一種具有旋轉齒的複合鑽頭的製作方法

2023-12-09 21:09:31

本發明屬於石油天然氣、礦山工程、建築基礎工程施工、地質、水文等鑽探設備技術領域，尤其涉及一種複合鑽頭。

背景技術：

鑽頭是鑽井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。現今鑽井工程中所使用的鑽頭主要有牙輪鑽頭和PDC（聚晶金剛石複合片）鑽頭。

PDC鑽頭上的切削齒固接在鑽頭體上，切削齒與鑽頭體相對固定，PDC鑽頭屬固定切削結構鑽頭。牙輪鑽頭上的牙輪通過軸承系統與鑽頭體形成轉動連接，鑽頭工作時，鑽頭體旋轉帶動牙輪繞鑽頭軸線轉動的同時，牙輪還會繞自身的軸線轉動，牙輪上的切削齒在上述兩種運動的合成下作複雜的複合運動，牙輪鑽頭屬非固定切削結構鑽頭。

鑽頭體上同時具有固定切削結構和牙輪結構（非固定切削結構）的複合鑽頭是近年來逐漸興起並推廣應用的新型破巖工具。複合鑽頭鑽進過程中，牙輪繞鑽頭軸線旋轉的同時還繞自身的軸線自轉，牙輪上的切削齒在複雜的複合運動下與井底巖石互作用。牙輪切削齒破巖的過程中，切削齒相對巖石的作用方向在不斷變化，有的切削齒甚至相對巖石會變化至反向運動；牙輪與井底巖石恆接觸區上的切削齒始終不脫離井底，其相對巖石的作用（刮切）方向在0～360°之間不斷變化。這使牙輪上無法直接應用極適合於以刮切方式破巖的聚晶金剛石複合片（PDC齒）等耐磨性極強的金剛石類切削齒。原因在於PDC齒是由基體和聚晶金剛石層兩部分組成，對巖石起主要刮切效果的是聚晶金剛石層，PDC齒刮切工作時具有方向性，只能是聚晶金剛石層在前基體在後。如果PDC齒在工作過程中受力方向變化幅度過大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金剛石層的崩裂，嚴重降低PDC齒的工作壽命，甚至在極短的時間內使PDC齒損壞失效。

因此，現有複合鑽頭的牙輪上的切削齒一般為硬質合金齒，硬質合金齒的耐磨性和硬度遠不及PDC齒等金剛石類切削齒。切削齒的耐磨性不足是影響牙輪使用壽命的重要因素，切削齒易磨損直接影響了鑽頭的使用壽命。

技術實現要素：

本發明的目的在於：提供一種切削齒可旋轉的複合鑽頭，解決現有技術牙輪上無法採用複合齒（例如PDC齒）的問題，同時其即使採用與現有技術一致的切削齒（如硬質合金齒）時，切削齒的磨損及磨損鈍化速度也均更好。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種具有旋轉齒的複合鑽頭，包括鑽頭體、固定切削結構和牙輪，固定切削結構上設置有固定切削齒，牙輪與鑽頭體為轉動連接，牙輪能相對鑽頭體轉動，牙輪上設置有切削齒，鑽頭體上設有至少一個牙輪，牙輪上的切削齒至少有一顆為旋轉齒，旋轉齒與牙輪形成轉動連接，旋轉齒的前切削麵或旋轉齒的前切削麵的幾何中心相對旋轉齒的旋轉軸線偏移，且旋轉齒的後切削麵或後切削麵的幾何中心在前切削麵的偏移方同側，前切削麵相對後切削麵靠近旋轉齒的旋轉軸線，並能繞旋轉軸線在牙輪上旋轉。

本專利所述前切削麵（也可以稱為前刀面）是指切削齒對井底地層切削工作時，切下的切屑沿其流出的表面。而後切削麵（也可以稱為後刀面）則是指切削齒與井底地層相對的表面，後切削麵一般是正對著切削深度（進給方向）的面。通常而言，前切削麵與後切削麵的交線形成切削刃，它擔任主要切削工作。

