CN2263194Y - 内加强牙齿牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种石油与天然气钻井用牙轮钻头，它主要由牙爪(1)、牙轮(2)、牙齿(3)组成，其特点是，在牙齿(3)的内部植入了用比牙齿本体更强硬的材料制成的加强芯(4)，以增强牙齿的破岩能力和抗磨性。本实用新型具有结合强度高、工作中不会出现硬化层剥落、并有“自锐”的优点，因而可大大延长钻头牙齿工作寿命，保持较高的钻速，提高钻井效率，降低钻井成本。本实用新型应用范围广，可适用于各种形状的钢齿和硬质合金齿牙轮钻头。

Description

内加强牙齿牙轮钻头

本实用新型涉及一种牙轮钻头，尤其是用于石油与天然气钻井的牙轮钻头。

目前在国内外石油与天然气钻井中广泛使用的牙轮钻头，通常由牙爪、牙轮、牙齿组成。按牙齿的制造特点可分为两大类，即钢齿(又称铣齿)和硬质合金齿(又称镶齿)牙轮钻头。钢齿牙轮钻头的基本特点是，在优质合金钢锻造的园锥形牙轮基体上，用切削加工方法直接切出牙齿。牙齿是钻井过程中牙轮钻头上直接破碎地层岩石的基本元件，由于岩石是具有很强研磨性的钻凿对象，所以即使是用最好的优质合金钢制造的牙轮，牙齿的工作寿命还是很短的。历史上除用常规的渗碳、淬火法来提高钢齿的耐磨能力外，还用在加工后的牙齿表面敷焊一层碳化钨硬质合金粉末的方法来强化牙齿的工作表面。这样，虽在一定程度上提高了钢齿的耐磨能力，延长了钻头的工作寿命，但敷焊层的磨损和剥落依然是制约钢齿钻头工作寿命的主要因素。硬质合金齿牙轮钻头的基本特点是，它的牙齿是用WC-CO硬质合金预先压制烧结成型，再用过盈配合压入牙轮壳体表面的齿孔中而组成带齿的牙轮。由于WC基硬质合金有较高的抗磨能力，从而大大延长了钻头的工作寿命。但随着石油天然气勘探开发工作向地层深部发展，钻井条件日益强化，对钻头工作性能和工作寿命要求也更加提高，因此，强化牙齿的工作能力，延长钻头的工作寿命，始终是牙轮钻头制造厂和科研部门的热门研究课题。

对钢齿钻头而言，目前除继续研究表面敷焊层WC的成分、粒度、配方和焊接工艺外，其它可用作牙齿表面硬化的材料和方法也在被研究和试验中。对镶齿钻头，美国smith公司提出在硬质合金齿的齿顶表面再烧结一层聚晶金刚石，以提高其抗磨能力。上述强化方法的基本思想，都是在原有的钢牙齿或硬质合金牙齿的外表面，再加一层由超硬材料形成的覆盖层，以提高牙齿的抗磨能力。但或因工艺复杂，制造成本高，或因表面超硬层与基体材料的结合强度不够而在牙齿工作过程中易出现表面覆盖层的剥落，所以都在不同程度上阻碍着牙齿寿命的进一步增长。

本实用新型的目的在于提出一种既能大大增强钻头牙齿强度和抗磨能力，又使加强材料不易从牙齿上剥落的牙齿结构和方法。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：牙轮钻头的组成部件与现有钻头的组成部件相同，都是由牙爪(1)、牙轮(2)和牙齿(3)组成，但其特点在于，在牙齿(3)的基体内部植入了比基体更为强硬的材料制成的加强芯(4)，以增强牙齿的工作能力和抗磨能力。

对于钢齿牙轮钻头，其制造方法是，在已加工成型的钢牙齿上，沿齿长方向切出宽数毫米、深度约等于或略小于牙齿高度的槽，将用比基体更为强硬的材料制成的加强芯片(4)嵌入槽内，以任何合适的方法使芯片(4)与牙齿基体材料牢固结合，并在牙齿表面敷焊碳化钨硬质合金，再对牙轮进行整体热处理。

