一種倒錐齒根鑲齒鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)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(shù)】
[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(qiáng)度等機(jī)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(yīng)用非常廣泛?，F(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(yīng)力將牙齒抱緊固定。然而，近年來，隨著油氣鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井深度不斷加大，地層溫度和復(fù)雜性不斷提高，并且隨著地?zé)徙@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(shí)，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(qiáng)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(huì)下降。這些均會(huì)加劇鉆頭的掉齒失效。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的目的在于:提出一種倒錐齒根鑲齒鉆頭，其牙齒和齒孔的結(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(jìn)尺和鉆井效率，降低鉆井成本。
[0004]本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0005]一種倒錐齒根鑲齒鉆頭，包括設(shè)于鉆頭上的牙齒，所述牙齒通過其齒根鑲固于齒孔內(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，所述牙齒的齒根與齒孔通過過盈配合鑲固。
[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，牙齒的齒根與齒孔通過過盈配合鑲固。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]當(dāng)遇到較高井底溫度時(shí)，即使齒孔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(yīng)，牙齒將很難從齒孔脫出掉落。
[0008]倒錐齒根的鑲齒可使牙齒和齒孔之間的配合過盈量遠(yuǎn)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(shí)更小的過盈量使得孔口薄弱處的應(yīng)力更小，在嚴(yán)苛的實(shí)際井下作業(yè)中，孔口更難以被破壞，從而進(jìn)一步減少掉齒。即使在較大載荷下，齒孔有塑性變形或破壞，由于牙齒與齒孔間鑲固部分為倒錐形，牙齒與齒孔在倒錐形結(jié)構(gòu)的倒錐抱拉效果和楔形效應(yīng)作用下，能保持牙齒不掉落，減少牙齒掉落失效的幾率。
[0009]現(xiàn)有圓柱齒和圓柱孔的常規(guī)鑲齒中，齒孔孔口處的應(yīng)力集中非常突出，齒孔孔口處的應(yīng)力明顯大于其他地方的應(yīng)力，牙齒工作過程中在載荷力及沖擊的作用下，往往是齒孔孔口處先發(fā)生塑變、裂紋或壓潰等破壞，使牙齒有效緊固長度、面積和緊固力減小，致使牙齒掉落。本申請不僅可改善孔口應(yīng)力狀況，而且還能改善牙齒工作受載過程中牙齒及齒孔，特別是齒孔最薄弱處一一孔口的應(yīng)力情況:鑲固在鉆頭上的牙齒，特別是鑲齒牙輪鉆頭牙輪上的牙齒，在工作時(shí)牙齒同時(shí)受到軸向和側(cè)向(垂直于牙齒軸向)的載荷，其中使最薄弱、應(yīng)力最集中且最易損壞的孔口發(fā)生破壞的是側(cè)向載荷，軸向載荷不會(huì)增大齒孔孔口應(yīng)力。在牙齒工作受載時(shí)，軸向載荷將使牙齒向齒孔底變形移動(dòng)(較小位移的移動(dòng)，當(dāng)載荷消失后位移又會(huì)恢復(fù))，由于本實(shí)用新型的牙齒齒根及齒孔均為倒錐形，軸向載荷使牙齒向齒孔底變形移動(dòng)后，與齒孔孔口匹配的牙齒齒根截面下移，較小的齒根上部截面與齒孔孔口配合，齒孔孔口與齒根之間的配合過盈量將變小，其能明顯改善齒孔孔口的應(yīng)力。并且，在軸向載荷的作用下，錐形牙齒向齒孔底變形移動(dòng)時(shí)能明顯改善減小整個(gè)齒孔壁和齒孔孔口的應(yīng)力情況。在工作載荷作用下，即使同時(shí)有側(cè)向載荷的作用，倒錐形齒孔和牙齒能優(yōu)化牙齒及齒孔的工況。而現(xiàn)有圓柱齒和圓柱孔的常規(guī)鑲齒，無論軸向載荷如何，由于牙齒和齒孔均為圓柱狀，牙齒向下變形運(yùn)動(dòng)將不會(huì)改變齒孔孔口和齒孔壁的應(yīng)力狀況，在側(cè)向載荷作用下圓柱形鑲齒的齒孔孔口及孔壁極易發(fā)生破壞，而催生牙齒掉落。
[0010]因此，本實(shí)用新型不僅在結(jié)構(gòu)上能改善牙齒與齒孔的鑲固應(yīng)力、固持可靠性，而且在工作受力原理上能改善牙齒工作過程中的應(yīng)力工況，即在工作機(jī)理上改善優(yōu)化牙齒與齒孔的互作用關(guān)系，提高固齒可靠性，減少鉆頭掉齒幾率。
[0011]該方案雖然在結(jié)構(gòu)上看似簡單，但由于上百年歷史以來鉆頭牙齒安裝方式已幾乎定型，成為定律，在慣性思維和相關(guān)技術(shù)的制約下，現(xiàn)有技術(shù)中從未出現(xiàn)本申請的這種方案，本申請是一種實(shí)際上突破性的鉆頭技術(shù)。
[0012]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%。
[0013]上述方案中，由于齒根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，如過大將不便于牙齒鑲?cè)臊X孔；但相差也不能太小，太小將難達(dá)到倒錐抱拉的效果和楔形效應(yīng)。
[0014]作為選擇2，所述牙齒的齒根為上小下大的圓臺(tái)形；所述齒孔為口小底大的圓臺(tái)形。
[0015]上述方案中，齒根、齒孔為上小下大的圓臺(tái)形時(shí)便于加工實(shí)現(xiàn)，且能相對高效地批量生產(chǎn)。
[0016]作為進(jìn)一步選擇3，所述牙齒的齒根圓臺(tái)、齒孔圓臺(tái)的錐度范圍為:1:500?
1:100ο
[0017]上述方案中，錐度太小將難以達(dá)到倒錐抱緊效果和楔形效應(yīng)，錐度過大不便牙齒鑲裝于齒孔內(nèi)。
[0018]作為選擇4，所述鉆頭為牙輪鉆頭，所述牙齒鑲固于鉆頭的牙輪上。
[0019]前述本實(shí)用新型主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本實(shí)用新型可采用并要求保護(hù)的方案。如本實(shí)用新型，各選擇即可和主方案及其他選擇任意組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本實(shí)用新型方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多種組合，在此不做窮舉。<