[发明专利]旋转齿单牙轮钻头

说明书

本发明公开了一种旋转齿单牙轮钻头，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，包括钻头体，以及转动连接于钻头体上的牙轮，牙轮上设置有切削齿，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面或后切削面的几何中心在前切削面的偏移方同侧，前切削面相对后切削面靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。本发明解决现有技术牙轮钻头无法采用复合齿(例如PDC齿)的问题，同时其采用与现有技术一致的切削齿(如硬质合金齿)时，切削齿的磨损及磨损钝化速度也均更好。

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，尤其涉及一种单牙轮钻头。

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。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头。

牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削齿钻头。

单牙轮钻头是牙轮钻头中的一种，是钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在深井超深井的小井眼钻井中发挥着重要的作用。单牙轮钻头主要利用牙轮上的牙齿(切削齿)对岩石的挤压刮切作用破岩，牙轮上的切削齿在井底以网状形式刮切岩石。单牙轮钻头牙轮上的切削齿一部分(牙轮前端)始终与井底接触破岩，一部分切削齿轮换与井底接触破岩,这就把单牙轮钻头的牙轮分成了恒接触区(牙轮前端，如图9的附图标记21)和交替接触区(如图9的附图标记22)。

单牙轮钻头钻进过程中牙轮绕钻头轴线旋转的同时还绕自身的轴线自转，牙轮上的切削齿相对井底岩石的刮切方向在不断地变化：牙轮恒接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～360°之间不断变化；牙轮交替接触区上的切削齿在刮切岩石过程中，其相对岩石的刮切方向在0～180°之间变化。这使单牙轮钻头上无法直接应用极适合于以刮切形式破岩的聚晶金刚石复合片(PDC齿)等耐磨性极强的金刚石类切削齿。原因在于聚晶金刚石复合片(PDC齿)是由基体和聚晶金刚石层两部分组成，对岩石起主要刮切效果的是聚晶金刚石层，PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前基体在后。如果PDC齿在工作过程中直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。

因此，现有单牙轮钻头上的切削齿一般为硬质合金齿，硬质合金齿的耐磨性远不及PDC齿等金刚石类切削齿。切削齿的耐磨性不足是单牙轮钻头的致命弱点，切削齿易磨损严重影响了单牙轮钻头的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种切削齿可旋转的单牙轮钻头，解决现有技术牙轮钻头无法采用复合齿(例如PDC齿)的问题，同时其即使采用与现有技术一致的切削齿(如硬质合金齿)时，切削齿的磨损及磨损钝化速度也均更好。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种旋转齿单牙轮钻头，包括钻头体，以及转动连接于钻头体上的牙轮，牙轮上设置有切削齿，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面或后切削面的几何中心在前切削面的偏移方同侧，前切削面相对后切削面靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。

本专利所述前切削面(也可以称为前刀面)是指切削齿对井底地层切削工作时，切下的切屑沿其流出的表面。而后切削面(也可以称为后刀面)则是指切削齿与井底地层相对的表面，后切削面一般是正对着切削深度(进给方向)的面。通常而言，前切削面与后切削面的交线形成切削刃，它担任主要切削工作。