本實(shí)用新型涉及地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于地?zé)峥碧骄@探的高速三牙輪鉆頭。

背景技術(shù)：

在世界當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)體系中，高能耗和環(huán)境污染是我國(guó)關(guān)鍵問(wèn)題，地?zé)豳Y源因其可再生、無(wú)污染以及儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)引起了各國(guó)的廣泛關(guān)注。而在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)中，干熱巖的開(kāi)發(fā)利用具有普遍性，從理論上講，只要深度達(dá)到在任何地方都能發(fā)現(xiàn)熱源，同時(shí)干熱巖型資源避免了熱水型資源開(kāi)發(fā)利用導(dǎo)致的地面沉降等問(wèn)題，因此，干熱巖吸引了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。開(kāi)發(fā)干熱巖地?zé)幔枰捎勉@井方式深入地層，而在常用的鉆頭材料中，由于聚晶金剛石(PDC)鉆頭切削齒還不能適應(yīng)硬質(zhì)地層，目前地?zé)徙@井主要采用牙輪鉆頭。碳化鎢鑲齒牙輪鉆頭能夠應(yīng)付高達(dá)150℃的溫度，但是超過(guò)了這一溫度，鉆頭軸承中的橡膠密封材料會(huì)生退化，造成密封失效，鉆井液及巖屑進(jìn)入軸承腔從而導(dǎo)致軸承損壞，限制鉆頭在井底的鉆進(jìn)時(shí)間，導(dǎo)致起下鉆次數(shù)增加和鉆頭使用數(shù)量增多，從而增加成本。針對(duì)常規(guī)鉆頭密封件中橡膠不能抗高溫，導(dǎo)致鉆頭壽命太低的問(wèn)題，可以采用新材料密封橡膠或金屬密封代替橡膠密封來(lái)提高抗溫能力。同時(shí)鑲齒牙輪鉆頭是依靠牙齒的過(guò)盈裝配使牙齒和齒孔內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦阻力來(lái)緊固的，若牙齒和齒孔的過(guò)盈量不足則固齒力也會(huì)相應(yīng)不足，而過(guò)盈量太大會(huì)導(dǎo)致牙齒和齒孔的接觸應(yīng)力超過(guò)孔壁材料的屈服極限從而發(fā)生塑性變形，在鑲齒配合過(guò)程中，若過(guò)盈量太大，孔壁局部產(chǎn)生塑性變形，在高溫地?zé)徙@井的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，即便孔壁應(yīng)力恒低于屈服強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，隨之產(chǎn)生應(yīng)力松弛，孔壁的彈性變形降低，塑性變形增大，變形量超過(guò)一定尺寸后，齒孔壁上會(huì)產(chǎn)生微裂紋和損傷。同時(shí)牙齒在和巖石相互作用過(guò)程中受交變應(yīng)力的作用，又加速了孔壁損傷和孔壁裂紋的形成，當(dāng)裂紋擴(kuò)大到一定程度后齒孔對(duì)牙齒的緊固作用就會(huì)失去，最終會(huì)導(dǎo)致牙輪掉齒。由于鑲齒鉆頭齒孔和牙齒的過(guò)盈量并不相同，所以對(duì)于過(guò)盈配合量的設(shè)計(jì)，需要對(duì)每個(gè)齒孔的牙齒選擇合理的壓力壓入，否則牙齒也極其容易掉落和斷裂，對(duì)每個(gè)牙齒齒孔的配合需要進(jìn)行計(jì)算分析工作，此種檢驗(yàn)的方式需要花費(fèi)大量的人力物力，效率比較低，另外以往使用的鉆頭多為滑動(dòng)鉆頭，為了提高勘探鉆井鉆井效率，對(duì)地?zé)徙@井牙輪鉆頭掉齒失效的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研和分析，并將地?zé)徙@井牙輪鉆頭與傳統(tǒng)牙輪鉆頭進(jìn)行對(duì)比，找出兩者之間結(jié)構(gòu)、材料、受載、工況上的區(qū)別，在傳統(tǒng)牙輪鉆頭掉齒失效的基礎(chǔ)上分析地?zé)徙@井掉齒失效的原因，并對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)斷齒的原因除與牙齒的類型外，還受到滑動(dòng)軸承和密封結(jié)構(gòu)的缺陷的影響。

