CN1734054A - 凸形齿顶切削齿 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于石油、天然气和地质钻井牙轮钻头上的凸形齿顶切削齿。它包括有齿柱和齿冠，所述的齿冠由锥形冠基和对应设置的两个楔面构成，两个楔面上端与齿顶交汇，其特征在于齿顶是由一段外凸曲线绕一轴线旋转切割锥形冠基而构成的回转曲面。构成齿顶回转曲面的外凸曲线两端各有一段与之位于同一平面内并与之相切或圆滑连接的曲线，绕同一轴线旋转切割锥形冠基形成同一回转曲面，构成相贯一体的凸形齿顶和齿顶两侧的对应楔面。本发明的有益效果在于易于破碎岩石，提高牙轮钻头切削齿的切削效率，降低钻井的综合成本；降低齿顶及齿顶与相邻曲面之间的连接部应力分布，提高了齿的强度和使用寿命，齿顶及齿冠回转曲面易于加工和实施。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于石油、天然气和地质钻井牙轮钻头上的凸形齿顶切削齿。
背景技术
牙轮钻头被广泛应用于油田、矿山和工程钻探领域，在镶齿牙轮钻头的牙轮上镶装有多排切削齿，现有的牙轮钻头的切削齿有楔形齿和勺形齿等，其齿顶一般呈平直圆弧面状，即齿顶为水平柱面状。在牙轮钻头的实际钻探过程中，由于切削齿吃入地层时，整段齿顶同时与地层接触，导致接触面积较大，不利于岩石破碎，影响了牙轮钻头的切削效率，增加了钻井成本；且由于边缘效应，齿顶两端产生应力集中现象，使得齿顶两端易发生疲劳剥落，降低了合金切削齿的使用寿命。中国专利98235654.4是仅将勺形齿顶设计成凸顶，没有给出明确的实施方案，难以实施，且难以保证凸顶与相邻曲面之间成光滑过渡，因而在工作过程中，齿顶与相邻曲面之间的连接部位会产生应力集中现象，降低齿的性能和寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种易于破碎岩石、能提高切削效率并可改善切削齿吃入地层时齿顶及相邻曲面间应力分布状况的凸形齿顶切削齿。
为解决上述提出的问题，本发明采用以下的技术方案：包括有齿柱和齿冠，所述的齿冠由锥形冠基和对应设置的两个楔面构成，两个楔面上端与齿顶交汇，其不同之处在于齿顶是由一段外凸曲线绕一轴线旋转切割锥形冠基而构成的回转曲面。
按上述方案，所述的构成齿顶回转曲面的外凸曲线两端各有一段与之位于同一平面内并与之相切或圆滑连接的曲线，绕同一轴线旋转切割锥形冠基形成同一回转曲面，构成相贯一体的凸形齿顶和齿顶两侧的对应楔面。
按上述方案，所述的轴线与齿柱轴线垂直相交(两线位于同一平面)或垂直立体交叉(两线不在同一平面)。
按上述方案，所述的构成齿顶回转曲面的外凸曲线为圆弧，或椭圆弧，或抛物线，或双曲线，或其它曲线；所述的构成齿冠楔面的回转曲面的曲线是圆弧，或直线段，或椭圆弧，或抛物线，或双曲线，或其它曲线。所述的切削齿可由硬质合金制成，构成硬质合金切削齿。
本发明的有益效果在于：1、具有向上凸起的回转曲面齿顶的切削齿在工作时，其齿顶是由齿顶中部最上部位开始到齿顶两端，逐步与岩石接触的，在刚开始与岩石接触时，只有齿顶中部与岩石接触，接触面积小，使得岩石上产生的局部接触应力较高，更利于岩石破碎，因而可提高齿的切削效率，也即增强了牙轮钻头的切削性能，使牙轮钻头的机械钻速和进尺得到有效的提高，从而较大幅度地降低钻井的综合成本；2、钻头使用的钻压较小。一般情况下，在相同或相近的钻井条件下，使用牙轮钻头时，钻压越高，获得的机械钻速越高。而安设本发明的牙轮钻头可在较低的钻压下工作，钻井的机械钻速反而还高于安装普通平顶勺形齿的钻头。3、由于齿顶中部高，两端低，降低了齿顶两端由于边缘效应产生的高应力，减少齿顶两端发生破损的机率，提高了齿的寿命；4、由于齿顶与相邻的其它齿冠曲面是光滑连接的，消除了连接的应力集中现象，有效改善合金齿吃入地层时齿顶及齿顶与相邻曲面之间的连接部应力分布状况，减少齿顶与相邻的其它齿冠曲面的连接部位发生破碎的机率，增强了齿冠的强度，进一步提高了齿的寿命；5、由于齿顶曲面与相贯楔面的旋转轴线为同一轴线，易于加工和实施。
本发明在岩性为较难钻进的灰色、深灰色白云质凝灰岩、凝灰质泥岩和凝灰质砂砾岩互层的地质钻探中的对比实验情况如下：
安设本发明的三牙轮钻头(81/2HJ447G钻头)比安装普通平顶勺形齿的三牙轮钻头(81/2HJT517G钻头)在一段相同井段地层中使用数据对比见表1。
表1
| 钻头型号 | 片段(m) | 进尺(m) | 泥浆密度(g/cm3) | 粘度(s) | 钻压(KN) | 转速(r/min) | 泵压(MPa) | 排量(L/s) | 纯钻时间(h) | 机械钻速(m/h) |
| 8 1/2HJT517G | 3349～3454 | 105 | 1.06 | 49 | 160 | 60 | 13 | 26 | 48.92 | 2.15 |
| 8 1/2HJ447G | 3464～3637 | 173 | 1.05 | 49 | 140 | 60 | 14 | 28 | 59.17 | 2.92 |
从表1可以看到，在基本相同的条件下，本发明钻头的机械钻速比8 1/2HJT517G钻头高35.8％，进尺多，钻压相对低，齿的抗破碎性能也有明显的改善。
附图说明
图1为现有的一种用于牙轮钻头切削齿的正视图。
图2为图1的左视图。
图3为本发明第一个实施例的正视图。
图4为图3的左视图。
图5为本发明第一个实施例的立体图。
