[发明专利]一种盘式镶齿牙轮钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种牙轮钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。目前钻井工程中所使用的三牙轮钻头包括钢齿钻头（又称铣齿钻头）和硬质合金齿钻头（又称镶齿钻头）。钢齿钻头是在牙轮坯体上直接铣出切削齿，齿的强度较低、耐磨性较差，一般用于软地层；镶齿钻头在牙轮体预留的齿孔内镶固硬质合金牙齿（以下简称硬质合金齿或牙齿），硬质合金齿的硬度和耐磨性明显优于钢齿，一般用于较硬地层。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。在结构形式上，为了满足镶齿牙轮钻头冲压破碎破岩工作方式的需要，现有钻头采用了以下三个技术手段：其一，现有镶齿牙轮钻头上的切削齿（牙齿）的下部镶固部分均为圆柱型，上部出露部分由下部圆柱向牙齿轴线逐渐收缩过渡，多为楔形或锥形，牙齿的齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，以形成较尖锐的冲击头部。由于牙齿受的动载大，且牙齿尺寸相对较小，所以容易发生牙齿的整体或局部断裂。其二，现有大多数镶齿三牙轮钻头牙轮上牙齿的齿顶无偏转（即齿顶偏转角为0°），也有少量钻头的部分齿圈的牙齿（切削齿）齿顶有偏转，偏转角一般在50°以内。牙齿的偏转是为了迎合牙齿冲击压入岩石后的滑移刮切方向，以增加牙齿对岩石的滑移刮切效果（量）。其三，多数三牙轮钻头的牙轮存在偏移，其目的在于，偏移使牙轮在井底岩石上滚动破岩时无法发生纯滚动，使牙轮上的牙齿破岩时滑移增大，偏移值越大牙轮上的牙齿滑移刮切越明显，但同时也因滑移产生的磨损也越大。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种盘式镶齿牙轮钻头，其提出一种新的结构形式，该钻头具有横向镶固的牙齿,该结构形式下的牙齿以滚动碾压、劈裂的方式作用于井底岩石，以接近于静压的方式压碾、劈裂破岩，对于硬地层钻进具有独特优势，特别适合于硬脆性和硬研磨性岩层的钻进，在保证钻头较高破岩效率的同时，能延长钻头牙齿和轴承的寿命，进而延长钻头使用寿命。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种盘式镶齿牙轮钻头，包括钻头体、至少一个牙轮，所述牙轮上镶固有横镶牙齿，且横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°，横镶牙齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形。

牙齿的结构是影响牙轮钻头钻进效率的关键因素之一。镶齿牙轮钻头的牙齿与牙轮上的齿孔通常采用过盈配合（或镶焊等）方式镶固在牙轮上。牙齿的下部与牙轮齿孔形成过盈配合（该部分称为牙齿的镶固部分），牙齿与齿孔形成过盈配合的表面一般为圆柱面；牙齿的上部位于牙轮壳体的表面之外，用于直接接触、破碎岩石（该部分称为牙齿的工作部分，也称为牙齿的冠部或头部），通常情况下，牙齿冠部的径向（垂直于牙齿轴线方向，平行牙齿下部圆柱的直径方向）尺寸小于镶固部分的圆柱直径。牙齿镶固部分的尺寸（直径和高度）和过盈量是决定固齿强度的关键，而牙齿冠部的形状和尺寸则是决定牙齿工作性能的关键。通常所谓的“齿型”或“齿形”就是指依据牙齿冠部形状和尺寸的特征而对牙齿作的分类。常见的牙齿齿型（或齿形）包括球形齿、锥形齿、楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿、边楔齿等。依据牙齿冠部几何形体主要特征的不同，可以将牙齿分为回转体类牙齿和非回转体类牙齿两大类。回转体类牙齿的冠部表面为与牙齿中心线同轴的回转曲面，如球形齿和锥形齿。若牙齿的冠部表面为非回转曲面，或虽为回转曲面但其回转中心与牙齿中心不同轴，这样的牙齿均为非回转体类牙齿，如楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿和边楔齿等。