本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種盤式鉆頭。
背景技術(shù):
鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具。盤式鉆頭(也稱盤形鉆頭、碟形鉆頭或碟式鉆頭)是一種全新齒形結(jié)構(gòu)的牙輪鉆頭,其齒面制成與牙輪(或稱輪盤)母線垂直或成一定螺旋角的圓環(huán)形連續(xù)或斷續(xù)齒圈。盤式鉆頭的破巖機(jī)理不同于常規(guī)的牙輪鉆頭,當(dāng)齒圈沿巖石滾碾時(shí),利用大的接觸應(yīng)力迫使巖石破碎,形成環(huán)形的巖石破碎帶。由于齒圈成圓環(huán)形,便于牙輪(或稱輪盤)在巖石上的連續(xù)滾動(dòng),因此,與三牙輪鉆頭相比盤式鉆頭的工作載荷較平穩(wěn),軸承所受的載荷波動(dòng)幅度也要小得多。不同規(guī)格類型的盤式鉆頭的臺(tái)架試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果都表明,與常規(guī)的三牙輪鉆頭相比,盤式鉆頭在硬、極硬、研磨性地層和深井、小井眼的鉆進(jìn)更為有效。上世紀(jì)中期,在前蘇聯(lián)、美國(guó) 、法國(guó) 、英國(guó)等國(guó)家都有盤式鉆頭的研究和試驗(yàn),當(dāng)時(shí)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都顯示出良好的前景,但今天卻難以見到盤式鉆頭在鉆井中的使用。盤式鉆頭切削齒(齒盤)的疲勞破壞、齒圈塑變和磨料磨損是其主要失效形式。鉆頭在井底工作時(shí)的工況非常復(fù)雜,鉆頭工作時(shí)發(fā)生振動(dòng)(包括軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng))是不可避免的,鉆頭的橫向振動(dòng)是造成輪盤疲勞破壞、齒圈塑變和磨損的主要因素之一。因?yàn)殂@頭發(fā)生橫向振動(dòng)時(shí),輪盤將會(huì)沿著垂直(或接近垂直)于輪盤圓周方向相對(duì)巖石滑移刮切,即輪盤橫向刮切巖石。輪盤橫向刮切巖石將直接造成輪盤齒圈的折損和塑變,并加劇輪盤齒圈的磨損。盤式鉆頭沒有真正在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用的主要原因就是切削齒的壽命太短,難以滿足鉆井的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種輪盤可轉(zhuǎn)向的盤式鉆頭,以提高鉆頭的破巖效率和使用壽命。
本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種輪盤可轉(zhuǎn)向的盤式鉆頭,包括鉆頭體、輪盤,輪盤上設(shè)置有齒圈,輪盤能相對(duì)鉆頭體轉(zhuǎn)動(dòng),鉆頭體上設(shè)有至少一個(gè)轉(zhuǎn)向輪盤,轉(zhuǎn)向輪盤由輪盤和轉(zhuǎn)向座組成,轉(zhuǎn)向座通過轉(zhuǎn)動(dòng)連接安裝在鉆頭體上,轉(zhuǎn)向座相對(duì)鉆頭體能旋轉(zhuǎn),輪盤通過轉(zhuǎn)動(dòng)連接安裝在轉(zhuǎn)向座上,輪盤能相對(duì)轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn),輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線有偏移,且偏移距大于輪盤齒圈半徑的二十分之一,小于輪盤齒圈直徑的三倍,靠近鉆頭心部的轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線與鉆頭軸線不重合。
鉆頭破巖鉆進(jìn)工作時(shí),鉆頭體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輪盤繞鉆頭的軸線轉(zhuǎn)動(dòng),輪盤齒圈與井底巖石接觸,在巖石反力作用下輪盤將繞自身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng),在上述兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合作用下,輪盤齒圈將在井底巖石上作滾動(dòng)。本專利鉆頭體上的轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座相對(duì)鉆頭體能自由旋轉(zhuǎn),安裝在轉(zhuǎn)向座上的輪盤能相對(duì)轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn),輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線偏移。轉(zhuǎn)向輪盤接觸巖石與巖石互作用破巖時(shí),無論轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤齒圈與巖石接觸時(shí)的開始狀態(tài)如何,當(dāng)輪盤齒圈受到巖石的作用力時(shí),由于轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座能相對(duì)鉆頭體轉(zhuǎn)動(dòng),無論鉆頭如何運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等),輪盤在外力的作用下,受垂直于轉(zhuǎn)向座軸線的平面的力(分力)的作用,轉(zhuǎn)向輪盤將會(huì)被推動(dòng)繞轉(zhuǎn)向座的軸線旋轉(zhuǎn),使轉(zhuǎn)向輪盤上的輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線始終垂直于該處鉆頭體相對(duì)井底巖石運(yùn)動(dòng)的方向,即輪盤始終沿著輪盤相對(duì)井底運(yùn)動(dòng)的方向滾動(dòng)。