对于镶齿牙轮钻头，其制造方法是，在硬质合金牙齿(3)压制烧结成型时，其中心预先留下嵌入加强芯柱(4)的园孔，孔深约等于或略大于牙齿出刃高度，将用比硬质合金更硬的材料制成的柱状加强芯(4)插入预留的孔中，再用合适的方法使加强芯(4)与牙齿本体形成牢固结合。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：(1)加强件位于牙齿心部，与牙齿本体有良好的结合强度，在工作过程中不会出现剥落现象；(2)应用范围广，既可应用于钢齿，也能应用于具有不同形状的硬质合金齿；(3)牙齿在工作过程中有“自锐”能力，即随着牙齿外围基体材料的磨损，牙齿心部的加强芯逐渐出露，以保持牙齿的尖锐形状。所以，这种结构不仅延长了牙齿的工作寿命，而且使钻头始终维持高的钻速，从而提高钻井效率，降低钻井成本。

附图说明如下：

图1是牙轮钻头结构示意图；

图2是钢齿钻头楔形齿内加强示意图；

图3是钢齿钻头楔形齿内加强剖示图；

图4是钢齿盘式钻头牙齿内加强示意图；

图5是镶齿钻头锥球齿内加强示意图；

图6是镶齿钻头楔形齿内加强示意图。

下面结合附图说明实施方案。

实施例1：如图2、图3所示，这是适用于钢齿的一种加强方法和结构。在已加工成型的钢牙齿(3)上，沿齿长方向切出一条宽数毫米(视牙齿的大小而定)、深度约等于或略小于牙齿高度的直槽，将用比牙齿本体更硬的材料(例如高锰钢、硬质合金、或聚晶金钢石等)制成的芯片(4)嵌入槽内，以压配、焊接，粘结等任何合适的方法使芯片(4)与牙齿基体材料牢固结合，并在牙齿(3)表面敷焊WC硬质合金(5)，形成硬化表面，再按传统方法对牙轮(2)进行整体热处理。于是，在牙齿工作时，首先是由外敷焊层作为工作面；外敷焊层磨损后，露出由硬质芯片加强了的牙齿本体成为工作面；牙齿本体磨损后，不断露出的硬质芯片成为工作面。所以，这种结构既能保证牙齿有长的工作寿命，又能保持牙齿的尖锐形状，使钻头能长时间维持高的机械钻速。

实施例2：如图4所示，这是对盘式牙轮钻头牙齿的内加强结构和方法。盘式钻头的牙齿也是在钢体牙轮上切削加工而成，不过其齿圈不再被切成单个楔形牙齿，而是连续不断形成一圈圈锥盘形状。在加工好的盘形齿圈(3)上，沿齿顶园周方向切出一圈宽数毫米、深度略大于齿高的直槽，将用高锰钢或硬质合金或聚晶金刚石等比基体更硬，更耐磨的材料制成的相应尺寸的加强芯片(4)，以任何合适的方法牢固地结合在齿槽内，形成加强齿圈。这种齿圈的工作和磨损过程与上述实施例1的加强钢齿一样，所以它也是既能延长齿圈工作寿命，又能保证钻头始终有高的机械钻速。

实施例3：如图5、图6所示，这是对镶齿钻头硬质合金牙齿的加强方式。在硬质合金牙齿(3)压制烧结成型时，其中心预先留下嵌入加强芯柱的园孔。对锥球齿(如图5所示)、球齿、锥形齿或平顶齿，可预留一个较大的园孔(直径视牙齿大小而定)；对楔形齿(如图6所示)或勺形齿则可沿齿顶长度方向预留两个直径较小的孔，孔深均应约等于或略大于牙齿出刃高度。将用比硬质合金更硬的材料(例如聚晶金刚石)烧制成的对应大小的柱状加强芯(4)插入预留的孔中，再用合适的方法(例如焊接、预埋烧结或粘接等)使加强芯(4)与牙齿本体形成牢固结合。这种加强既比在硬质合金牙齿的齿顶上烧结金刚石层的工艺简单，又能避免金刚石层在工作过程中剥落。用这种加强了的硬质合金齿制成的镶齿钻头，在强化了的钻井条件(例如钻头工作在200～400转/分)，研磨性极强的地层和牙齿滑移量很大的钻头(例如单牙轮钻头)等条件下应用，显然能获得比现有镶齿更长的工作寿命和更高的钻进效率。

Claims (1)

1.一种用于石油、天然气钻井的牙轮钻头，主要由牙爪(1)、牙轮(2)和牙齿(3)组成，其特征在于，在牙齿(3)的基体内部植入了比基体更为强硬的材料制成的加强芯(4)。

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