專利名稱：一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于石油天然氣鉆探工程、礦山開采、地質(zhì)鉆探、建筑工程、隧道工程、 盾構(gòu)及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體的說涉及一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭。
背景技術(shù)：
鉆頭是鉆井過程中直接與巖石接觸，通過切削、沖壓等作用破碎巖石的工具?，F(xiàn)代鉆井工程中廣泛使用的鉆頭主要有牙輪鉆頭(包括單牙輪鉆頭、三牙輪鉆頭)、PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)。當(dāng)今，牙輪鉆頭和PDC鉆頭都已發(fā)展到相當(dāng)高的水平，但仍存在一些不可克服的問題。一是怕劃眼和擴(kuò)眼， 使密封軸承的牙輪鉆頭，特別是PDC鉆頭先期損壞；二是對井底中心巖石的運(yùn)動小，功能不足，中心巖石不易破碎，影響鉆頭的機(jī)械鉆速，牙輪鉆頭和PDC鉆頭中心布齒少、易磨損，也是鉆頭失效的主要原因。三牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)破巖形式為沖擊壓碎破巖，通過牙輪上的牙齒對井底巖石形成沖擊壓碎作用破碎巖石，形成井徑。由于巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪和抗拉強(qiáng)度，而三牙輪鉆頭利用牙齒對巖石的沖擊作用來破巖，能量利用率不高。特別是在深井鉆井等高鉆壓情況下，由于高密度的鉆井液的作用，井底的巖屑壓持效應(yīng)明顯，鉆頭牙齒難以吃入巖石并沖擊破碎巖石，故破巖效率相對較低。三牙輪鉆頭軸承壽命是制約鉆頭使用壽命的主要因素之一，軸承承受鉆壓引起的載荷，加上三牙輪鉆頭以沖擊形式破巖，軸承受到的沖擊載荷大，載荷幅值高，加之三牙輪鉆頭的增速效應(yīng)三牙輪鉆頭輪體速比(鉆井時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比)大于1，即鉆頭鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速大于鉆頭鉆速，所以軸承轉(zhuǎn)速相對較快，導(dǎo)致三牙輪鉆頭的軸承壽命較短。雙牙輪鉆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(shè)置，即均是向內(nèi)。除了造成以上的問題之外，從牙輪鉆頭破巖過程和運(yùn)動軌跡分析， 牙輪上的牙齒與井底井壁巖石接觸時(shí)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(jī)械鉆速。單牙輪鉆頭牙輪形狀不同于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)。依靠牙齒對地層的沖擊、滾壓和刮切三種方式破碎巖石，尤其是刮切運(yùn)動的方向在牙輪表面的各個部位都不同，即不同排數(shù)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，并形成網(wǎng)狀的井底軌跡。單牙輪鉆頭的特點(diǎn)是牙輪轉(zhuǎn)速低，軸承尺寸較大，使用壽命優(yōu)于三牙輪鉆頭，但是單牙輪鉆頭有無法回避的缺點(diǎn)單牙輪鉆頭的滿眼結(jié)構(gòu)決定其破巖過程中容易發(fā)生重復(fù)破碎，排屑困難。牙齒耐磨性嚴(yán)重不足，一旦發(fā)生牙齒磨鈍或斷齒，機(jī)械鉆速急劇下降。PDC鉆頭破巖形式為刮削巖石，在鉆井、地質(zhì)乃至建筑工程中運(yùn)用越來越廣泛，在鉆井工程中使用的比例越來越大。在鉆頭中心線和井眼中心線重合的理想工作條件下，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)各切削齒的運(yùn)動軌跡為相對固定的同心圓環(huán)帶。由于其破巖機(jī)理和結(jié)構(gòu)差異，PDC 鉆頭適用于較高鉆速和軟至中硬地層。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(dǎo)致PDC鉆頭產(chǎn)生崩齒或熱摩擦現(xiàn)象，溫度升高燒黑胎體，甚至熔化釬焊層，產(chǎn)生掉齒現(xiàn)象，影響機(jī)械鉆速，加速鉆頭失效。2. PDC齒失效的嚴(yán)重后果與牙輪鉆頭相比較，PDC鉆頭個別齒的失效(掉齒、崩齒等)會嚴(yán)重增加附近PDC齒的載荷，加快其磨損速度，加劇鉆頭失效。3.心部破巖效率不高PDC鉆頭不同徑向區(qū)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(shí)用新型內(nèi)容鑒于PDC鉆頭的缺陷，本實(shí)用新型針對牙輪鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，提出一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，解決現(xiàn)有雙、三牙輪鉆頭能量利用率低、破巖效率低、軸承壽命短、鉆進(jìn)效率低，以及單牙輪滿眼結(jié)構(gòu)造成的排屑困難、牙齒耐磨性差等問題。本實(shí)用新型的鉆頭以旋切方式?jīng)_擊、壓碎、切削巖石，實(shí)現(xiàn)破巖，同時(shí)改進(jìn)鉆頭軸承結(jié)構(gòu)，確保提高破巖效率的同時(shí)增加鉆頭使用壽命。為解決上述問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，包括鉆頭主體(1)、牙輪O)、牙輪工作面上的切削齒(3)，牙輪O)與鉆頭主體(1)上牙輪軸頸構(gòu)成轉(zhuǎn)動連接，其特征在于主體(1) 上牙輪軸頸平面與鉆頭軸線的輪體夾角β的范圍為0° < β <90°，軸頸偏移量為
權(quán)利要求1.一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，包括鉆頭主體(1)、牙輪O)、牙輪工作面上的切削齒(3)，其特征在于鉆頭主體(1)上牙輪軸頸平面與鉆頭軸線的輪體夾角β的范圍為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于所述牙輪軸頸平面與鉆頭軸線的輪體夾角β i = β i+1或β i興β i+1，軸頸偏移量Si = si+1或Si興si+1， 其中，i為牙輪的序號(i ^ 1)，輪i對應(yīng)的輪體夾角為Pi，輪i對應(yīng)的軸頸偏移量為Si。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于所述的輪體夾角β的范圍是15°彡β彡85°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于所述的輪體夾角β是30°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于所述的軸頸偏移量s的范圍是。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于輪體速比即牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比小于1。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于牙輪為一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于牙輪為以鉆頭主體中心對稱的兩個。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于牙輪為以鉆頭主體中心對稱的三個。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一所述的一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，其特征在于至少有一個牙輪的切削齒運(yùn)行軌跡達(dá)到或越過鉆頭軸線位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種以旋切方式破巖的輪式鉆頭，包括鉆頭主體、牙輪、牙輪工作面上的切削齒。鉆頭主體上牙輪軸頸平面與鉆頭軸線夾角β的范圍為0°＜β＜90°，軸頸偏移量為其中，D為鉆頭直徑。本實(shí)用新型輪式鉆頭破巖效能高，鉆頭使用壽命長。
文檔編號E21B10/12GK202249771SQ20112031579
公開日2012年5月30日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者張亮, 曾德發(fā), 李舒, 田家林 申請人:四川深遠(yuǎn)石油鉆井工具有限公司