本專利靠近鉆頭心部的轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線與鉆頭軸線不重合,其能確保鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí),靠近鉆頭心部的輪盤能在井底順利滾動(dòng)。減少或避免靠近鉆頭心部的輪盤橫向刮磨巖石。
本專利較現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是:
1、鉆頭在井底的工作狀態(tài)非常復(fù)雜,鉆頭鉆出的井眼也往往大于鉆頭外徑,鉆頭在井底破巖鉆進(jìn)工作時(shí)一般均不是理想的同心旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、擺旋、偏心旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng),這些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)使鉆頭的切削結(jié)構(gòu)無法繞井眼的中心做理想的圓周運(yùn)動(dòng)。普通的盤式鉆頭由于上述復(fù)雜運(yùn)動(dòng),使輪盤齒圈產(chǎn)生側(cè)向滑移(刮切),輪盤齒圈無法實(shí)現(xiàn)單純的滾動(dòng),這種側(cè)向滑移(刮切)將使輪盤齒圈磨損、折損和塑變,加劇輪盤齒圈的損壞,明顯降低盤式鉆頭的使用壽命。本專利輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線偏移,使轉(zhuǎn)向輪盤具有方位自調(diào)節(jié)自適應(yīng)功能。無論鉆頭的運(yùn)動(dòng)多么復(fù)雜,也無論輪盤的初始狀態(tài)和方位如何,轉(zhuǎn)向輪盤上的輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線始終垂直于相對(duì)井底巖石運(yùn)動(dòng)的方向,即輪盤齒圈始終沿著輪盤相對(duì)井底運(yùn)動(dòng)的方向滾動(dòng),減少或避免輪盤齒圈相對(duì)巖石發(fā)生側(cè)向滑移和刮切,減少輪盤齒圈的磨損、折損和塑變等損壞,延長(zhǎng)輪盤及鉆頭的使用壽命。
2、鉆頭在井底的運(yùn)動(dòng)往往是復(fù)雜的,振動(dòng)、擺旋、偏心旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)使普通輪盤產(chǎn)生側(cè)向滑移和刮切而受損。但本專利卻可利用鉆頭的這些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)來提高破巖效率,因?yàn)椋罕緦@啽P的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線偏移,使轉(zhuǎn)向輪盤具有方位自調(diào)節(jié)自適應(yīng)功能,在上述復(fù)雜運(yùn)動(dòng)下,輪盤可實(shí)時(shí)調(diào)整改變滾動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)巖石的滾壓,在鉆頭的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)作用下,鄰近(徑向位置接近)的輪盤齒圈將會(huì)發(fā)生交錯(cuò)碾壓,鄰近的輪盤齒圈可實(shí)現(xiàn)交叉碾壓破巖。交叉碾壓使井底的碾壓破碎形貌更復(fù)雜,輪盤齒圈在井底巖石上的碾壓破碎及巖石損傷裂紋會(huì)交叉及貫通,這有利于提高鉆頭的破巖效率。
3、本專利輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線偏移,使轉(zhuǎn)向輪盤具有方位自調(diào)節(jié)自適應(yīng)功能,輪盤齒圈始終沿著輪盤相對(duì)井底運(yùn)動(dòng)的方向滾動(dòng),這能顯著降低鉆頭破巖工作時(shí)的橫向不平衡力和鉆頭工作扭矩,因此本專利能提高鉆頭的鉆進(jìn)定向可控性和工具面穩(wěn)定性,增強(qiáng)鉆頭的導(dǎo)向性能,提高鉆頭在定向井鉆進(jìn)中的鉆井效率。
作為選擇,轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線的偏移距大于5mm,小于鉆頭半徑與輪盤齒圈半徑之差。該方案中,為使轉(zhuǎn)向輪盤工作時(shí)能順利旋轉(zhuǎn)至正確的滾動(dòng)方向,并保持良好的滾動(dòng)方位,輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線之間的偏移距不能太小,偏移距越大越易于轉(zhuǎn)向輪盤的順利旋轉(zhuǎn),驅(qū)使轉(zhuǎn)向輪盤旋轉(zhuǎn)到正常方位的驅(qū)動(dòng)力也將越足,也越易于保證轉(zhuǎn)向輪盤在鉆頭復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程中能保持良好的滾動(dòng)方位。但偏移距也不能太大,太大的偏移距將使轉(zhuǎn)向輪盤占據(jù)較大的旋轉(zhuǎn)空間,造成鉆頭空間的浪費(fèi)。
作為選擇,轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤齒圈頂圓與轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線共面。該方案中,輪盤的齒圈頂圓與轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線共面,能較少或避免輪盤齒圈滾動(dòng)破巖時(shí)發(fā)生側(cè)向滑移和刮切,減少輪盤齒圈的磨損、折損和塑變等損壞。