相對(duì)而言，采用整體銑齒結(jié)構(gòu)的鉆頭，能克服鑲齒結(jié)構(gòu)的加工復(fù)雜等問(wèn)題，且成本更加低廉，目前的銑齒結(jié)構(gòu)鉆頭主體由鋼材組成，但與鑲齒鉆頭相同，目前銑齒的鋼齒鉆頭在密封性和耐溫性上依然不能很好的滿足需求，而且由于鋼齒鉆頭的耐磨性相對(duì)較差，其主要用于淺層鉆井，對(duì)于深層應(yīng)用較少。

因此，尋找一種能克服上述問(wèn)題的鋼齒鉆頭，對(duì)于開(kāi)發(fā)干熱巖資源，提高國(guó)家能源保障和環(huán)境保護(hù)，有很大的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型涉及一種地?zé)峥碧姐@井用高速三牙輪鉆頭，通過(guò)對(duì)常規(guī)滾動(dòng)和滑動(dòng)鉆頭及橡膠密封鉆頭的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，提供了一種碳化鎢敷焊層的滾滑復(fù)合軸承鉆頭，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，密封性高，耐高溫性強(qiáng)。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種地?zé)峥碧姐@井用高速三牙輪鉆頭，包括牙輪總成一、牙輪總成二、牙輪總成三、硬質(zhì)合金齒、噴嘴、牙掌焊縫、牙掌體；所述牙輪總成一、牙輪總成二、牙輪總成三結(jié)構(gòu)相同，其特征在于，所述牙輪總成一、牙輪總成二、牙輪總成三均包括小滾柱)、大滾柱、牙輪殼體、鎖緊鋼球、碳化鎢敷焊層、銅環(huán)、保徑齒、密封組合、滑塊組合、牙齒；三個(gè)牙輪總成分別鑲裝在三個(gè)牙掌體下端，三片帶牙輪的牙掌體焊接為一體，三個(gè)牙掌體的上部構(gòu)成鉆頭體，三個(gè)牙輪總成與三個(gè)牙掌體的軸承配合連接，通過(guò)軸承實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；

所述牙掌體的軸承的內(nèi)圈部分結(jié)構(gòu)為上小下大的定軸構(gòu)成，上端作為小圓柱面，下端作為大圓柱面，大滾柱、小滾柱作為滾珠，分別設(shè)在內(nèi)圈的大圓柱面和小圓柱面上，牙輪殼體作為外圈，鎖緊鋼球卡設(shè)在大滾柱和小滾柱之間，鑲嵌銅環(huán)安裝于大圓柱面和大滾柱之間，牙輪殼體套設(shè)在軸承外側(cè)，通過(guò)大滾柱、小滾柱實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，大滾柱下方設(shè)有密封組合，銅環(huán)為耐磨的銅合金材料制成，與軸承的大圓柱面過(guò)盈配合鑲裝。

進(jìn)一步的，所述牙掌體表面設(shè)有鉆孔，鉆孔內(nèi)鑲嵌有硬質(zhì)合金齒，硬質(zhì)合金齒與鉆孔采用過(guò)盈配合。

進(jìn)一步的，所述鉆頭體上安設(shè)有噴嘴座，噴嘴座的噴孔中安設(shè)有噴嘴，噴嘴所用材料為耐沖蝕的鎢鈷合金材料。

進(jìn)一步的，所述牙齒表面設(shè)有碳化鎢敷焊層，保證牙齒可以承受井下150℃高溫，同時(shí)碳化鎢敷焊層具有極強(qiáng)的耐磨性，能夠抵抗干熱巖的碾磨作用。

進(jìn)一步的，所述軸承中注入合成潤(rùn)滑油及添加劑，提高軸承內(nèi)部抗高溫潤(rùn)滑性能。

進(jìn)一步的，所述密封組合由密封圈一和密封圈二組成，密封圈一和密封圈二均為唇口朝內(nèi)的V型密封圈，密封圈一套設(shè)在密封圈二外側(cè)，實(shí)現(xiàn)軸承與牙輪殼體的密封，V型密封圈采用添加有纖維增強(qiáng)碳氟化合物的橡膠制成，具有耐高溫特性。