相對於常規的硬質合金齒而言，由基體和固結於基體上的耐磨層複合而成的複合齒，其前切削麵為耐磨層的前端面，而後切削麵則是耐磨層和/或基體的側面。所謂耐磨層是相對基體而言，其耐磨性更強，對於聚晶金剛石複合片或聚晶金剛石複合齒或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相複合而成的複合齒而言，其耐磨層為聚晶金剛石層，而基體則是硬質合金或孕鑲金剛石等，基體處在耐磨層的後部推持支撐著耐磨層的前端面在前進行破巖工作。

因此，本專利主要想保護一種具有旋轉齒的複合鑽頭，包括鑽頭體、固定切削結構和牙輪，固定切削結構上設置有固定切削齒，牙輪與鑽頭體為轉動連接，牙輪能相對鑽頭體轉動，牙輪上設置有切削齒，鑽頭體上設有至少一個牙輪，牙輪上的切削齒至少有一顆為旋轉齒，旋轉齒與牙輪形成轉動連接，旋轉齒具有耐磨層和基體 ，並以耐磨層的前端面的幾何中心為臨界點，旋轉齒整體或包括該幾何中心的大部分相對旋轉齒的旋轉軸線偏移，且耐磨層的前端面相對基體靠近旋轉齒的旋轉軸線，並能繞旋轉軸線在牙輪上旋轉。

此外，顯然，本專利的旋轉齒也可以應用於硬質合金齒、立方碳化硼或孕鑲金剛石齒（塊）等齒，此時旋轉齒就無耐磨層和基體之分。

對於聚晶金剛石複合片或聚晶金剛石複合齒或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相複合而成的複合齒而言，其耐磨層為聚晶金剛石層，而基體則是硬質合金或孕鑲金剛石等，此時聚晶金剛石層的前端面則是前切削麵，根據其前端面形狀的不同，前切削麵可以是平面（例如最常見的規則圓柱體PDC齒，其聚晶金剛石層的前端面為一圓形平面）、曲面（例如金剛石層在基體上形成一錐形、半球形或屋脊形/楔形等的前端面）或異形面等各種表面。同樣的，後切削麵根據金剛石層或基體側面形狀的不同，可以是圓柱面（例如常見的規則圓柱體PDC齒，其聚晶金剛石層的側面為圓柱面）或其他柱面，也可以是平面等。

聚晶金剛石複合片又稱PDC齒（Polycrystalline Diamond Compact）或PDC複合片，由聚晶金剛石層和基體兩部分組成（參見圖12）。PDC齒採用金剛石微粉與硬質合金基片在超高壓高溫條件下燒結而成。金剛石微粉形成PDC齒的聚晶金剛石層，硬質合金基片成為PDC齒的基體。PDC齒既具有金剛石的高硬度、高耐磨性，又具有硬質合金的強度與抗衝擊韌性，是製造切削刀具、鑽井鑽頭及其他耐磨工具的理想材料。PDC齒適合於以刮切的方式工作，由於PDC齒的聚晶金剛石層的硬度和耐磨性遠遠高於硬質合金材料的基體，因此PDC齒在刮切工作時具有自銳性，即聚晶金剛石層的磨損速度明顯慢於基體，使PDC齒的切削刃（硬而耐磨的金剛石層）始終保持銳利狀態。

PDC齒刮切工作時，起主要刮切作用的是聚晶金剛石層。PDC齒的聚晶金剛石層硬而脆，基體相對軟但具有很好的抗衝擊韌性，因此PDC齒刮切工作時具有方向性，只能是聚晶金剛石層在前基體在後進行刮切（如圖13），即基體處在聚晶金剛石層的後部推持支撐著聚晶金剛石層。如果PDC齒在工作過程中反向運動，基體在前聚晶金剛石層在後進行刮切，聚晶金剛石層直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金剛石層的崩裂或脫落，嚴重降低PDC齒的工作壽命，甚至在極短的時間內使PDC齒損壞失效。

