擴孔牙輪鑽頭的製作方法

2023-05-13 09:00:36

專利名稱：擴孔牙輪鑽頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石油、礦山和地質勘探鑽井用擴孔牙輪鑽頭，尤其是一種擴孔能力大、旋轉扭矩小、蹩跳小、壽命長的擴孔牙輪鑽頭。
目前，公知的擴孔鑽頭有牙輪式和刮刀式兩種。美國專利4915181和美國專利4846290是牙輪式的擴孔鑽頭，其缺陷是擴孔能力小，一般擴孔直徑不超過原有井眼直徑的2倍；美國專利4431065是刮刀式的擴孔鑽頭，這種結構的擴孔鑽頭具有較大的擴孔能力，但其缺陷是扭矩大，蹩跳嚴重，特別是小井眼刮刀擴孔鑽頭，刮刀在大的扭矩下容易變形，導致鑽頭無法起出井眼的井下事故發生。
本實用新型的目的是提供一種具有較大擴孔能力的擴孔牙輪鑽頭，其最大擴孔直徑可達原井眼直徑的4～8倍。而且，這種實用新型的擴孔牙輪鑽頭具有較小的扭矩和較小的蹩跳現象，使用壽命長。
本實用新型的目的是這樣實現的本實用新型的擴孔牙輪鑽頭由轉向加力器、擴孔軸和牙輪組成。當擴孔鑽頭下到擴孔井段後，停止下鑽並將鑽柱鎖在轉盤上，啟動泥漿泵，在泥漿壓力的作用下，轉向加力器活塞帶動頂杆向下推進，使擴孔軸繞連接銷轉動一角度，這樣擴孔軸軸線與鑽柱中心線不在一條直線上，當鑽柱隨轉盤旋轉時，牙輪切削井壁，將井眼擴大。當擴孔軸軸線與鑽柱中心線垂直時，活塞下行到活塞限位環，並停止繼續下行，此時，擴孔軸軸線與加力器軸線垂直，再使整體鑽柱向下推進，將井眼擴至所需井深。為了減小擴孔牙輪鑽頭的旋轉扭矩，增大擴孔能力，在結構上，將多節彼此獨立的柱狀牙輪安裝在同一長擴孔軸上；此外，在擴孔軸中心有水孔，泥漿從中流過，對擴孔軸進行冷卻；柱狀牙輪之間採用帶密封圈限位環的雙「O」型密封結構，增加了高速狀態下密封的可靠性。
由於採用了上述方案，增大了鑽頭的擴孔能力，最大擴眼直徑可以達到原井眼直徑的4～8倍，同時具有小的扭矩和蹩跳，鑽頭使用壽命長。
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。


圖1是本實用新型一個實施例的結構示意圖。
圖2是本實用新型提出的一種連接銷偏離軸線的結構示意圖。
圖3是本實用新型提出的一種倒「T」形截面雙「O」形橡膠密封結構。
圖4是本實用新型提出的一種倒「E」形截面雙「O」形橡膠密封結構。
圖中1.轉向加力器，2.軟管，3.頂杆，4.連接銷，5.水孔，6.密封圈，7.密封圈限位環，8.密封圈，9.切削齒，10.水孔密封圈，11.鋼球，12.卡環，13.小軸密封圈，14.外牙輪，15.噴嘴，16.臺肩，17.滾柱，18.擴孔軸，19.擋圈，20.切削齒，21.鋼球，22.內牙輪，23.密封圈，24.活塞限位環，25.活塞，26.缸體，27.連接絲扣，28.頂杆接觸平面，29.塞銷。
圖1所示，擴孔牙輪鑽頭包括轉向加力器(1)，擴孔軸(18)和牙輪(14)、(22)等三大部分。其中轉向加力器(1)由連接絲扣(27)、缸體(26)、活塞(25)、活塞限位環(24)和頂杆(3)組成。連接絲扣(27)用於連接鑽柱(圖中未畫出)，擴孔軸(18)與轉向加力器(1)用連接銷(4)連接，未轉動時，擴孔軸(18)的軸線與轉向加力器(1)的軸線在同一直線上，擴孔軸(18)的端部有一頂杆接觸平面(28)，其頂杆接觸平面(28)與擴孔軸軸線的夾角為α，其α值為35°～55°，最佳值為45°，轉向加力器(1)的頂杆(3)下行時，頂著頂杆接觸平面(28)，使擴孔軸(18)繞連接銷(4)旋轉，當旋轉到擴孔軸(18)與轉向加力器(1)垂直時，活塞(25)與活塞限位環(24)相互接觸，阻止活塞(25)繼續向下運動，使擴孔軸(18)的旋轉運動停止。此時，擴孔軸(18)的軸線與轉向加力器(1)的軸線相互垂直。連接銷(4)的位置可以在加力器的軸線上，也可偏離加力器軸線一距離L(如圖2)，其L值為0～20毫米，以增加擴孔軸頂杆接觸平面端的力臂。