專利名稱：采用孔口端面定位方式鑲固牙齒的鑲齒牙輪鉆頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及各類鉆井工程中使用的鑲齒牙輪鉆頭及鑲齒滾輪鉆頭，尤其是石油天然氣鉆井工程中使用的鑲齒牙輪鉆頭。
在鉆井工程中廣泛使用的牙輪鉆頭，通常由鉆頭體、牙輪組成，牙輪安裝在鉆頭體的牙爪軸頸上，牙輪上有牙齒，牙齒是鉆井過程中直接破碎地層巖石的基本元件。按牙齒的制造特點可將牙輪鉆頭分為兩大類，即銑齒(又稱鋼齒)和鑲齒(又稱硬質(zhì)合金齒)牙輪鉆頭。銑齒牙輪鉆頭的基本特點是，在優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造的圓錐形牙輪基體上，用切削加工方法直接切出牙齒，牙齒的尺寸較大，破巖效率較高(特別是刮切破巖效率高)，因此其機械鉆速較高；但其存在的主要問題是，牙齒的耐磨性較低，工作壽命短。為提高牙齒的耐磨性，通常是對牙齒表面進行強化處理，目前除用常規(guī)的滲碳、淬火方法來提高其表面硬度外，還在牙齒表面敷焊一層碳化鎢硬質(zhì)合金粉末進行強化，這樣雖在一定程度上提高了牙齒的耐磨能力，延長了鉆頭的工作壽命，但牙齒的耐磨性仍與鑲齒鉆頭整體燒結的硬質(zhì)合金牙齒有相當大的差距。鑲齒牙輪鉆頭的基本特點是，其牙齒是用硬質(zhì)合金預先壓制燒結成型，再用過盈配合壓入牙輪殼體表面的齒孔中。由于硬質(zhì)合金有較高的抗磨能力，從而大大延長了鉆頭的工作壽命，因而鑲齒鉆頭的工作壽命遠高于銑齒鉆頭的工作壽命。但是，現(xiàn)有鑲齒鉆頭的硬質(zhì)合金牙齒在鑲入齒孔時，其根部底面是抵緊孔底的，齒孔的底面是牙齒的軸向定位面(也即軸向載荷承載面)，牙齒承受的軸向載荷主要通過該面?zhèn)鬟f到牙輪上，因而牙齒的結構特點是固齒部位(根部)的尺寸大于工作部位(冠部)的尺寸(如圖4所示)。由于鑲齒牙輪鉆頭牙齒的工作部位尺寸較小，其破巖效率明顯低于銑齒牙輪鉆頭。
一般情況下，銑齒鉆頭的破巖效率高，但牙齒的壽命低于軸承壽命，牙齒往往因磨損速度過快而先期失效；鑲齒鉆頭則相反，軸承失效時牙齒的工作能力尚有相當程度的富余，但鑲齒鉆頭的牙齒冠部尺寸小是制約其破巖效率提高的主要因素。因此，如果能夠?qū)婟X鉆頭在齒型(牙齒的尺寸和形狀)上的優(yōu)勢與鑲齒鉆頭牙齒的高耐磨性有機地結合起來，使鉆頭的牙齒既有較長的工作壽命，又有較高的破巖效率，這是長期以來鉆頭研制者們所關注的問題。
本實用新型的目的在于，提出一種采用孔口端面定位方式鑲固牙齒的鑲齒牙輪鉆頭，使之便于加大牙齒工作部位(冠部)的尺寸，提高牙齒的破巖效率，從而使其兼有工作壽命長，破巖效率高的優(yōu)點，有利于提高鉆井進尺，降低鉆井成本。
為達到上述目的，本實用新型采用以下技術方案牙輪鉆頭主要由鉆頭體(6)和牙輪(3)組成，牙輪(3)的內(nèi)孔安裝在鉆頭體(6)的牙爪軸頸(1)上，牙輪牙爪配合表面之間有密封圈(2)和牙輪定位防脫裝置(5)，牙輪(3)上有硬質(zhì)合金牙齒(4)，牙齒(4)以過盈配合鑲入牙輪(3)上的齒孔中，其特征在于，牙輪(3)上的齒孔孔口有牙齒(4)的軸向定位面(A)，牙齒(4)的冠部和根部分界處有一與定位面(A)接觸的表面(B)，牙齒(4)的冠部徑向尺寸大于根部直徑，牙齒(4)的根部高度略小于牙輪(3)上齒孔的深度，牙齒(4)鑲入齒孔后，齒的接觸表面(B)與齒孔孔口定位面(A)緊密接觸，而牙齒底面不與齒孔孔底接觸。