本專利較現有技術的有益效果是：

1、本專利牙輪上的旋轉齒接觸巖石與巖石互作用破巖時，無論切削齒與巖石接觸時的開始狀態如何，當切削齒受到巖石的作用力時，由於牙輪上的旋轉齒能相對牙輪轉動，旋轉齒的前切削麵或旋轉齒的前切削麵的幾何中心相對旋轉齒的旋轉軸線偏移，且旋轉齒的後切削麵均在偏移方同側或旋轉齒的後切削麵的幾何中心在偏移方同側。在巖石反力的作用下，旋轉齒均會旋轉至齒的前切削麵在前，旋轉齒的前切削麵的背面在後來刮切巖石。且在刮切破巖過程中，無論牙輪如何旋轉，牙輪上的旋轉齒均會是以前切削麵在前，前切削麵的背面在後的方位來刮切破巖。旋轉齒上的切削元件相對旋轉齒的旋轉軸線偏移，在外力的作用下，沿垂直於旋轉軸線的平面的力（分力）將會推動旋轉齒繞其旋轉軸線旋轉，使旋轉齒的前切削麵的法線順著刮切方向來切削破巖，切削齒的前切削麵法向始終指向刮切方向。本專利偏置的旋轉齒具有方位自調節自適應功能，使旋轉齒上的切削元件始終以前切削麵在前、前切削麵的背面在後的方位來刮切破巖。這樣，本專利上就能使用耐磨性強的金剛石類切削齒，特別是能使用極適合於以刮切方式破巖的PDC齒。本專利所採用的結構方案為金剛石類切削齒，特別是PDC齒應用在牙輪鑽頭上提供了條件。

2、本專利牙輪上的旋轉齒可相對牙輪轉動且旋轉齒的切削元件偏置，旋轉齒始終以穩定的刮切面相對巖石刮切工作。無論鑽頭牙輪如何旋轉，牙輪及其上的旋轉齒的位置如何，不管牙輪上切削齒的刮切運動方向如何變化，牙輪上的旋轉齒始終會以其前切削麵在前、前切削麵的背面在後的方位刮切巖石，旋轉齒相對巖石的刮切工作方向始終不變，這有利於減緩切削齒的磨損。切削齒始終相對巖石的刮切摩擦方向不變，較普通牙輪上的切削齒工作時相對巖石的刮切方向不斷變化的工作方式，本專利即使採用與現有技術一致的切削齒（如硬質合金齒），其切削齒的磨損及磨損鈍化速度均要好。

3、本專利上的旋轉齒上的切削元件可採用耐磨性強且極適合以刮切方式破巖的PDC齒，PDC齒在刮切工作時具有良好的自銳性，聚晶金剛石層的磨損速度明顯慢於基體。普通牙輪上的切削齒在鑽頭破巖工作過程中，切削齒相對巖石之間的刮切方向在不斷變化，牙輪上的硬質合金齒在刮切方向不斷變化的過程中齒頂菱角會被磨圓鈍化，刮切效率降低。旋轉齒上採用PDC齒，無論牙輪如何旋轉，切削齒的方位如何，旋轉齒上的PDC齒始終會以聚晶金剛石層在前基體在後的工作方位刮切巖石，PDC齒相對巖石的刮切方向始終保持不變，PDC齒始終以正常的方向刮切破巖，其有利於PDC齒刮切破巖優勢的充分發揮，能充分利用PDC齒的耐磨性和自銳特性。PDC齒相對硬質合金齒更易於侵入巖石、更易於刮切破巖。因此，複合鑽頭的牙輪上使用旋轉齒能明顯提高鑽頭使用壽命的同時，提高鑽頭切削齒的刮切效率和鑽頭的破巖效率。

