一種襯套鑲齒鉆頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及各類鉆井工程中使用的鉆頭，尤其涉及石油天然氣鉆井工程中使用的鑲齒牙輪鉆頭。
【背景技術】
[0002]鉆井工程中使用的牙輪鉆頭按照牙齒齒型及材料可分為銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭，鑲齒牙輪鉆頭的牙齒一般采用硬質(zhì)合金材料。由于鑲齒牙輪鉆頭的硬質(zhì)合金齒的耐磨性和強度等機械性能均優(yōu)于銑齒牙輪鉆頭的牙齒，其在鉆井作業(yè)中應用非常廣泛。現(xiàn)有鑲齒牙輪鉆頭是把圓柱形牙齒的齒根壓入牙輪殼體上的圓柱形齒孔內(nèi)，牙齒的齒根與齒孔之間通過過盈配合或焊接的方式固結(jié)在一起，過盈配合固齒通過齒孔的過盈變形所產(chǎn)生的應力將牙齒抱緊固定。然而，近年來，隨著油氣鉆井技術的發(fā)展，鉆井深度不斷加大，地層溫度和復雜性不斷提高，并且隨著地熱鉆井的發(fā)展，鉆井施工中井底溫度越來越高。鑲齒牙輪鉆頭的掉齒是牙輪鉆頭失效的主要形式之一，在高溫地層，掉齒失效更為明顯。這主要是由于在溫度較高時，齒孔和牙齒受熱膨脹，牙輪材料的熱膨脹系數(shù)一般大于牙輪上牙齒材料的熱膨脹系數(shù)，這將降低齒孔與牙齒之間的有效過盈量，從而降低齒孔對牙齒的緊固強度；且受熱后，即使過盈量不變，在較高溫度下齒孔對牙齒的緊固力也會下降。這些均會加劇鉆頭的掉齒失效。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型的目的在于:提出一種襯套鑲齒鉆頭，其牙齒、襯套和齒孔的結(jié)合形式可減小鉆頭的掉齒，明顯延長鉆頭壽命，從而提高鉆頭鉆井進尺和鉆井效率，降低鉆井成本。
[0004]本實用新型的目的通過下述技術方案來實現(xiàn):
[0005]一種襯套鑲齒鉆頭，包括設于鉆頭上的牙齒，牙齒通過其齒根鑲固于鉆頭上的齒孔內(nèi)，齒孔孔口直徑小于齒孔內(nèi)最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒和齒孔之間設有襯套，牙齒的齒根通過過盈配合鑲固于襯套內(nèi)，襯套通過過盈配合鑲固于齒孔內(nèi)。
[0006]上述方案中，齒孔孔口直徑小于齒孔內(nèi)最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，齒孔及牙齒齒根均為倒錐形結(jié)構。牙齒的齒根通過過盈配合鑲固于襯套內(nèi)，襯套通過過盈配合鑲固于齒孔內(nèi)。這種固齒方式，使牙齒倒錐形的齒根被倒錐形的齒孔抱拉，齒孔將牙齒抱拉緊固在齒孔內(nèi)，不易掉齒。
[0007]襯套處于牙齒和齒孔之間，牙齒齒根與襯套、襯套與齒孔之間均為過盈配合鑲固。鑲固牙齒時，由于有襯套，襯套為內(nèi)空的薄壁筒狀構件，牙齒或襯套在鑲?cè)臊X孔過程中，薄壁筒狀的襯套易于產(chǎn)生整體的變形，襯套上的變形和應力都較均勻，以適應鑲?cè)脒^程中的過盈變形。
[0008]當遇到較高井底溫度時，即使齒孔與襯套、襯套與齒根之間的過盈量發(fā)生變化，倒錐形齒孔對倒錐形齒根產(chǎn)生楔形效應，牙齒將很難從齒孔脫出掉落。
[0009]倒錐齒根的鑲齒可使牙齒和襯套、襯套和齒孔之間的配合過盈量遠小于圓柱齒和圓柱孔等常規(guī)鑲齒的配合過盈量，卻能取得更佳的固齒效果，同時更小的過盈量使得孔口薄弱處的應力更小，在嚴苛的實際井下作業(yè)中，孔口更難以被破壞，從而進一步減少掉齒(現(xiàn)有圓柱齒和圓柱孔的常規(guī)鑲齒中，齒孔孔口處的應力集中非常突出，工作過程中往往是齒孔先發(fā)生塑變或產(chǎn)生裂紋，催生牙齒掉落，本申請可改善孔口應力狀況減少掉齒)。即使在較大載荷下，齒孔有塑性變形或破壞，由于牙齒、齒孔為倒錐形，牙齒與齒孔在倒錐形結(jié)構的倒錐抱拉效果和楔形效應作用下，能保持牙齒不掉落，減少牙齒掉落失效的幾率。另夕卜，由于齒孔與牙齒之間設置有襯套，即使齒孔有塑性變形或破壞，被擠壓的襯套能適應并調(diào)節(jié)自身的變形彌補齒孔的變形，使齒孔對牙齒的抱緊力自適應、自均衡，齒孔及牙齒上的牙輪也將達到自適應、自均衡，這能減少齒孔的進一步塑性變形和破壞，改善牙齒鑲固強度，增強固齒可靠性，減少牙齒掉落。