图6为本发明第二个实施例的正视图。
图7为图6的左视图。
图8为本发明第三个实施例的正视图。
图9为图8的左视图。
图10为本发明第四个实施例的正视图。
图11为图10的左视图。
图12为本发明第五个实施例的正视图。
图13为图12的左视图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的实施例，第一个实施例如图3、图4、图5所示，包括有齿柱1和齿冠2，所述的齿冠由锥形冠基9和对应设置的两个楔面8构成，两个楔面上端与齿顶3交汇，齿顶和两个楔面是由位于同一平面的相切的外凸曲线5、外凸曲线4和外凸曲线6同时绕轴线7旋转切割锥形冠基9而构成，所述的曲线均为圆弧，其中齿顶3是由外凸曲线5、两个楔面由外凸曲线4、6，三条曲线相切连接绕轴线7旋转切割锥形冠基9而构成。构成齿顶外凸曲线5的曲率半径R为5-50毫米，通常为10-30毫米；轴线7位于切削齿对称平面上，且与齿柱轴线垂直相交，同时与上述的三条外凸曲线位于同一平面内，且位于构成齿顶的外凸曲线5的内凹侧。这种齿在工作时，其齿顶是由齿顶中部最上部位开始到齿顶两端，逐步与岩石接触的，在刚开始与岩石接触时，只有齿顶中部与岩石接触，接触面积小，使得岩石上产生的局部接触应力较高，更利于岩石破碎，因而可提高齿的切削效率，降低钻井的综合成本；由于其齿冠是由外凸圆弧旋转而成的，就象拱形结构一样，具有很高的强度，提高了齿的承载能力和寿命；降低了齿顶两端由于边缘效应产生的高应力，减少齿顶两端发生破损的机率，进一步提高了齿的寿命；由于齿顶与相邻的其它齿冠曲面是光滑连接的，消除了连接部位的应力集中现象，减少了连接部位发生破碎的机率，进一步提高了齿的寿命；易于加工和实施。
本发明的第二个实施例如图6、图7所示，与第一个实施例的主要不同之处在于两个楔面中的一个楔面是由一条内凹曲线6a绕轴线7旋转切割锥形冠基9而构成，即齿顶和两个楔面是由位于同一平面的相切的外凸曲线5、外凸曲线4和内凹曲线6a同时绕轴线7旋转切割锥形冠基9而构成，形成两个不对称的楔面，所述的内凹曲线为内凹圆弧，其它部分与上一实施例相同。
本发明的第三个实施例如图8、图9所示，与第一个实施例的主要不同之处在于形成两个楔面的曲线均为直线段4b、6b，即齿顶和两个楔面是由位于同一平面的相切的外凸曲线5、直线段4b、6b同时绕轴线7旋转切割锥形冠基9而构成，其它部分与第一个实施例相同。
本发明的第四个实施例如图10、图11所示，与第一个实施例的主要不同之处在于整个齿顶3相对齿柱轴线平行偏移一段距离e，e的取值范围是0.5-20毫米，常用为1-10毫米。
本发明的第五个实施例如图12、图13所示，与第一个实施例的主要不同之处在于形成两个楔面的外凸曲线4、6是不对称的，其中一条较短，其它部分与上一实施例相同。
Claims (10)
1、一种凸形齿顶切削齿，包括有齿柱和齿冠，所述的齿冠由锥形冠基和对应设置的两个楔面构成，两个楔面上端与齿顶交汇，其特征在于齿顶是由一段外凸曲线绕一轴线旋转切割锥形冠基而构成的回转曲面。
2、按权利要求1所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于所述的构成齿顶回转曲面的外凸曲线两端各有一段与之位于同一平面内并与之相切或圆滑连接的曲线，绕同一轴线旋转切割锥形冠基形成同一回转曲面，构成相贯一体的凸形齿顶和齿顶两侧的对应楔面。
3、按权利要求1或2所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于所述的轴线与齿柱轴线垂直相交或垂直立体交叉。
4、按权利要求1或2所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于所述的构成齿顶回转曲面的外凸曲线为圆弧或椭圆弧或抛物线或双曲线。
5、按权利要求2所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于所述的构成齿冠楔面的回转曲面的曲线是圆弧或直线段或椭圆弧或抛物线或双曲线。
6、按权利要求1或2所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于切削齿可由硬质合金制成，构成硬质合金切削齿。
7、按权利要求1或2所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于构成齿顶外凸曲线(5)的曲率半径R为5-50毫米。
8、按权利要求1或2所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于整个齿顶相对齿柱轴线平行偏移一段距离e，e的取值范围是1-10毫米。
9、按权利要求2或5所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于所述齿顶和两个楔面是由位于同一平面的相切的外凸曲线(5)、外凸曲线(4)和外凸曲线(6)同时绕轴线(7)旋转切割锥形冠基(9)而构成。
10、按权利要求2或5所述的凸形齿顶切削齿，其特征在于所述齿顶和两个楔面是由位于同一平面的相切的外凸曲线(5)、外凸曲线(4)和内凹曲线(6a)同时绕轴线(7)旋转切割锥形冠基(9)而构成。
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