作為選擇，旋轉齒的前切削麵朝向其旋轉軸線。作為進一步選擇，旋轉齒的前切削麵的過幾何中心的法線與其旋轉軸線相交。

作為選擇，旋轉齒包括與牙輪轉動連接的旋轉軸，以及固定在旋轉軸上的切削元件，切削元件選自聚晶金剛石複合片（PDC齒）、聚晶金剛石複合齒（即聚晶金剛石與基體採取前述複合片形式以外的複合形式，統稱為「聚晶金剛石複合齒」）、熱穩定聚晶金剛石複合齒、孕鑲金剛石齒（塊）、立方碳化硼、陶瓷齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相複合而成的複合齒中的一種或多種，且切削元件為聚晶金剛石複合片、聚晶金剛石複合齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相複合而成的複合齒時，其切削齒的聚晶金剛石層的前端面為前切削麵。該方案中，由於本專利採用旋轉齒的結構，旋轉齒上的切削元件可以以穩定的方向相對巖石刮切工作，因此本專利的旋轉齒上可使用耐磨性更好的上述切削元件，以提高鑽頭切削齒及整個鑽頭的使用壽命和破巖效率。

作為選擇，旋轉齒的前切削麵或旋轉齒的前切削麵的幾何中心相對旋轉齒的旋轉軸線的偏移距大於旋轉齒的旋轉軸半徑的八分之一，小於旋轉軸半徑的兩倍。該方案中，為使旋轉齒與巖石互作用工作時能順利旋轉至正確的刮切方向，並保持良好的刮切方位，旋轉齒的前切削麵或旋轉齒的前切削麵的幾何中心相對旋轉齒的旋轉軸線的偏移距不能太小，偏移距越大越易於旋轉齒的順利旋轉，驅使旋轉齒旋轉到正常方位的驅動力也將越足，也越易於保證旋轉齒在牙輪不斷旋轉的過程中能保持良好的刮切方位。但偏移距也不能太大，太大的偏移距將使旋轉齒佔據較大的旋轉空間，造成牙輪布齒空間的浪費。作為進一步選擇，旋轉齒的前切削麵或旋轉齒的前切削麵的幾何中心相對旋轉齒的旋轉軸線的偏移距在1～32mm之間。

作為選擇，旋轉齒上的切削元件為1-6個。該方案中，旋轉齒上的切削元件可以為1個，也可以為多個，可根據鑽頭尺寸、旋轉齒大小及切削元件的實際大小來設置旋轉齒上切削元件的數量。作為進一步選擇，旋轉齒上的切削元件為1個、2個或3個。

作為選擇，鑽頭體上設置1個牙輪。鑽頭外徑確定後，鑽頭上的空間是有限且寶貴的。複合鑽頭上只設置1個牙輪，有利於複合鑽頭的小尺寸化。當所鑽的井眼較小，對應鑽頭外徑較小時，鑽頭上留給牙輪的空間有限，複合鑽頭上可只設置1個牙輪形成單牙輪複合鑽頭。只有1個牙輪的單牙輪複合鑽頭，其牙輪與井底巖石的接觸面積一般較大，牙輪上大多數表面與井底巖石接觸，牙輪上的切削齒將以較長距離的刮切方式破碎巖石，牙輪上採用本專利的旋轉齒，有利於提高牙輪及鑽頭的破巖效率，延長鑽頭使用壽命。

作為選擇，鑽頭體上設置有2-4個牙輪。當鑽頭外徑較大時，複合鑽頭上可設置多個牙輪，如2-4個牙輪。複合鑽頭上設置多個牙輪，可使鑽頭切削結構更均衡更對稱，有利於提高鑽頭工作時的穩定性。

作為選擇，旋轉齒設置在鑽頭體的固定切削結構上。進一步地，旋轉齒設置在鑽頭徑向內三分之一的心部區域上。當鑽頭鑽進複雜（如複合鑽進）時，切削齒運動複雜，切削齒相對巖石的刮切方向變化較大且變化頻繁。旋轉齒應用於固定切削結構上，能提高切削齒的刮切方向適應性，提高切削齒使用壽命，進而提高鑽頭的使用壽命。鑽頭旋轉鑽進過程中發生橫振等複雜運動時，鑽頭心部的切削齒因刮切方向變化頻繁易發生過早失效，在鑽頭徑向內三分之一的心部區域上設置旋轉齒，能增強鑽頭心部切削齒的刮切方向適應性，提高鑽頭使用壽命。

