[发明专利]牙轮钻头

说明书

技术领域

本发明涉及牙轮钻头。

背景技术

近来，三牙轮钻头已被用作挖掘井用的牙轮钻头。

如图10所示，三牙轮钻头包括具有轴颈部分2的钻头主体4、能够相对于钻头主体4旋转的锥形部分6、位于锥形部分6和轴颈部分2之间的支承部分8、以及设置在锥形部分6和轴颈部分2之间以密封支承部分8的密封件10。多个硬质合金尖端12和14嵌入在锥形部分6中。硬质合金尖端包括与井底部接触的硬质合金尖端12和与井侧壁接触的修整尖端14(gauge tip)。与井的侧壁接触的修整表面16形成在锥形部分6中的每个修整尖端14的内侧(修整表面16比修整尖端14更加靠近钻头主体4和轴颈部分2形成)。硬质合金尖端(修整表面尖端)18也位于修整表面16上。位于修整表面16上的硬质合金尖端18提供超高的耐磨性但切削和压碎井壁代替磨碎井壁。如图10所示，球轴承8a和金属轴承8b设置在支承部分8中。

美国专利No.5119714公开了一种发展超高压技术的尝试，其中为了提高修整尖端和修整表面尖端的耐磨性而使用了天然或者人造金刚石。在美国专利No.4940099中，多晶金刚石和硬质合金尖端设置在修整表面上以提高耐磨性。美国专利No.5119714和美国专利No.4940099都没有描述将尖端设置成主动对井壁进行钻孔。

美国专利No.5346026公开了一种为了保持井的挖掘直径固定而保持修整表面的尝试。美国专利No.5346026公开了一种利用多晶金刚石(PDC或者TSP)、CBN等与硬质合金以及改进的尖端形状的复杂结合来切割井壁的尝试。这些措施是用于提高修整表面的耐磨性的而不是设计用来抑制应力和振动的。因此，这些措施并不用来保护支承部分8或者密封件10。

关于密封件10，则集中在结构的研究(美国专利No.6431293提出了具有双密封件的改进措施)和密封材料的研究(例如，美国专利No.5456327提出了O型圈的表面改良)上。

对挖掘井用牙轮钻头的关注在于浑水会透过密封件10进入支承部分8并作为研磨材料而磨损密封件10和轴承8a和8b。磨损的轴承8a和8b会使锥形部分6的旋转发生变形，从而导致硬质合金尖端12和14与岩石之间的滑动。这会促进磨损。此外，可能发生严重的事故；锥形部分6可能从轴颈部分2滑脱。

在挖掘动作过程中井侧壁作用在钻头上的压力(图10中的F)沿着锥形部分6滑脱的方向(水平方向)。来自井壁的所有压力由轴承8a和8b接收。在牙轮钻头中，硬质合金尖端(有时是PCD尖端)18等位于修整表面16上，以防止修整表面16受到磨损。硬质合金尖端18等压入岩石中，其头部露出大约1mm，以与锥形部分6的旋转联合粉碎井壁的岩床。强力粉碎侧壁导致锥形部分6经受来自井壁的非常高的压力。水平方向的所有压力F由轴承8a和8b接收，由此使轴承快速磨损和疲劳。

另外，钻头主体4能够利用形成在其长的延伸尖端部分处的轴颈部分2支承锥形部分6。但是，钻头主体4并没有其表现的那样坚固。过量的力集中在钻头主体4的尖端部分处。来自井壁的压力引起钻头主体4弯曲，从而使锥形部分6的旋转扭曲，由此促进了硬质合金尖端14和16的磨损。钻头主体4也偶尔会损坏。

关于锥形部分6的旋转，嵌入修整表面16的硬质合金尖端18的突出部分沿切线方向碰撞井壁。由此切削并挖掘岩床。此时，锥形部分6产生剧烈振动。振动沿水平方向发生。因此促进了沉渣切入密封件10中。这导致密封件10磨损、沉渣进入支承部分8中，并且用作研磨材料的沉渣引起轴承磨损。

本发明的主要目的在于提供一种能够减少来自井壁的表面压力并能够抑制可能的振动的牙轮钻头。

发明内容

本发明的第一方面提供一种牙轮钻头。该牙轮钻头包括：具有轴颈部分的钻头主体；能够相对于钻头主体旋转的锥形部分；位于锥形部分和轴颈部分之间的支承部分；以及设置在锥形部分和轴颈部分之间以密封支承部分的密封件，其中，锥形部分包括与井的侧壁接触的修整表面，并且金刚石复合材料设置在该修整表面上。

例如WO2006/080302A1(美国专利No.7637981，该专利的公开内容通过引用结合入本文)中公开的复合耐磨材料可以用作复合材料。

金刚石复合材料设置在钻头主体上，并优选广泛且平滑地设置在钻头主体上。

牙轮钻头还可以包括与井侧壁接触的修整尖端。金刚石复合材料可以设置在修整尖端的一部分上，并优选广泛且平滑地设置在修整尖端的一部分上。