旋切方式破巖的鑽頭的製作方法
2023-04-30 16:08:01 1
專利名稱：旋切方式破巖的鑽頭的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於石油天然氣鑽探工程、礦山開採、地質鑽探、建築工程、隧道工程、 盾構及非開挖等技術設備領域，具體的說涉及旋切方式破巖的鑽頭。
背景技術：
鑽頭是鑽井過程中直接與巖石接觸，通過切削、衝壓等作用破碎巖石的工具。現代鑽井工程中廣泛使用的鑽頭主要有牙輪鑽頭(包括單牙輪鑽頭、三牙輪鑽頭)、PDC鑽頭(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金剛石複合片鑽頭)。當今，牙輪鑽頭和PDC鑽頭都已發展到相當高的水平，但仍存在一些不可克服的問題。一是怕劃眼和擴眼， 使密封軸承的牙輪鑽頭，特別是PDC鑽頭先期損壞；二是對井底中心巖石的運動小，功能不足，中心巖石不易破碎，影響鑽頭的機械鑽速，牙輪鑽頭和PDC鑽頭中心布齒少、易磨損，也是鑽頭失效的主要原因。三牙輪鑽頭鑽進時破巖形式為衝擊壓碎破巖，通過牙輪上的牙齒對井底巖石形成衝擊壓碎作用破碎巖石，形成井徑。由於巖石的抗壓強度遠大於抗剪和抗拉強度，而三牙輪鑽頭利用牙齒對巖石的衝擊作用來破巖，能量利用率不高。特別是在深井鑽井等高鑽壓情況下，由於高密度的鑽井液的作用，井底的巖屑壓持效應明顯，鑽頭牙齒難以吃入巖石並衝擊破碎巖石，故破巖效率相對較低。三牙輪鑽頭軸承壽命是制約鑽頭使用壽命的主要因素之一，軸承承受鑽壓引起的載荷，加上三牙輪鑽頭以衝擊形式破巖，軸承受到的衝擊載荷大，載荷幅值高，加之三牙輪鑽頭的增速效應三牙輪鑽頭輪體速比(鑽井時牙輪轉速與鑽頭轉速之比)大於1，即鑽頭鑽進時牙輪轉速大於鑽頭鑽速，所以軸承轉速相對較快，導致三牙輪鑽頭的軸承壽命較短。雙牙輪鑽頭的牙輪布置方式與三牙輪相同，各牙輪工作面(布牙齒的弧面)均是相對設置，即均是向內。除了造成以上的問題之外，從牙輪鑽頭破巖過程和運動軌跡分析， 牙輪上的牙齒與井底井壁巖石接觸時間較少，牙齒在井底滑移的距離也較小，中心破巖效率低，影響了機械鑽速。單牙輪鑽頭牙輪形狀不同於雙牙輪和三牙輪的錐球形(近似半球形)，而是近球形，工作面布滿整個球面(雙、三牙輪的工作面是半圓弧面)。依靠牙齒對地層的衝擊、滾壓和刮切三種方式破碎巖石，尤其是刮切運動的方向在牙輪表面的各個部位都不同，即不同排數的牙齒在井底沿不同方向的軌跡，作較長距離的滑移來切削地層，並形成網狀的井底軌跡。單牙輪鑽頭的特點是牙輪轉速低，軸承尺寸較大，使用壽命優於三牙輪鑽頭，但是單牙輪鑽頭有無法迴避的缺點單牙輪鑽頭的滿眼結構決定其破巖過程中容易發生重複破碎，排屑困難。牙齒耐磨性嚴重不足，一旦發生牙齒磨鈍或斷齒，機械鑽速急劇下降。PDC鑽頭破巖形式為刮削巖石，在鑽井、地質乃至建築工程中運用越來越廣泛，在鑽井工程中使用的比例越來越大。在鑽頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鑽頭鑽進時各切削齒的運動軌跡為相對固定的同心圓環帶。由於其破巖機理和結構差異，PDC 鑽頭適用於較高鑽速和軟至中硬地層。其不足主要有以下方面[0008]1.井底條件要求高如果井底有異物，會導致PDC鑽頭產生崩齒或熱摩擦現象，溫度升高燒黑胎體，甚至熔化釺焊層，產生掉齒現象，影響機械鑽速，加速鑽頭失效。2. PDC齒失效的嚴重後果與牙輪鑽頭相比較，PDC鑽頭個別齒的失效(掉齒、崩齒等)會嚴重增加附近PDC齒的載荷，加快其磨損速度，加劇鑽頭失效。3.心部破巖效率不高PDC鑽頭不同徑向區域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，夕卜肩部切削巖石比例大，磨損速度快。心部PDC齒接觸破巖效率低，磨損則較慢。