作為選擇,轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤上的齒圈為1-6個(gè)。轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤上的齒圈可以為1個(gè),也可以為多個(gè),可根據(jù)鉆頭尺寸、輪盤大小來設(shè)置輪盤上齒圈的數(shù)量。作為進(jìn)一步選擇,輪盤上的齒圈為1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)。
當(dāng)輪盤上的齒圈為多個(gè)時(shí),輪盤齒圈半徑(或直徑)是指輪盤上最大齒圈的齒圈頂圓的半徑(或直徑)。
作為選擇,輪盤與轉(zhuǎn)向座之間通過軸連接,軸與輪盤之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接。作為選擇,軸與輪盤之間為固定連接或軸與輪盤為一體式結(jié)構(gòu),軸與轉(zhuǎn)向座之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接。作為選擇,軸與輪盤之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接,軸與轉(zhuǎn)向座之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
作為選擇,轉(zhuǎn)向座與鉆頭體之間設(shè)置有限制轉(zhuǎn)向輪盤在轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn)軸線方向上的運(yùn)動(dòng)的鎖緊結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向輪盤通過轉(zhuǎn)向座設(shè)置在鉆頭體上,與鉆頭體形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接,為防止轉(zhuǎn)向輪盤沿轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn)軸線的方向竄動(dòng)或沿軸線脫落,可在轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座與鉆頭體之間設(shè)置鎖緊結(jié)構(gòu),增強(qiáng)轉(zhuǎn)向輪盤的可靠性和安全性。這里的鎖緊是指將轉(zhuǎn)向輪盤沿轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn)軸線的方向限位,防止轉(zhuǎn)向輪盤沿轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn)軸線的方向竄動(dòng)或脫落,并不限制轉(zhuǎn)向輪盤相對(duì)鉆頭體的轉(zhuǎn)動(dòng)。
作為進(jìn)一步選擇,轉(zhuǎn)向座與鉆頭體之間采用滾珠鎖緊。滾珠鎖緊可在盡量減少影響轉(zhuǎn)向輪盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),能實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)向輪盤沿轉(zhuǎn)向座旋轉(zhuǎn)軸線方向限位和軸向鎖緊,且便于加工。
作為選擇,轉(zhuǎn)向座與鉆頭體之間設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)。鉆頭工作時(shí)處在鉆井液、巖屑等環(huán)境中,轉(zhuǎn)向輪盤可相對(duì)鉆頭體旋轉(zhuǎn),為防止其他物質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座與鉆頭體的旋轉(zhuǎn)副之間可在轉(zhuǎn)向座與鉆頭體之間設(shè)置密封結(jié)構(gòu),以減小旋轉(zhuǎn)副的磨損,延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)副的使用壽命。
作為選擇,輪盤上的齒圈表面敷有耐磨層。耐磨層可增加齒圈的表面硬度和耐磨性,耐磨層可以為耐磨合金、硬質(zhì)合金耐磨層、金剛石加強(qiáng)等。
作為選擇,輪盤上的齒圈為鑲固或焊固的切削齒形成的齒圈。鑲固或焊固的切削齒可以為硬質(zhì)合金齒、聚晶金剛石復(fù)合齒、孕鑲金剛石齒(塊)、立方碳化硼、陶瓷齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒等。采用上述硬度高、耐磨性強(qiáng)的切削齒形成的齒圈,可提高輪盤齒圈的硬度和耐磨性,延長(zhǎng)輪盤及鉆頭使用壽命。鑲固切削齒形成的齒圈,切削齒與切削齒之間可留少量間隙,以確保切削齒的鑲固強(qiáng)度,切削齒形成較連續(xù)的圓盤齒圈。
前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案,均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案;且本發(fā)明,(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多種組合,均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案,在此不做窮舉。
附圖說明
圖1、圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3、圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的轉(zhuǎn)向輪盤結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座為設(shè)置有階梯的軸頸狀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座為圓柱形的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例2的輪盤上的齒圈為2個(gè)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例4、實(shí)施例5的轉(zhuǎn)向座與鉆頭體之間設(shè)置有鎖緊結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中:1、鉆頭體,21、輪盤,211、輪盤齒圈,22、轉(zhuǎn)向座,23、輪盤的旋轉(zhuǎn)軸線,24、轉(zhuǎn)向座的旋轉(zhuǎn)軸線,3、密封結(jié)構(gòu),4、鎖緊結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