[0010]作為選擇I，所述齒孔的孔口直徑比齒孔內(nèi)最大直徑小0.1%?1%。
[0011]上述方案中，由于襯套與齒孔間為過盈配合，齒孔的孔口直徑與齒孔內(nèi)最大直徑相差不宜過大，如過大將不便于襯套及牙齒鑲?cè)臊X孔；但相差也不能太小，太小將難達到倒錐抱拉的效果和楔形效應。
[0012]作為選擇2，所述牙齒的齒根為上小下大的圓臺形；所述齒孔為口小底大的圓臺形。
[0013]上述方案中，齒根、齒孔為上小下大的圓臺形時便于加工實現(xiàn)，且能相對高效地批量生產(chǎn)。
[0014]作為選擇3，所述襯套的外壁為上小下大的圓臺形；所述襯套的內(nèi)壁為上小下大的圓臺形。
[0015]上述方案中，襯套的外壁、襯套的內(nèi)壁為上小下大的圓臺形，能更好地與倒錐形齒孔及倒錐形齒根匹配，能更好地產(chǎn)生楔形效應，便于倒錐形齒孔對牙齒的抱拉緊固。特別是當齒根、齒孔也為上小下大的圓臺形時，上小下大的圓臺形襯套內(nèi)、外壁將能與齒根、齒孔更好地匹配緊固。
[0016]作為選擇4，所述牙齒的齒根圓臺、齒孔圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
[0017]上述方案中，錐度太小將難以達到倒錐抱緊效果和楔形效應，錐度過大不便牙齒鑲裝于齒孔內(nèi)。
[0018]作為選擇5，所述鉆頭為牙輪鉆頭，所述牙齒鑲固于鉆頭的牙輪上。
[0019]作為選擇6，所述牙齒的齒根為上小下大的圓臺形，所述齒孔為口小底大的圓臺形，且所述牙齒齒孔的圓臺的錐度大于所述牙齒齒根圓臺的錐度。
[0020]上述方案中，牙齒與齒孔之間設置有襯套，襯套填壓在牙齒與齒孔之間，牙齒齒孔的圓臺錐度大于牙齒齒根圓臺的錐度，填壓在牙齒與齒孔之間的襯套的變形能迎合均衡齒孔對牙齒的抱緊；牙齒齒孔的圓臺錐度大于牙齒齒根圓臺的錐度，能使齒孔對牙齒產(chǎn)生更好的倒錐抱拉效果和楔形效應，增強齒孔對牙齒的抱固效果。
[0021]作為選擇7，所述襯套的材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間。
[0022]上述方案中，鑲固于鉆頭(或牙輪)上的牙齒多為硬質(zhì)合金齒，鉆頭體及牙輪材料一般都是低碳鋼，低碳鋼的硬度及彈性模量均明顯低于硬質(zhì)合金。較硬的牙齒鑲固于軟的齒孔內(nèi)，在較大載荷作用下，堅硬的牙齒擠壓軟的齒孔易引起齒孔的塑性變形或破壞。溫度升高時，齒孔熱膨脹系數(shù)明顯高于硬質(zhì)合金牙齒，受熱后牙齒與齒孔之間的有效過盈量將下降，不利于牙齒的緊固。牙齒與齒孔之間設置襯套，且襯套材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間，使堅硬的牙齒與較軟齒孔之間的硬-軟直接過渡改變?yōu)橛?中-軟的緩慢過渡，減小了牙齒與鉆頭(或牙輪)齒孔之間材料彈性模量的差距和突變。襯套材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間，有利于改善牙齒受載時堅硬的牙齒對軟齒孔的直接擠壓，較少或避免齒孔的塑性變形和損壞；能彌補因溫度升高引起的牙齒與齒孔之間的有效過盈量的下降，減少牙齒掉落。
[0023]前述本實用新型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，均為本實用新型可采用并要求保護的方案。如本實用新型，各選擇即可和主方案及其他選擇任意組合，本領域技術人員在了解本實用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術和公知常識可明了有多種組合，在此不做窮舉。
[0024]本實用新型的有益效果:鑲齒牙輪鉆頭在高溫環(huán)境下工作時，牙齒和牙輪因溫度升高而發(fā)生金屬軟化，加上外力的沖擊振動作用，齒孔尺寸擴大。襯套的存在可減少固定齒孔與牙齒齒根之間因受力變形和熱變形而產(chǎn)生的相互影響，起到緩沖作用力、保護齒孔的作用，保證了配合要求，有效防止牙齒的脫落。
【附圖