實用新型內容鑑於PDC鑽頭的缺陷，本實用新型針對牙輪鑽頭進行改進，提出旋切方式破巖的鑽頭，解決現有雙、三牙輪鑽頭能量利用率低、破巖效率低、軸承壽命短、鑽進效率低，以及單牙輪滿眼結構造成的排屑困難、牙齒耐磨性差等問題。本實用新型的鑽頭以旋切方式衝擊、壓碎、切削巖石，實現破巖，同時改進鑽頭軸承結構，確保提高破巖效率的同時增加鑽頭使用壽命。為解決上述問題，本實用新型的技術方案如下旋切方式破巖的鑽頭，包括鑽頭主體(1)、牙輪O)、牙輪工作面上的切削齒(3)， 牙輪( 與鑽頭主體(1)上牙輪軸頸構成轉動連接，其特徵在於牙輪工作面朝向井壁與井底。主體(1)上牙輪軸頸平面與鑽頭軸線的輪體夾角β的範圍為0° < β <90°， 軸頸偏移量為- ，其中D為鑽頭直徑。其中輪體夾角β和軸頸偏移量s如圖2 所示。所述牙輪為以鑽頭主體中心對稱的兩個。所述牙輪為以鑽頭主體中心對稱的三個。所述的牙輪( 數目彡1，至少包含一個由牙輪( 及主體(1)軸頸所構成的連接。至少有一個牙輪的切削齒運行軌跡達到或越過鑽頭軸線位置。所述牙輪的切削齒(3)齒圈數目彡1。所述鑽頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件或鋼體與金屬粉末的燒結體；鑽頭主體(1) 上有扶正塊，扶正塊表面敷焊有耐磨合金或鑲嵌有硬質合金、聚晶金剛石複合片、熱穩定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、陶瓷等材料。本實用新型所述旋切方式破巖的輪式鑽頭將牙輪朝向井壁或井底，破巖過程中， 牙輪內排齒(即大圈齒)可切削井底中心，提高中心破巖效率；牙輪上的每圈齒都可以以旋切方式衝擊壓碎切削井底和井壁巖石，這是本實用新型的核心。根據上述實用新型，已於2010年9月試製出了旋切式模擬鑽頭，並在臺架上進行了試驗。旋切式模擬鑽頭鑽出的井底輪廓與三牙輪鑽頭和PDC鑽頭鑽出的井底輪廓完全不同。三牙輪鑽頭和PDC鑽頭的破碎帶都是同心圓，而本實用新型的旋切鑽頭的破碎帶是成菊狀的螺旋線。螺旋線在井壁處密集並消失，充分證明了牙輪上各排齒都能切削井底和井壁，形成井徑。內排齒破碎帶螺旋線長，外排齒破碎帶螺旋線短，可使內外排齒的工作負載比較均勻。螺旋線的破碎帶，說明旋切方式破巖的輪式鑽頭破巖機理，每排齒既有衝擊壓碎作用，又能切削巖石。同時提高中心破巖效率，從而提高鑽頭機械鑽速。由於旋切方式破巖的輪式鑽頭破巖方式特點，所以能適應各種鑽井需要，在側鑽和水平井鑽井中比現有牙輪鑽頭和金剛石鑽頭更為優越。根據以上分析，軸頸偏移量s增大，會增大切削齒在井底的徑向滑移和軸向滑移，
即增大切削齒在井底的總的滑移量。軸頸偏移量s取值範圍為，能更好地實
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現切削齒以旋切方式破巖。優化β和S，可達到增大牙輪切削齒在井底和井壁滑移量，降低輪體速比的目的。旋切鑽頭牙輪組合方式包含(但不限於)以下類型1、雙牙輪兩牙輪工作面朝外，角度範圍均在0° < β <90°範圍內，偏移方向中心對稱。兩牙輪的內排齒(即大圈齒)設置成不同時都切心(切心牙齒切削到井眼中心， 即牙輪的最外圈切削齒運行軌跡達到鑽頭軸線位置，或者說最外圈切削齒縱向位置通過或超過鑽頭軸線)，可以設置為一個切心一個不切心(調整大圈齒距牙輪邊緣的距離)，也可設置為兩個牙輪都無限接近切心，依靠鑽頭的衝擊力和巖體內部應力破碎巖體中心(未直接切屑的井眼中心面積已無限接近於零)。