本實用新型的優(yōu)點在于①牙齒的冠部與根部在孔口處分界，冠部的尺寸不再受根部尺寸的限制，因而可以在根部尺寸不變的情況下根據(jù)需要增加牙齒冠部的直徑和高度，從而提高牙齒的破巖效率。②牙輪齒孔的孔口端面成為主要的承載面，齒孔的應力狀況將得到明顯改善，牙齒與齒孔之間的過盈配合關系對固齒強度的作用和重要性明顯降低，故可在相當程度上減小牙齒的埋入深度，因而在滿足牙輪殼體強度要求的情況下，牙輪內(nèi)孔可擴大一些，進而使增加鉆頭牙爪軸頸的直徑成為可能，這對提高鉆頭軸承壽命是非常有利的。③可保護孔口不受鉆井液沖蝕?，F(xiàn)有鉆頭鑲齒齒孔的孔口是裸露的，在鉆井過程中不可避免地會受到鉆井液的沖蝕，孔口沖蝕將導致固齒深度減小，固齒可靠性降低；而本實用新型的方案中，孔口被牙齒冠部壓住，不會發(fā)生沖蝕，所以固齒性能穩(wěn)定。由于避免了齒孔孔口的沖蝕，在進行牙齒埋入深度的設計時不必留有余量，因而可使牙齒的埋入深度進一步減小。


如下圖1為鑲齒牙輪鉆頭結構示意圖；圖2為本實用新型牙輪牙爪裝配關系示意圖；圖3為本實用新型以孔口端面定位固齒結構的局部示意圖；圖4為現(xiàn)有鑲齒鉆頭孔底定位固齒結構局部示意圖。
以下結合附圖說明本實用新型的實施例參看圖1、圖2、圖3，牙輪鉆頭主要由鉆頭體(6)和牙輪(3)組成，牙輪(3)的內(nèi)孔安裝在鉆頭體(6)的牙爪軸頸(1)上，牙輪牙爪配合表面之間有密封圈(2)和牙輪定位防脫裝置(5)。在牙輪(3)上按設計要求加工出若干個用于鑲裝硬質(zhì)合金牙齒(4)的齒孔，將孔口沿垂直于齒孔軸線方向加工出定位平面(A)，硬質(zhì)合金牙齒(4)采用如圖2、圖3所示的結構，即在牙齒固齒圓柱面與牙齒冠部之間有一垂直于牙齒中心線的臺階面(B)，齒的冠部直徑大于固齒圓柱面的直徑，鑲齒齒孔的深度大于牙齒上固齒圓柱面的高度。牙齒的固齒圓柱面(即牙齒的根部)與鑲齒齒孔之間為過盈配合。鑲齒時，牙齒壓入齒孔，直至(A)、(B)兩平面緊密貼合。此時，牙齒的根部底面與孔底并未接觸，因此，牙齒的軸向載荷是通過孔口定位面?zhèn)鬟f給牙輪的。
由于牙齒的有效工作尺寸增大，故有利于提高鉆頭的破巖效率，同時保持了硬質(zhì)合金牙齒的高耐磨性。
牙輪(3)上齒孔孔口的定位面(A)可以是平面、錐面，也可以是其它形式的曲面，此時牙齒(4)上的接觸表面(B)也應作相應改變，使其與定位面(A)緊密接觸。
權利要求1.一種采用孔口端面定位方式鑲固牙齒的鑲齒牙輪鉆頭，主要由鉆頭體(6)和牙輪(3)組成，牙輪(3)的內(nèi)孔安裝在鉆頭體(6)的牙爪軸頸(1)上，牙輪牙爪配合表面之間有密封圈(2)和牙輪定位防脫裝置(5)，牙輪(3)上有硬質(zhì)合金牙齒(4)，牙齒(4)以過盈配合鑲入牙輪(3)上的齒孔中，其特征在于牙輪(3)上的齒孔孔口有牙齒(4)的軸向定位面(A)，牙齒(4)的冠部和根部分界處有一與定位面(A)接觸的表面(B)，牙齒(4)的冠部徑向尺寸大于根部直徑，牙齒(4)的根部高度略小于牙輪(3)上齒孔的深度，牙齒(4)鑲入齒孔后，齒的接觸表面(B)與齒孔孔口的定位面(A)緊密接觸，而牙齒底面不與齒孔孔底接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的采用孔口端面定位方式鑲固牙齒的鑲齒牙輪鉆頭，其特征在于牙輪(3)上的齒孔孔口定位面(A)可以是平面、錐面，也可以是其它形式的曲面，此時，牙齒(4)上的接觸表面(B)也要作相應改變，使其與定位面(A)緊密接觸。
專利摘要本實用新型涉及鉆井工程中使用的鑲齒牙輪鉆頭,其主要組成部件與現(xiàn)有鑲齒牙輪鉆頭相同,其特點是,牙齒鑲入齒孔時采用孔口端面定位方式代替現(xiàn)有的孔底定位方式,因而牙齒工作部位的尺寸不再受固齒部位尺寸的限制,牙齒工作部位的尺寸可有較大幅度增加,有利于提高鉆頭的破巖效率,使鉆頭兼有壽命長和破巖效率高的優(yōu)點,從而提高鉆井進尺,降低鉆井成本。
文檔編號E21B10/08GK2486727SQ0120642
公開日2002年4月17日 申請日期2001年6月1日 優(yōu)先權日2001年6月1日
發(fā)明者楊迎新, 林敏 申請人:西南石油學院