头的强度和抗磨损能力，使牙轮钻头的使用寿命进一步提高。

Description

高强抗磨多牙轮钻头
技术领域
本发明涉及一种用于石油、天然气钻井和采矿钻井领域的具备较高强度和抗磨损性能的多牙轮钻头，该钻头适用于从极软至硬的多种地层的定向井钻井。
背景技术
现有的多牙轮钻头，包括两牙轮钻头、三牙轮钻头、五牙轮钻头，均主要由牙掌与带切削齿的牙轮构成，其中各牙掌上部相联成一体，构成钻头体，牙掌下部为悬臂轴，牙轮套装于悬臂轴上。通常，各牙掌及悬臂轴的形状和大小是完全相同的，牙轮牙掌以钻头轴线为中心沿周向均布。由于各牙轮的尖部(小头部分)均靠近钻头中心，受中心区域空间的限制，牙轮的尖部较细小，强度较弱，加之各牙轮切削齿之间的相互啮合，在牙轮上还要开设齿槽，因而进一步降低了牙轮尖部的强度。这些情况，在三牙轮和五牙轮钻头上表现得较为典型。目前，定向井、大位移水平施工占有很大比重且越来越多，而在这些井的钻进过程中，牙轮受力比在直井钻进时更大，牙轮特别是牙轮齿槽有很大磨损，由此常导致牙轮尖部的损坏，从而降低了牙轮钻头的有效使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种使牙轮尖部强度得到增强的具较高强度和抗磨损性能的多牙轮钻头。
本发明为解决上述存在的问题所采用的技术方案为：包括有两个或两个以上的牙掌和牙轮，各牙掌上部相联成一体，构成钻头体，各牙掌下部为悬臂轴，牙轮套装于悬臂轴上，牙轮上安设有切削齿，其不同之处在于所述牙轮由一尖部加大牙轮和前平头牙轮构成，尖部加大牙轮的尖部(小头部分)具较大的轴向与径向尺寸，且尖部加大牙轮前端离钻头中心线较近，余下的前平头牙轮尖部具较小的轴向尺寸，且前平头牙轮前端离钻头中心线较远。
按上述方案，所述的尖部加大牙轮可与较大直径和长度的牙掌悬臂轴相配置，前平头牙轮可与较小直径和长度的牙掌悬臂轴相配置；较大直径和长度牙掌悬臂轴与较小直径和长度牙掌悬臂轴的直径之比为1∶0.4～0.95，长度之比为1∶0.4～0.8；所述的牙轮为2～5个，通常为3个；牙轮为镶齿牙轮或钢齿牙轮；前平头牙轮的尖部安设有切削齿，或敷焊耐磨合金层。所述镶齿牙轮的切削齿为硬质合金齿或金刚石复合齿，切削齿齿形为楔形齿、勺形齿、锥球齿、球形齿或平头齿。
本发明的特点是在于采用了不同尖部结构牙轮来构成多牙轮钻头，这样，一方面由于尖部加大牙轮的尖部尺寸变大，强度增加，而前平头牙轮的头部缩短其外径也相应变大，强度也得到增加；另一方面，由于各牙轮尖部不存在啮合关系，尖部齿槽很浅甚至没有齿槽，因而消除了牙轮强度的薄弱环节，避免了牙轮尖部磨损折断现象的发生，有效增强了多牙轮钻头的强度和抗磨损能力，使牙轮钻头的使用寿命进一步提高。
本发明可用于多种地层的定向井钻井。对多牙轮钻头而言，其破岩效率的快慢取决于破岩效率最慢的那个切削齿排，对三牙轮钻头，切削效率最高的齿排是牙轮尖部齿排，切削效率最低的齿排是鼻部齿排(最外端齿排)，因此，三牙轮钻头破岩效率取决于鼻部齿排的切削效率。因而将井底中心区域的岩石破碎任务交由尖部加大牙轮的尖部齿排去完成，不会降低牙轮钻头的整体破岩效率。
附图说明
图1为本发明一个实施例的立体结构图。
图2为本发明一个实施例中尖部加大牙轮和牙掌部分的结构图。
图3为本发明一个实施例中前平头牙轮和牙掌部分的结构图。
图4为本发明一个实施例的牙轮间啮合关系图。
图5为本发明的井底击碎图。
图6为本发明另一个实施例的立体结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
第一个实施例如图1、2、3、4、5所示，为一个镶齿三牙轮钻头，包括有三个牙掌，其中一个牙掌4具有较大直径和长度的悬臂轴9，另两个牙掌6为具有较小直径和长度的悬臂轴10，悬臂轴由大轴与端头小轴构成，本实施例中悬臂轴9的大轴和小轴长度均比悬臂轴10的大轴和小轴长度长，长度之比为1∶0.6～0.8，悬臂轴9的大轴和小轴直径也均比悬臂轴10的大轴和小轴直径大，直径大小之比为1∶0.8～0.95，较大直径和长度的悬臂轴9与尖部加大牙轮3相配置，尖部加大牙轮的尖部(牙轮小头部分)具有较大的轴向和径向尺寸，尖部加大牙轮前端接近钻头中心线11，该牙轮尖部无径向齿槽，整个尖部加大牙轮上布设有切削齿2，切削齿齿形为楔形齿或锥球齿，牙轮背锥面上安设平头背锥齿12；较小直径和长度的悬臂轴10与前平头牙轮7相配置，前平头牙轮的尖部具较小的轴向尺寸，前端向后收缩，距离钻头中心线较远，前平头牙轮尖部平坦，无径向齿槽，前平头牙轮上布设有切削齿8，切削齿齿形为楔形齿或锥球齿，牙轮背锥上安设有平头背锥齿13；三个牙掌的上部相结合成一体，构成钻头体1，钻头体上安设有喷嘴5。本实施例中，尖部加大牙轮3和前平头牙轮7的尖部不存在啮合关系，尖部处均无径向齿槽，因而牙轮尖部强度增强，抗磨损性能提高，从图5看，在以钻头中心线11为轴线，直径为D的圆柱形区域内的岩石主要由尖部加大牙轮3的尖部切削齿进行破碎，前平头牙轮7在该区域内在保护自身牙轮基体的基础上起一定的辅助破岩作用。D的取值范围通常为牙轮钻头直径的十分之一至二分之一。
本发明第二个实施例如图6所示，它与第一个实施例的主要不同之处是前平头牙轮7的尖部敷焊耐磨合金层14，不安设切削齿，其它部分与上一个实施例相同。

