本實(shí)用新型涉及一種牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)，尤其是一種水眼流量變化的牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)，屬于鉆井技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在石油鉆井中，牙輪鉆頭是一種用量較大的鉆頭，對(duì)于軟到中硬地層而言，PDC鉆頭的機(jī)械鉆速高于牙輪鉆頭；而對(duì)于灰綠巖等硬地層或礫石層而言，牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速高于PDC鉆頭，此外，在打定向井時(shí)，一般采用牙輪鉆頭定向，因此，進(jìn)一步改善牙輪鉆頭的性能具有重要的意義。牙輪鉆頭依靠沖擊、擠壓和剪切破碎巖石，鉆井液通過(guò)鉆頭噴嘴到達(dá)井底，將破碎的巖屑平移離開(kāi)井底，然后進(jìn)入環(huán)空，上返到地面。同時(shí)，噴嘴產(chǎn)生的高壓射流對(duì)于軟地層還有一個(gè)輔助破巖功能。但是，由于通常情況下泥漿泵的排量不變，所以分配給每個(gè)鉆頭噴嘴的液量也是恒定的，這樣在井底形成的流場(chǎng)也基本不變，穩(wěn)定的流場(chǎng)對(duì)于平移巖屑是不利的，會(huì)使部分巖屑滯留井底，造成鉆頭重復(fù)破碎，浪費(fèi)了能量，降低了機(jī)械鉆速，影響經(jīng)濟(jì)益。

上世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)使用的牙輪鉆頭分為兩類(lèi)，有體式和無(wú)體式（如圖1、2所示），374.7mm以上的鉆頭既有有體式也有無(wú)體式，有體式鉆頭是將鉆頭分為三部分，牙輪、牙爪、母接頭，將牙爪與牙輪軸及母接頭分別焊接在一起；311.2mm以下的鉆頭均是無(wú)體式，無(wú)體式是用三瓣牙爪裝好牙輪的牙爪焊接在一起，然后加工成公螺紋。使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于鉆頭在井下所受的沖擊載荷及扭矩較大，有體式鉆頭經(jīng)常出現(xiàn)斷牙爪和掉牙輪事故，目前有體式鉆頭已基本淘汰。

為了提高鉆井速度，人們想了各種辦法，研制了諸如扭沖鉆井工具及工藝，如自動(dòng)加壓裝置、齒輪脈沖發(fā)生器、盤(pán)閥式脈沖射流裝置。盤(pán)閥式脈沖射流裝置是在使用中取得較好效果的一種裝置，但目前僅用于PDC鉆頭，因?yàn)檫@種裝置要求鉆頭水眼的上端面為一平面，與鉆具通過(guò)母螺紋連接，母螺紋下面的本體內(nèi)徑大于或等于水眼上端面的直徑，這對(duì)于PDC鉆頭是很容易實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)镻DC鉆頭是先加工鉆頭冠部（冠部是一個(gè)整體），然后加工一個(gè)短節(jié)（短節(jié)一端是細(xì)牙螺紋，另一端是母螺紋），冠部與短節(jié)通過(guò)細(xì)牙螺紋連接，然后焊接。但牙輪鉆頭不同，三瓣牙爪牙爪焊接完成后，形成的內(nèi)腔上小下大，特別是有的鉆頭內(nèi)腔上端面是類(lèi)似于奔馳車(chē)標(biāo)志的三棱體（如圖3所示），這種內(nèi)腔一是太小，流量分配裝置放不進(jìn)去，二是水眼的上端面不是一個(gè)平面，外邊緣不是一個(gè)圓，水眼外邊緣中心距較大，儲(chǔ)油腔處內(nèi)壁中心距較小，盤(pán)閥無(wú)法安放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水眼流量變化的牙輪鉆頭，以提高牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速。

本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種水眼流量變化的牙輪鉆頭，該鉆頭由三瓣牙爪對(duì)焊而成，包括水眼、儲(chǔ)油腔，所述牙爪間的焊縫上方設(shè)有鉆桿母扣，其特征是，還設(shè)有流量分配裝置，所述牙爪間的焊縫交匯處，其頂部為平面結(jié)構(gòu)，該平面結(jié)構(gòu)與鉆桿母扣之間設(shè)有連接腔室；所述流量分配裝置位于連接腔室內(nèi)，包括盤(pán)閥、置于盤(pán)閥上方的螺旋槳，螺旋槳通過(guò)中心軸安裝在盤(pán)閥中心位置，盤(pán)閥置于焊縫頂部的平面結(jié)構(gòu)處，盤(pán)閥上設(shè)有可與水眼連通的通孔。