下列非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明。
實(shí)施例1:
參考圖1-6所示,一種輪盤可轉(zhuǎn)向的盤式鉆頭,包括鉆頭體1、輪盤21,輪盤21上設(shè)置有齒圈211,輪盤21能相對(duì)鉆頭體1轉(zhuǎn)動(dòng),鉆頭體1上設(shè)有至少一個(gè)轉(zhuǎn)向輪盤,轉(zhuǎn)向輪盤由輪盤21和轉(zhuǎn)向座22組成,轉(zhuǎn)向座22通過轉(zhuǎn)動(dòng)連接安裝在鉆頭體1上,轉(zhuǎn)向座22相對(duì)鉆頭體1能旋轉(zhuǎn),輪盤21通過轉(zhuǎn)動(dòng)連接安裝在轉(zhuǎn)向座22上,輪盤21能相對(duì)轉(zhuǎn)向座22旋轉(zhuǎn)。作為選擇,如本實(shí)施例所示,鉆頭體1上對(duì)應(yīng)設(shè)有容納匹配轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座22的孔,轉(zhuǎn)向座22入孔內(nèi)在鉆頭體1上旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向座22可以有多種形式,例如圖3、5為轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座22為設(shè)置有階梯的軸頸狀,圖6、7為轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座22為圓柱形。輪盤21的旋轉(zhuǎn)軸線23相對(duì)轉(zhuǎn)向座22的旋轉(zhuǎn)軸線24有偏移(見圖3、圖4的偏移距S),且偏移距S大于輪盤齒圈211半徑的二十分之一,小于輪盤齒圈211直徑的三倍;靠近鉆頭心部的轉(zhuǎn)向輪盤的轉(zhuǎn)向座22的旋轉(zhuǎn)軸線24與鉆頭軸線不重合。作為選擇,輪盤21的旋轉(zhuǎn)軸線23相對(duì)轉(zhuǎn)向座22的旋轉(zhuǎn)軸線24的偏移距S大于5mm,小于鉆頭半徑與輪盤齒圈211半徑之差。作為選擇,輪盤21上的齒圈211表面敷有耐磨層,耐磨層可以為耐磨合金、硬質(zhì)合金耐磨層、金剛石加強(qiáng)等。作為選擇,輪盤21上的齒圈211為鑲固或焊固的切削齒形成的圓盤形齒圈。鑲固或焊固的切削齒可以為硬質(zhì)合金齒、聚晶金剛石復(fù)合齒、孕鑲金剛石齒(塊)、立方碳化硼、陶瓷齒、或聚晶金剛石與孕鑲金剛石相復(fù)合而成的復(fù)合齒等。作為選擇,轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤21上的齒圈211為1-6個(gè)。轉(zhuǎn)向輪盤的輪盤21上的齒圈211可以為1個(gè)(如圖1、2、4、5、6),也可以為多個(gè),如圖7輪盤21上的齒圈為2個(gè)。輪盤21上的齒圈211為1個(gè)時(shí),優(yōu)選輪盤21的齒圈211的頂圓與轉(zhuǎn)向座22的旋轉(zhuǎn)軸線24共面。當(dāng)齒圈211為多個(gè)時(shí),優(yōu)選齒圈211相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線24左右均布。
實(shí)施例2:
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同,其區(qū)別在于:輪盤21與轉(zhuǎn)向座22之間通過軸連接,軸與輪盤21之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接?;?,軸與輪盤21之間為固定連接或軸與輪盤為一體式結(jié)構(gòu),軸與轉(zhuǎn)向座22之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接。或,軸與輪盤21之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接,軸與轉(zhuǎn)向座22之間為轉(zhuǎn)動(dòng)連接。
實(shí)施例3:
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同,其區(qū)別在于:轉(zhuǎn)向座22與鉆頭體1之間設(shè)置有限制轉(zhuǎn)向輪盤在轉(zhuǎn)向座22旋轉(zhuǎn)軸線24方向上的運(yùn)動(dòng)的鎖緊結(jié)構(gòu)4。轉(zhuǎn)向座22與鉆頭體1之間可設(shè)置彈性擋圈結(jié)構(gòu),以防止轉(zhuǎn)向輪盤沿轉(zhuǎn)向座22的旋轉(zhuǎn)軸線24的方向竄動(dòng)或沿軸線脫落;轉(zhuǎn)向座22與鉆頭體1之間可設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu),通過螺帽將轉(zhuǎn)向座22限位在鉆頭體1的轉(zhuǎn)向座孔內(nèi)防止轉(zhuǎn)向輪盤沿旋轉(zhuǎn)軸線24的方向竄動(dòng)或脫落。作為進(jìn)一步選擇,轉(zhuǎn)向座22與鉆頭體1之間采用滾珠鎖緊(如圖8)。
實(shí)施例4:
本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同,其區(qū)別在于:轉(zhuǎn)向座22與鉆頭體1之間設(shè)置有密封結(jié)構(gòu)3(如圖8)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。