2、三牙輪三牙輪工作面朝外，角度範圍均在0° < β <90°範圍內，偏移方向中心對稱。三牙輪的內排齒(即大圈齒)均設為不切心。可用於擴孔。3、單牙輪，牙輪工作面朝外，角度範圍在0° < β <90°範圍內，單牙輪的內排齒 (即大圈齒)設為切心。本實用新型所述的切削齒C3)為勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒、錐臺齒、圓柱截頭齒或稜錐齒；所述的切削齒C3)材質包括硬質合金、聚晶金剛石複合體、熱穩定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬質合金、金剛石和立方氮化硼。 所述鑽頭主體(1)為鋼件、鋼材組焊件或鋼體與金屬粉末的燒結體。所述的牙輪(2)結構有銑齒牙輪、鑲齒牙輪或鋼體與金屬粉末的燒結牙輪。本實用新型與現有技術相比的性能特點是(1)旋切方式破巖本實用新型的旋切鑽頭鑽進過程中，主體(1)上的牙輪軸頸指向井壁或井底，與旋切鑽頭軸線交一夾角又偏移鑽頭軸線時，旋切鑽頭牙輪O)以旋切方式衝擊、壓碎、切削巖石，實現破巖鑽進。鑽進過程旋切鑽頭切削齒(3)不僅隨著牙輪滾動， 形成對地層的壓碎，同時通過其在井底的滑移過程切削地層，破巖效率高。根據不同的鑽井需求，改變輪體夾角β、軸頸偏移量s以及牙輪( 尺寸和形狀，可以使牙輪( 上的各排切削齒⑶都切削到對應的井眼中心、井眼邊緣及井壁，還能鑽出要求的井底形狀。(2)中心破巖性能高鑽進過程中，旋切鑽頭對應的井眼中心位置由大圈齒完成， 由於旋切鑽頭切削齒圈中大齒圈直徑最大，齒數多(可比三牙輪鑽頭中央布齒多6倍以上)，相對切削速度高，可以從根本上解決現在三牙輪鑽頭和PDC鑽頭心部破巖效率低的問題。(3)機械鑽速提高旋切鑽頭的結構(關鍵參數包含輪體夾角β和軸頸偏移量S) 決定了其破巖形式為衝擊、擊碎、切削作用，同時對應的井眼中心破巖效率和進取性高，避免了滿眼問題和重複破碎現象，利於排屑，提高鑽頭機械鑽速。(4)更好的動力學性能與牙輪鑽頭衝擊形式破巖相比，旋切鑽頭的破巖形式為衝擊、擊碎、切削作用，連續的切削作用使鑽頭受到的衝擊載荷小，載荷幅值降低。同時旋切鑽頭輪體速比(牙輪轉速與鑽頭轉速之比)小於1，即鑽頭鑽進時牙輪轉速小於鑽頭鑽速， 所以軸承轉速相對較慢，旋切鑽頭振動衝擊減小。與普通PDC鑽頭相比，旋切鑽頭扭轉振蕩減小，低轉速下的粘滑和高轉速下的井眼螺旋現象減少。在本實用新型進行的臺架實驗結果，也證明了與同尺寸、同工況條件下的牙輪鑽頭、PDC鑽頭相比，旋切鑽頭具備上述特點。 更好的動力學性能使旋切鑽頭具有更大的適用範圍和更好的控制能力。(5)輪體速比小於1、軸承壽命條件改善、旋切鑽頭壽命提高旋切鑽頭的輪體速比小於1，而且牙輪的軸頸尺寸能比同規格的三牙輪鑽頭設計得更大，在軸頸的強度和鑽頭使用壽命方面比牙輪鑽頭有明顯優勢。本實用新型的旋切鑽頭在破巖過程中，井底和井壁對鑽頭產生的合力推動牙輪緊貼軸頸平面，這有利於改善軸承密封性能，提高軸承使用壽命，基於軸承壽命對於鑽頭的重要意義，從而實現旋切鑽頭壽命的提高。(6)保徑作用旋切鑽頭所有切削齒圈都能切削井底和井壁，形成井徑。如果最先切削井壁的那圈齒磨損變短，第二圈齒就會接替第一圈齒的工作，實現保徑，不致鑽孔越來越小。如果第二圈齒也磨損失效，第三圈齒仍可實現保徑，以此類推。由於本實用新型的旋切鑽頭具有所有齒圈都能切削旋切鑽頭對應井徑的特點，使其具有三牙輪鑽頭所不及的保徑和側鑽能力，保徑效果好。(7)由於設置有偏移值，鑽井不會出現滿眼現象，解決了排屑問題和重複切屑問題。(8)牙齒可採用複合齒以旋切方式破巖的輪式鑽頭可以利用硬質合金切削齒、 熱穩定聚晶金剛石複合齒(PDC)、孕鑲金剛石切削齒等作為切削齒，齒的工作壽命和切削效率均優於單牙輪鑽頭。本實用新型的有益效果本實用新型的切削齒以旋切方式破巖，中心破巖效率高， 保徑效果好，磨損均勻，軸承工作條件改善，機械鑽速高，鑽頭使用壽命長。