Claims (7)

1、一种高强抗磨多牙轮钻头，包括有两个或两个以上的牙掌和牙轮，各牙掌上部相联成一体，构成钻头体，各牙掌下部为悬臂轴，牙轮套装于悬臂轴上，牙轮上安设有切削齿，其特征在于所述牙轮由一尖部加大牙轮和前平头牙轮构成，尖部加大牙轮的尖部具较大的轴向与径向尺寸，且尖部加大牙轮前端离钻头中心线较近，余下的前平头牙轮尖部具较小的轴向尺寸，且前平头牙轮前端离钻头中心线较远。
2、按权利要求1所述的高强抗磨多牙轮钻头，其特征在于所述的尖部加大牙轮与较大直径和长度的牙掌悬臂轴相配置，前平头牙轮与较小直径和长度的牙掌悬臂轴相配置。
3、按权利要求2所述的高强抗磨多牙轮钻头，其特征在于较大直径和长度牙掌悬臂轴与较小直径和长度牙掌悬臂轴的直径之比为1∶0.4～0.95，长度之比为1∶0.4～0.8。
4、按权利要求1或2所述的高强抗磨多牙轮钻头，其特征在于所述的牙轮为2～5个。
5、按权利要求1或2所述的高强抗磨多牙轮钻头，其特征在于牙轮为镶齿牙轮或钢齿牙轮。
6、按权利要求1或2所述的高强抗磨多牙轮钻头，其特征在于前平头牙轮的尖部安设有切削齿，或敷焊耐磨合金层。
7、按权利要求5所述的高强抗磨多牙轮钻头，其特征在于为一个镶齿三牙轮钻头，包括有三个牙掌，其中一个牙掌具有较大直径和长度的悬臂轴，另两个牙掌为具有较小直径和长度的悬臂轴，较大直径和长度牙掌悬臂轴与较小直径和长度牙掌悬臂轴的长度之比为1∶0.6～0.8，直径之比为1∶0.8～0.95，各牙轮上布设有切削齿，切削齿齿形为楔形齿或锥球齿，钻头体上安设有喷嘴。
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