擴孔軸(18)上安裝著可繞軸旋轉的柱狀或錐狀內牙輪(22)和外牙輪(14)，內牙輪(22)和外牙輪(14)上有切削齒(20)和(9)，切削齒可以是鋼齒、鑲齒或金剛石複合齒，在鋼齒的外表面上還敷焊了一層高強度耐磨合金，柱狀或錐狀內牙輪(22)和外牙輪(14)在軸上採用鋼球(21)、(11)鎖緊，也可採用卡環鎖緊。各牙輪軸承可選用單一的滑動或滾動軸承，也可採用混合軸承，即內牙輪(22)軸承選用滑動軸承，而外牙輪(14)軸承選用滾動軸承，本實施例為混合軸承，其滾柱(17)用外牙輪(14)的內孔臺肩(16)和擋圈(19)進行軸向定位。內牙輪(22)和外牙輪(14)用橡膠密封圈(13)、(23)和安裝在密封圈限位環(7)上的橡膠密封圈(6)和(8)進行密封。擴孔軸(18)的中心開有一水孔(5)，鑽柱(圖中未畫出)中的高壓泥漿經軟管(2)流入水孔(5)冷卻擴孔軸(18)，然後進入噴嘴(15)，從噴嘴(15)出口處噴出，形成射流以清洗巖屑。噴嘴(15)採用碳化鎢燒結而成，用卡環(12)鎖緊，用密封圈(10)進行密封。在另一結構中擴孔軸中心也可無水孔。
在圖3、圖4所示的軸承密封結構中，採用常用的「O」形密封，「O」形密封是一種可靠性較高，密封效果較好的動密封結構，但這種結構不適用高速，對於擴孔牙輪鑽頭，特別是外牙輪，轉速較高，為了避免「O」形密封圈使用在高速狀態下，本實用新型在兩牙輪之間安裝有一種帶有密封圈限位環(7)的雙橡膠「O」形密封結構，其中密封限位環(7)可繞擴孔軸(18)旋轉，是由剛性耐磨合金材料製成，截面形狀為倒「T」形(圖3)或「E」形(圖4)。內牙輪(22)和外牙輪(14)的密封腔是相通的，橡膠「O」形圈與牙輪之間沒有相對滑動，而與密封限位環(7)之間有相對滑動。由於密封限位環(7)可繞軸(18)旋轉，因此，橡膠「O」形圈與密封限位環(7)的滑動轉速不超過兩個牙輪轉速的差，理想情況下，每個橡膠「O」形圈與密封限位環(7)的滑動轉速為兩個牙輪轉速差的一半。這樣橡膠「O」形圈的實際滑動轉速比外牙輪(14)或內牙輪(22)相對軸(18)的轉速低很多。這種密封結構由於減少了密封圈的摩擦發熱，從而大大地提高了整體密封結構的可靠性和使用壽命。
由於井底的破碎面是一圓環面，擴孔牙輪鑽頭旋轉牙輪上的各排齒在井底作純滾動的轉速不同。為了減小鑽頭的蹩跳，必須使各排齒在井底作純滾動的轉速基本相同，從理論上說，只要將牙輪做成錐體就能達到這一目的。但是，由於受鑽頭直徑的限制，以及考慮到軸的強度要求，牙輪錐度無法滿足需求。因此，本實用新型將牙輪做成兩個彼此獨立的柱狀牙輪，如果擴孔直徑更大，還可將牙輪做成三個或更多個彼此獨立的柱狀牙輪，一般牙輪數為2～5個，並採用上述鎖緊機構和軸承密封結構，依次將牙輪密封鎖緊在同一軸上，每個柱狀牙輪上的齒排數根據地層巖性和牙輪高度來確定，一般為1～6排，每個齒排採用不等距布齒，這樣可有效避免重複破碎，大大地提高破巖機械鑽速。
為便於泥漿的排出，以及提高鑽頭對井壁巖石的切削，在外牙輪外端面有切削齒，其切削齒可以是鋼齒、或鑲齒、或金剛石複合齒。在鋼齒表面敷焊有一層高耐磨合金。
權利要求1.一種擴孔牙輪鑽頭，由轉向加力器〔1〕、擴孔軸〔18〕和牙輪〔14〕〔22〕組成，其特徵是擴孔軸〔18〕與轉向加力器〔1〕通過連接銷〔4〕連接，在轉向加力器頂杆〔3〕的作用下，擴孔軸〔18〕可繞連接銷〔4〕旋轉到水平位置，擴孔軸〔18〕上安裝有多節帶齒牙輪。
2.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是牙輪與擴孔軸〔18〕之間，以及牙輪與牙輪之間有密封結構。
3.根據權利要求1和權利要求2所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是牙輪與牙輪之間的密封結構是一種帶密封圈限位環〔7〕的密封結構，密封限位環〔7〕上有兩橡膠密封圈〔6〕〔8〕分別與牙輪構成密封。