作為選擇，旋轉齒的旋轉軸與牙輪之間設置有限制旋轉齒在旋轉軸線方向上的運動的鎖緊結構。該方案中，旋轉齒設置在牙輪上時，為防止旋轉齒沿旋轉軸線的方向竄動或沿軸線脫落，可在旋轉齒與牙輪之間設置鎖緊結構，增強旋轉齒的可靠性和安全性。這裡的鎖緊是指將旋轉齒沿旋轉軸線的方向限位，防止旋轉齒沿旋轉軸線的方向竄動或脫落，並不限制旋轉齒相對牙輪的轉動。作為進一步選擇，旋轉齒的旋轉軸與牙輪之間採用滾珠鎖緊。滾珠鎖緊可儘量減少影響旋轉齒旋轉運動的同時，能實現將旋轉齒沿其旋轉軸線方向限位和軸向鎖緊，且便於加工。

作為選擇，旋轉齒的旋轉軸與牙輪之間設置有密封結構。該方案中，鑽頭工作時處在鑽井液、巖屑等環境中，旋轉齒可相對牙輪旋轉，為防止其他物質進入旋轉齒與牙輪的旋轉副之間，可在旋轉齒與牙輪之間設置密封結構，以減小旋轉副的磨損，延長旋轉副的使用壽命。

前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發明可採用並要求保護的方案；且本發明，（各非衝突選擇）選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本發明方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

附圖說明

圖1、圖2為本發明實施例1的結構示意圖。

圖3為本發明實施例1的旋轉齒刮切破巖時的示意圖。

圖4為本發明實施例1的旋轉齒的旋轉軸為設置有階梯的軸頸狀的結構示意圖。

圖5為本發明實施例1的旋轉齒的旋轉軸為圓柱形的結構示意圖。

圖6、圖7為本發明實施例1的旋轉齒上的切削元件為2個的結構示意圖。

圖8、圖9為本發明實施例1的鑽頭體上設置1個牙輪，牙輪前端設有固定切削結構的結構示意圖。

圖10為本發明實施例2的鑽頭體上設置2個牙輪的結構示意圖。

圖11為本發明實施例4、實施例5的旋轉齒與牙輪之間設置有鎖緊結構及密封結構的結構示意圖。

圖12為常規PDC齒結構示意圖。

圖13為常規PDC齒正常刮切破巖時的示意圖。

圖14、圖15、圖16為本發明實施例1的旋轉齒上的切削元件的形狀分別為半圓柱形、楔形和豎向設置的圓柱形的結構示意圖。

圖中：1、鑽頭體，2、牙輪，3、旋轉齒，31、PDC齒基體，32、PDC齒的聚晶金剛石層，33、旋轉齒的前切削麵，34、旋轉齒的旋轉軸線，35、旋轉齒的後切削麵，36、旋轉齒的旋轉軸，37、旋轉齒的前切削麵的背面，4、固定切削結構，41、固定切削齒，5、密封結構，6、鎖緊結構，7、巖石。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本發明。

