[实用新型]一种衬套镶齿钻头

说明书

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提出一种衬套镶齿钻头，其牙齿、衬套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。

本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：

一种衬套镶齿钻头，包括设于钻头上的牙齿，牙齿通过其齿根镶固于钻头上的齿孔内，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，所述牙齿和齿孔之间设有衬套，牙齿的齿根通过过盈配合镶固于衬套内，衬套通过过盈配合镶固于齿孔内。

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，齿孔及牙齿齿根均为倒锥形结构。牙齿的齿根通过过盈配合镶固于衬套内，衬套通过过盈配合镶固于齿孔内。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。

衬套处于牙齿和齿孔之间，牙齿齿根与衬套、衬套与齿孔之间均为过盈配合镶固。镶固牙齿时，由于有衬套，衬套为内空的薄壁筒状构件，牙齿或衬套在镶入齿孔过程中，薄壁筒状的衬套易于产生整体的变形，衬套上的变形和应力都较均匀，以适应镶入过程中的过盈变形。

当遇到较高井底温度时，即使齿孔与衬套、衬套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衬套、衬套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(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，工作过程中往往是齿孔先发生塑变或产生裂纹，催生牙齿掉落，本申请可改善孔口应力状况减少掉齿)。即使在较大载荷下，齿孔有塑性变形或破坏，由于牙齿、齿孔为倒锥形，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。另外，由于齿孔与牙齿之间设置有衬套，即使齿孔有塑性变形或破坏，被挤压的衬套能适应并调节自身的变形弥补齿孔的变形，使齿孔对牙齿的抱紧力自适应、自均衡，齿孔及牙齿上的牙轮也将达到自适应、自均衡，这能减少齿孔的进一步塑性变形和破坏，改善牙齿镶固强度，增强固齿可靠性，减少牙齿掉落。

作为选择1，所述齿孔的孔口直径比齿孔内最大直径小0.1％～1％。

上述方案中，由于衬套与齿孔间为过盈配合，齿孔的孔口直径与齿孔内最大直径相差不宜过大，如过大将不便于衬套及牙齿镶入齿孔；但相差也不能太小，太小将难达到倒锥抱拉的效果和楔形效应。

作为选择2，所述牙齿的齿根为上小下大的圆台形；所述齿孔为口小底大的圆台形。

上述方案中，齿根、齿孔为上小下大的圆台形时便于加工实现，且能相对高效地批量生产。

作为选择3，所述衬套的外壁为上小下大的圆台形；所述衬套的内壁为上小下大的圆台形。

上述方案中，衬套的外壁、衬套的内壁为上小下大的圆台形，能更好地与倒锥形齿孔及倒锥形齿根匹配，能更好地产生楔形效应，便于倒锥形齿孔对牙齿的抱拉紧固。特别是当齿根、齿孔也为上小下大的圆台形时，上小下大的圆台形衬套内、外壁将能与齿根、齿孔更好地匹配紧固。