所述水眼上端面高于儲(chǔ)油腔的上端面，儲(chǔ)油腔的上端面低于焊縫頂部的平面結(jié)構(gòu)。

所述平面結(jié)構(gòu)為圓形，其直徑小于或等于連接腔室的內(nèi)徑。

所述平面結(jié)構(gòu)的直徑比連接腔室的內(nèi)徑小0-10mm。

所述牙爪焊縫交匯處，其頂部經(jīng)粗磨、敷焊鎢鋼粉、再精磨形成平面結(jié)構(gòu)，保證上盤(pán)閥與其之間的摩擦力盡可能小。

所述螺旋槳的槳葉為2片以上。

本實(shí)用新型對(duì)牙爪的鑄件或鍛件進(jìn)行改進(jìn)，將其上部加長(zhǎng)（即增加了連接腔室），外徑加大，水眼上移，儲(chǔ)油腔適當(dāng)下移（即水眼上端面高于儲(chǔ)油腔的上端面，儲(chǔ)油腔的上端面低于焊縫頂部的平面結(jié)構(gòu)，這樣可以減少水眼的壓耗損失），牙爪對(duì)焊完成后，上部加工成母螺紋（鉆桿母扣），母螺紋下面的內(nèi)孔直徑（連接腔室的內(nèi)徑）大于或等于水眼上端面（即圓形的平面結(jié)構(gòu)）的直徑，使上盤(pán)閥可以自由旋轉(zhuǎn)。

采用上述結(jié)構(gòu)后，盤(pán)閥可順利放入連接腔室，并在水平結(jié)構(gòu)（即平面結(jié)構(gòu)）上表面自由轉(zhuǎn)動(dòng)。盤(pán)閥上帶螺旋槳，通過(guò)中心軸將盤(pán)閥與螺旋槳連接在一起，當(dāng)鉆井液流過(guò)螺旋槳時(shí)，螺旋槳帶動(dòng)盤(pán)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變給每個(gè)水眼的流量分配（即盤(pán)閥通孔與水眼的重合面積隨盤(pán)閥轉(zhuǎn)動(dòng)而變化），形成一個(gè)脈沖射流，并在井底形成一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的流場(chǎng)，將破碎的巖屑平移離開(kāi)井底，進(jìn)入環(huán)空，上返的鉆井液將其帶到地面。同時(shí)，變化的流量也會(huì)使鉆頭噴嘴（水眼）產(chǎn)生脈沖式的沖擊力，產(chǎn)生輔助破巖的作用，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造容易，通過(guò)螺旋槳使盤(pán)閥轉(zhuǎn)動(dòng)，而改變盤(pán)閥通孔與水眼的重合面積，即改變每個(gè)水眼的流量分配，提高了機(jī)械鉆速，改善了工作效率，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)體式牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中有體式牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)體式牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型中平面結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖中：1牙爪、2水眼、3儲(chǔ)油腔、4鉆桿母扣、5平面結(jié)構(gòu)、6連接腔室、7盤(pán)閥、8螺旋槳、9中心軸、10通孔、11壓力補(bǔ)償膜、12護(hù)膜杯、13長(zhǎng)油孔、14滾柱、15滾珠、16密封圈、17牙輪。

具體實(shí)施方式

一種水眼流量變化的牙輪鉆頭，該鉆頭由三瓣牙爪1對(duì)焊而成，包括水眼2、儲(chǔ)油腔3、流量分配裝置，牙爪間的焊縫上方設(shè)有鉆桿母扣4。

牙爪間的焊縫交匯處，其頂部經(jīng)粗磨、敷焊鎢鋼粉、再精磨形成平面結(jié)構(gòu)5，保證上盤(pán)閥與其之間的摩擦力盡可能小。該平面結(jié)構(gòu)與鉆桿母扣之間設(shè)有連接腔室6，該腔室內(nèi)設(shè)用于安裝流量分配裝置的圓形通孔。流量分配裝置位于連接腔室內(nèi)，包括盤(pán)閥7、置于盤(pán)閥上方的螺旋槳8（槳葉為2片以上），螺旋槳通過(guò)中心軸9安裝在盤(pán)閥中心位置，盤(pán)閥置于焊縫頂部的平面結(jié)構(gòu)處，盤(pán)閥上設(shè)有可與水眼連通的通孔10。

水眼上端面高于儲(chǔ)油腔的上端面，儲(chǔ)油腔的上端面低于焊縫頂部的平面結(jié)構(gòu)。如圖5所示，水眼的頂部（即平面結(jié)構(gòu)處）為圓形結(jié)構(gòu)，連接腔室的內(nèi)徑大于或等于該圓的直徑（圓的直徑比連接腔室的內(nèi)徑小0-10mm）。

如圖4所示，以Φ215.9mm的鉆頭為例，焊接后的牙爪可以加工162～178mm的母螺紋接頭（即鉆桿母扣外徑），內(nèi)徑最大可達(dá)Φ90mm，而水眼的外緣直徑（即圓形的平面結(jié)構(gòu)）在Φ80～85mm之內(nèi)，盤(pán)閥可順利放入，自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)液體流過(guò)螺旋槳時(shí)，螺旋槳旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)上盤(pán)閥旋轉(zhuǎn)，從而使得分配給各個(gè)水眼的流量不斷變化，在井底形成一個(gè)紊亂的流場(chǎng)，有效的把破碎的巖屑帶走。同時(shí)，變化的流量也會(huì)使鉆頭噴嘴產(chǎn)生脈沖式的沖擊力，產(chǎn)生輔助破巖的作用，達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，PDC鉆頭裝入上述結(jié)構(gòu)后，機(jī)械鉆速提高25%～47%，牙輪鉆頭裝入上述結(jié)構(gòu)后，也可以大幅度提高了機(jī)械鉆速。從制造工藝看，只要加工合適的模具，就可以生產(chǎn)出本實(shí)用新型提出的鉆頭。