實施例1：

參考圖1-5所示，一種具有旋轉齒的複合鑽頭，包括鑽頭體1、固定切削結構4和牙輪2，固定切削結構4上設置有固定切削齒41，牙輪2與鑽頭體1為轉動連接，牙輪2能相對鑽頭體1轉動，牙輪2上設置有切削齒，鑽頭體1上設有至少一個牙輪2，牙輪2上的切削齒至少有一顆為旋轉齒3，旋轉齒3與牙輪2形成轉動連接，旋轉齒3能相對牙輪2轉動。作為選擇，如本實施例所示，旋轉齒3包括與牙輪2轉動連接的旋轉軸36，以及固定在旋轉軸36上的切削元件，牙輪2上對應設有容納匹配旋轉齒3的旋轉軸36的軸孔，旋轉軸36插入軸孔內在牙輪2上旋轉。旋轉軸36可以有多種形式，例如圖4、7為旋轉齒3的旋轉軸36為設置有階梯的軸頸狀，圖5、6為旋轉齒3的旋轉軸36為圓柱形。切削元件固結於旋轉軸36的頂面，其前端面（耐磨層的前端面）與旋轉軸36的頂面成一夾角，切削元件與旋轉軸36的固結形式也可以有多種方式：例如圖4、5所示，其部分基體和耐磨層側面陷入固定於頂面內，或者如圖6、7所示，在頂面內形成一凸臺，其基體部分側面陷入固定於凸臺內，而耐磨層則出露於凸臺外。旋轉齒3的切削元件的前切削麵33或前切削麵33的幾何中心O相對旋轉齒3的旋轉軸線34偏移，且旋轉齒3的後切削麵35或後切削麵35的幾何中心在偏移方同側，前切削麵33相對後切削麵35靠近旋轉齒的旋轉軸線34，並能繞旋轉軸線34在牙輪2上旋轉。作為選擇，旋轉齒3上的切削元件為聚晶金剛石複合片（PDC齒）、聚晶金剛石複合齒、熱穩定聚晶金剛石複合齒、孕鑲金剛石齒（塊）、立方碳化硼、陶瓷齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相複合而成的複合齒。作為進一步選擇，旋轉齒3上的切削元件為聚晶金剛石複合片（PDC齒）。聚晶金剛石複合片由聚晶金剛石層32和基體31兩部分組成（參見圖12），其中聚晶金剛石層32的前端面即為切削元件的前切削麵33，側面為後切削麵35（參考圖3）。作為選擇，旋轉齒3上的切削元件的形狀為半圓柱形（參考圖14）、楔形（參考圖15）或豎向設置的圓柱形（參考圖16）等。作為選擇，旋轉齒3的前切削麵33或旋轉齒3的前切削麵33的幾何中心O相對旋轉齒3的旋轉軸線34的偏移距S大於旋轉齒3的旋轉軸36半徑（旋轉軸36置於軸孔內的圓柱或軸頸部分的半徑）的八分之一，小於旋轉軸36半徑的兩倍（參考圖3、圖11）。作為進一步選擇，旋轉齒3的前切削麵33或旋轉齒3的前切削麵33的幾何中心相對旋轉齒3的旋轉軸線34的偏移距S在1～32mm之間。旋轉齒上的切削元件可以為1個，也可以為多個。作為選擇，旋轉齒3上的切削元件為1-6個。作為進一步選擇，旋轉齒3上的切削元件為1個（如圖1、圖2、圖4、圖5）、2個（如圖6、圖7）或3個。切削單元1個時，優選旋轉齒的前切削麵的過幾何中心的法線與其旋轉軸線34相交。當切削單元多個時，各切削單元的前切削麵33並排朝向旋轉軸線34，並相對旋轉軸線34左右均布。鑽頭體上設置的牙輪可以為1個，也可以為多個。作為選擇，鑽頭體上設置1個牙輪（如圖1、圖2、圖8、圖9）。作為選擇，鑽頭體1上設置有2-4個牙輪，參考圖10所示，鑽頭體1上設置有2個牙輪。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：旋轉齒3設置在鑽頭體1的固定切削結構4上。

實施例3：

參考圖11所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：旋轉齒3的旋轉軸與牙輪2之間設置有限制旋轉齒3沿旋轉軸線34方向相對牙輪2運動的鎖緊結構6。旋轉齒3與牙輪2之間可設置彈性擋圈結構，以防止旋轉齒3沿旋轉軸線34的方向竄動或沿軸線脫落，旋轉齒3與牙輪2之間可設置螺紋結構，通過螺帽將旋轉齒3限位在牙輪2的旋轉齒孔內防止旋轉齒沿旋轉軸線的方向竄動或脫落。作為進一步選擇，旋轉齒3與牙輪2之間採用滾珠鎖緊（如圖11）。

實施例4：

參考圖11所示，本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：旋轉齒3的旋轉軸與牙輪2之間設置有密封結構5。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。