[发明专利]一种倒锥齿根镶齿钻头及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及各类钻井工程中使用的钻头，尤其涉及石油天然气钻井工程中使用的镶齿牙轮钻头。 

背景技术

钻井工程中使用的牙轮钻头按照牙齿齿型及材料可分为铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头，镶齿牙轮钻头的牙齿一般采用硬质合金材料。由于镶齿牙轮钻头的硬质合金齿的耐磨性和强度等机械性能均优于铣齿牙轮钻头的牙齿，其在钻井作业中应用非常广泛。现有镶齿牙轮钻头是把圆柱形牙齿的齿根压入牙轮壳体上的圆柱形齿孔内，牙齿的齿根与齿孔之间通过过盈配合或焊接的方式固结在一起，过盈配合固齿通过齿孔的过盈变形所产生的应力将牙齿抱紧固定。然而，近年来，随着油气钻井技术的发展，钻井深度不断加大，地层温度和复杂性不断提高，并且随着地热钻井的发展，钻井施工中井底温度越来越高。镶齿牙轮钻头的掉齿是牙轮钻头失效的主要形式之一，在高温地层，掉齿失效更为明显。这主要是由于在温度较高时，齿孔和牙齿受热膨胀，牙轮材料的热膨胀系数一般大于牙轮上牙齿材料的热膨胀系数，这将降低齿孔与牙齿之间的有效过盈量，从而降低齿孔对牙齿的紧固强度；且受热后，即使过盈量不变，在较高温度下齿孔对牙齿的紧固力也会下降。这些均会加剧钻头的掉齿失效。 

发明内容

本发明的目的在于：提出一种倒锥齿根镶齿钻头及其加工方法，其牙齿和齿孔的结合形式可减小钻头的掉齿，明显延长钻头寿命，从而提高钻头钻井进尺和钻井效率，降低钻井成本。 

本发明的目的通过下述技术方案来实现： 

一种倒锥齿根镶齿钻头，包括设于钻头上的牙齿，所述牙齿通过其齿根镶固于齿孔内，齿孔孔口直径小于齿孔内最大直径，牙齿齿根与孔口匹配处的直径小于齿根下部最大直径，所述牙齿的齿根与齿孔通过过盈配合镶固。 

上述方案中，齿孔孔口直径小于齿孔内最大直径，牙齿齿根与孔口匹配处的直径小于齿根下部最大直径，牙齿的齿根与齿孔通过过盈配合镶固。这种固齿方式，使牙齿倒锥形的齿根被倒锥形的齿孔抱拉，齿孔将牙齿抱拉紧固在齿孔内，不易掉齿。 

当遇到较高井底温度时，即使齿孔与齿根之间的过盈量发生变化，倒锥形齿孔对倒锥形齿根产生楔形效应，牙齿将很难从齿孔脱出掉落。 

倒锥齿根的镶齿可使牙齿和齿孔之间的配合过盈量远小于圆柱齿和圆柱孔等常规镶齿的配合过盈量，却能取得更佳的固齿效果，同时更小的过盈量使得孔口薄弱处的应力更小，在严苛的实际井下作业中，孔口更难以被破坏，从而进一步减少掉齿。即使在较大载荷下，齿孔有塑性变形或破坏，由于牙齿与齿孔间镶固部分为倒锥形，牙齿与齿孔在倒锥形结构的倒锥抱拉效果和楔形效应作用下，能保持牙齿不掉落，减少牙齿掉落失效的几率。 

现有圆柱齿和圆柱孔的常规镶齿中，齿孔孔口处的应力集中非常突出，齿孔孔口处的应力明显大于其他地方的应力，牙齿工作过程中在载荷力及冲击的作用下，往往是齿孔孔口处先发生塑变、裂纹或压溃等破坏，使牙齿有效紧固长度、面积和紧固力减小，致使牙齿掉落。本申请不仅可改善孔口应力状况，而且还能改善牙齿工作受载过程中牙齿及齿孔，特别是齿孔最薄弱处——孔口的应力情况：镶固在钻头上的牙齿，特别是镶齿牙轮钻头牙轮上的牙齿，在工作时牙齿同时受到轴向和侧向(垂直牙齿轴向)的载荷，其中使最薄弱、应力最集中且最易损坏的孔口发生破坏的是侧向载荷，轴向载荷不会增大齿孔孔口应力。在牙齿工作受载时，轴向载荷将使牙齿向齿孔底变形移动(较小位移的移动，当载荷消失后位移又会恢复)，由于本发明的牙齿齿根及齿孔均为倒锥形，轴向载荷使牙齿向齿孔底变形移动后，与齿孔孔口匹配的牙齿齿根截面下移，较小的齿根上部截面与齿孔孔口配合，齿孔孔口与齿根之间的配合过盈量将变小，其能明显改善齿孔孔口的应力。并且，在轴向载荷的作用下，锥形牙齿向齿孔底变形移动时能明显改善减小整个齿孔壁和齿孔孔口的应力情况。在工作载荷作用下，即使同时有侧向载荷的作用，倒锥形齿孔和牙齿能优化牙齿及齿孔的工况。而现有圆柱齿和圆柱孔的常规镶齿，无论轴向载荷如何，由于牙齿和齿孔均为圆柱状，牙齿向下变形运动将不会改变齿孔孔口和齿孔壁的应力状况，在侧向载荷作用下圆柱形镶齿的齿孔孔口及孔壁极易发生破坏，而催生牙齿掉落。 

因此，本发明不仅在结构上能改善牙齿与齿孔的镶固应力、固持可靠性，而且在工作受力原理上能改善牙齿工作过程中的应力工况，即在工作机理上改善优化牙齿与齿孔的互作用关系，提高固齿可靠性，减少钻头掉齿几率。 

该方案虽然在结构上看似简单，但由于上百年历史以来钻头牙齿安装方式已几乎定型，成为定律，在惯性思维和相关技术的制约下，现有技术中从未出现本申请的这种方案，本申请是一种实际上突破性的钻头技术。