圖1為本實用新型採用雙牙輪的結構示意圖；圖2為本實用新型的切削原理及主要設計參數的關係示意圖；圖3為本實用新型冠頂結構示意圖；圖4-圖9為本實用新型6個實例的牙輪齒圈投影示意圖。
以下結合附圖進一步詳細闡述本實用新型具體實施方式
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具體實施方式
如圖1 圖9所示以旋切方式破巖的輪式鑽頭，包括鑽頭主體⑴、牙輪(2)、切削齒(3)，還可附加儲油囊、噴嘴(5)。鑽頭主體(1)包括牙輪軸頸，還可以有扶正塊、高壓泥漿通道和連接絲扣。牙輪( 與主體(1)上牙輪軸頸構成轉動連接，與主體(1)上的軸頸採用三牙輪鑽頭常用的軸承與密封結構。牙輪O)的大端到小端布置多圈切削齒。主體 (1)上牙輪軸頸平面與鑽頭軸線夾角β (以下簡稱輪體夾角)的範圍為0° < β <90°。實施例1 如圖3所示，牙輪數目為2，輪體夾角β =30°，且一個牙輪切心部，一個牙輪不切心部。實施例2 如圖4所示，牙輪數目為2，輪體夾角β =30°，且兩個牙輪都切心部。實施例3:如圖5所示，牙輪數目為2，輪體夾角β =89.5°，且兩個牙輪都切心部。實施例4 如圖6所示，牙輪數目為1，輪體夾角β =30°，且牙輪切心部。實施例5 如圖7所示，牙輪數目為2，輪體夾角β =30°，且一個切心部，一個不切心部。實施例6 如圖8所示，牙輪數目為2，輪體夾角β =30°，且兩個牙輪都不切心部。實施例7 如圖9所示，牙輪數目為3，輪體夾角β =30°，且三個牙輪都不切心部。
權利要求1.旋切方式破巖的鑽頭，包括鑽頭主體(1)、牙輪O)、牙輪工作面上的切削齒(3)，其特徵在於牙輪( 與鑽頭主體(1)上的牙輪軸頸構成轉動連接，牙輪工作面朝向井壁與井底。
2.根據權利要求1所述的旋切方式破巖的鑽頭，其特徵在於牙輪為一個。
3.根據權利要求1所述的旋切方式破巖的鑽頭，其特徵在於牙輪為以鑽頭主體中心對稱的兩個。
4.根據權利要求1所述的旋切方式破巖的鑽頭，其特徵在於牙輪為以鑽頭主體中心對稱的三個。
5.根據權利要求1所述的旋切方式破巖的鑽頭，其特徵在於所述的牙輪( 數目 ^ 1，至少包含一個由牙輪(2)及主體(1)軸頸所構成的連接。
6.根據權利要求1所述的旋切方式破巖的鑽頭，其特徵在於所述牙輪的切削齒(3) 齒圈數目> 1。
7.根據權利要求1所述的旋切方式破巖的鑽頭，其特徵在於至少有一個牙輪的切削齒運行軌跡達到或越過鑽頭軸線位置。
專利摘要本實用新型公開了旋切方式破巖的鑽頭，包括鑽頭主體(1)、牙輪(2)、牙輪工作面上的切削齒(3)，牙輪(2)與鑽頭主體(1)上牙輪軸頸構成轉動連接，其特徵在於牙輪工作面朝向井壁與井底。主體上牙輪軸頸平面與鑽頭軸線夾角β的範圍為0°＜β＜90°，軸頸偏移量s的範圍為D為鑽頭直徑。本實用新型內排大齒圈切削井底中心，破巖效能高；每圈切削齒都能刮切井壁，保徑和側鑽效果好；軸頸尺寸大，輪體速比小於1，軸承壽命長。
文檔編號E21B10/52GK202249770SQ20112031579
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年8月26日
發明者張亮, 李舒 申請人:四川深遠石油鑽井工具有限公司