進(jìn)一步的，所述大滾柱、牙掌體、鑲嵌銅環(huán)、牙輪殼體、滑塊組合組成滾滑軸承，滑塊組合設(shè)置于牙輪殼體之內(nèi)，與大滾柱間隔設(shè)置，大滾柱作為滾動(dòng)軸承，滑塊組合作為滑動(dòng)軸承，兩種軸承結(jié)構(gòu)相互配合，防止大滾柱應(yīng)力過(guò)大發(fā)生壓潰。

進(jìn)一步的，所述滑塊組合包括丁腈橡膠圈和金屬滑塊，丁腈橡膠圈和金屬滑塊通過(guò)粘接劑開(kāi)姆洛克205粘膠劑壓制結(jié)合成型。

進(jìn)一步的，所述滑塊組合寬度為大滾柱直徑的1.2～2.2倍，大滾柱直徑比滑塊組合厚度小0.008～0.02mm；大滾柱、牙掌體、鑲嵌銅環(huán)、牙輪殼體、滑塊組合的徑向間隙構(gòu)成的總徑向間隙在0.18～0.22mm之間。

進(jìn)一步的，所述牙輪殼體材料為GCr15、牙掌體的材料為CrWMn，金屬滑塊材料為9Cr18。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種地?zé)峥碧姐@井用高速三牙輪鉆頭，在鋼齒三牙輪鉆頭的基礎(chǔ)上，采用碳化鎢敷焊層牙齒，消除了鑲齒鉆頭齒孔和牙齒的過(guò)盈量的選配工作，不需要增加鑲齒牙輪鉆頭鉆鉸齒孔工序，提高了設(shè)計(jì)效率；

2、利用新設(shè)計(jì)的滾滑復(fù)合軸承，并改進(jìn)了軸承部分的密封結(jié)構(gòu)，采用加入纖維增強(qiáng)碳氟化合物的V型密封圈，并配置為雙重結(jié)構(gòu)，密封主圈受到擠壓收縮，將壓力傳給隔離密封圈，達(dá)到雙重密封功能；

3、采用合成潤(rùn)滑油及添加劑提高抗高溫潤(rùn)滑性能，這設(shè)計(jì)方法和選材保證了密封的可靠性和承受地?zé)峋牡貙訙囟?，適應(yīng)此深度范圍的井段干熱巖的鉆探，相對(duì)鑲齒和金屬密封結(jié)構(gòu)的三牙輪鉆頭，節(jié)約了設(shè)計(jì)工作量和制造成本，大大減少鉆進(jìn)的時(shí)間，延長(zhǎng)軸承部位的工作壽命。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型的三維嚙合圖；

圖3為本實(shí)用新型的牙輪軸承結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本實(shí)用新型的滾滑復(fù)合軸承A-A截面俯視圖；

圖5為本實(shí)用新型的滑塊結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本實(shí)用新型的密封組合結(jié)構(gòu)圖。