4.根據權利要求3所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是密封限位環〔7〕與擴孔軸〔18〕之間的配合為間隙配合，密封限位環〔7〕可繞擴孔軸〔18〕旋轉。
5.根據權利要求3所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是密封圈限位環〔7〕截面形狀為倒「T」形或「E」形。
6.根據權利要求3所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是密封圈限位環〔7〕由剛性耐磨合金材料製成。
7.根據權利要求3所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是橡膠密封圈的截面形狀可以是圓形、橢圓形、方形或「X」形。
8.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是牙輪與擴孔軸〔18〕之間，以及牙輪與牙輪之間也可以是一種非密封結構。
9.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是擴孔軸〔18〕的長度為牙輪外徑的2～5倍。
10.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是擴孔軸〔18〕的連接端頂部有一頂杆接觸平面〔28〕。
11.根據權利要求10所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是起始狀態時，頂杆接觸平面〔28〕與轉向加力器〔1〕軸線的夾角α為35°～55°。
12.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是連接銷〔4〕的中心與擴孔牙輪鑽頭軸線間有一距離L，其值為0～20mm。
13.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是擴孔軸〔18〕上安裝的牙輪數不少於2個。
14.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是擴孔軸〔18〕上所安裝的牙輪形狀是柱狀的或錐形的。
15.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是牙輪上帶有切削齒，切削齒可以是鑲齒、或鋼齒、或金剛石複合齒。
16.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是外牙輪外端面上有切削齒，切削齒可以是鑲齒、或鋼齒、或金剛石複合齒。
17.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是擴孔軸的中心有中心水孔〔5〕。
18.根據權利要求16所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是中心水孔〔5〕的一端裝有噴嘴〔15〕，或不裝噴嘴，另一端與轉向加力器〔1〕的軟管〔2〕相連。
19.根據權利要求1所述的擴孔牙輪鑽頭，其特徵是擴孔軸無中心水孔。
專利摘要本實用新型提出了一種石油、礦山和地質勘探鑽井用擴孔牙輪鑽頭，其擴孔軸上安裝多節柱狀牙輪，牙輪間有密封圈限位環，密封圈限位環上有兩個橡膠「O」形密封圈，擴孔軸中心設計有中心水孔。這種擴孔牙輪鑽頭具有擴孔能力大、旋轉扭矩小、蹩跳小、壽命長的特點。
文檔編號E21B10/08GK2356138SQ9824582
公開日1999年12月29日 申請日期1998年11月26日 優先權日1998年11月26日
發明者郭國忠 申請人:江漢石油鑽頭股份有限公司