圖中所示：

1-牙輪總成一，2-牙輪總成二，3-牙輪總成三，4-硬質(zhì)合金齒，5-噴嘴，6-牙掌焊縫，7- 小滾柱，8-大滾柱，9-牙掌體，10-牙輪殼體，11-鎖緊鋼球，12-鎢鈷合金敷焊層，13-銅環(huán)， 14-保徑齒，15-密封組合，150-隔離密封圈，151-密封主圈，16-滑塊組合，160-丁腈橡膠圈， 161-金屬滑塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1～圖6所示，一種地?zé)峥碧姐@井用高速三牙輪鉆頭，主要由牙輪總成一1、牙輪總成二2、牙輪總成三3、硬質(zhì)合金齒4、噴嘴5、牙掌焊縫6、和牙掌體9以及牙掌體9上的軸承構(gòu)成，牙輪總成內(nèi)部裝配有小滾柱7、大滾柱8、牙輪殼體10、鎖緊鋼球11、鎢鈷合金敷焊層12、鑲嵌銅環(huán)13、保徑齒14、密封組合15、滑塊組合16組成。三個(gè)牙輪總成鑲裝在三個(gè)牙掌體9下端，再將三片帶牙輪的牙掌體9焊接為一體，所述牙輪為鋼齒牙輪，三個(gè)牙掌體9的上部構(gòu)成鉆頭體，牙掌體9軸承表面鑲嵌了耐磨的硬質(zhì)合金齒4，在鉆頭體上安設(shè)有噴嘴座，噴嘴座的噴孔中安設(shè)有噴嘴5，噴嘴5為耐沖蝕的鎢鈷合金材料，新設(shè)計(jì)的滾滑復(fù)合軸承結(jié)構(gòu)的為大滾柱8與滑塊16間隔布置的滾滑復(fù)合軸承，此種軸承結(jié)構(gòu)能承受高轉(zhuǎn)速和較高的負(fù)載，并具備較強(qiáng)的抗沖擊性能，三個(gè)牙輪總成與三個(gè)牙掌體9的軸承配合連接，牙輪殼體10與軸承之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承表面鑲嵌了硬質(zhì)合金齒4，硬質(zhì)合金齒4與安裝它的鉆孔過(guò)盈配合，牙齒表面為碳化鎢敷焊層12，保證牙齒可以承受井下150℃高溫，牙齒表面為碳化鎢敷焊層12還具有極強(qiáng)的耐磨性，能夠抵抗干熱巖的碾磨作用，軸承總成中注入合成潤(rùn)滑油及添加劑，提高軸承內(nèi)部抗高溫潤(rùn)滑性能，密封部分主要由大滾柱8、軸承、鑲嵌銅環(huán)13、牙輪殼體10、密封組合15組成，密封組合15由隔離密封圈150和密封主圈151 組成，此種密封結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的橡膠材料和結(jié)構(gòu)，采用纖維增強(qiáng)碳氟化合物，具有耐高溫特性，大滾柱8、軸承、鑲嵌銅環(huán)13、牙輪殼體10組成滾滑軸承，在同一個(gè)軸承上實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)和滑動(dòng)的功能，能減少大滾柱8被壓潰的概率，同時(shí)不降低轉(zhuǎn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)鉆頭的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊組合16由丁腈橡膠圈160和金屬滑塊161通過(guò)粘接劑開(kāi)姆洛克205粘膠壓制成型，滾滑軸承結(jié)構(gòu)在于滑塊組合16寬度應(yīng)為滾柱直徑的1.2～2.2倍，大滾柱8的直徑可比滑塊組合 16厚度小0.008～0.02mm，總徑向間隙應(yīng)在0.18～0.22mm之間。

三牙輪鉆頭的主要零件牙輪殼體材料為GCr15、牙掌體材料為CrWMn，金屬滑塊161 材料為9Cr18，上述材料均為耐腐蝕腦高溫材料，能適應(yīng)干熱巖環(huán)境開(kāi)發(fā)的需求。

本實(shí)用新型所提供的三牙輪鉆頭的軸承結(jié)構(gòu)能承受高轉(zhuǎn)速和較高的負(fù)載，并具備較強(qiáng)的抗沖擊性能。碳化鎢敷焊層牙齒可以承受井下高溫，改進(jìn)軸承部分的密封結(jié)構(gòu)，此種密封結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的橡膠材料和結(jié)構(gòu)，采用纖維增強(qiáng)碳氟化合物，并利用合成潤(rùn)滑油及添加劑提高抗高溫潤(rùn)滑性能，這些設(shè)計(jì)方法和選材保證了密封的可靠性和承受高溫，可以適應(yīng)中深井段干熱巖的鉆探，相對(duì)鑲齒和金屬密封結(jié)構(gòu)的三牙輪鉆頭，節(jié)約了設(shè)計(jì)和制造成本，可以大大減少鉆進(jìn)的時(shí)間，延長(zhǎng)軸承部位的工作壽命，保證了牙輪鉆頭整體在高轉(zhuǎn)速和中高鉆壓條件下的壽命。

以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何形式上的限制，雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。