[发明专利]一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头

说明书

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，特别涉及一种用于地热勘探井钻探的高速三牙轮钻头。

背景技术

在世界当前的能源结构体系中，高能耗和环境污染是我国关键问题，地热资源因其可再生、无污染以及储量丰富等优点引起了各国的广泛关注。而在地热资源开发中，干热岩的开发利用具有普遍性，从理论上讲，只要深度达到在任何地方都能发现热源，同时干热岩型资源避免了热水型资源开发利用导致的地面沉降等问题，因此，干热岩吸引了国内外研究者的广泛关注。开发干热岩地热，需要采用钻井方式深入地层，而在常用的钻头材料中，由于聚晶金刚石(PDC)钻头切削齿还不能适应硬质地层，目前地热钻井主要采用牙轮钻头。碳化钨镶齿牙轮钻头能够应付高达150℃的温度，但是超过了这一温度，钻头轴承中的橡胶密封材料会生退化，造成密封失效，钻井液及岩屑进入轴承腔从而导致轴承损坏，限制钻头在井底的钻进时间，导致起下钻次数增加和钻头使用数量增多，从而增加成本。针对常规钻头密封件中橡胶不能抗高温，导致钻头寿命太低的问题，可以采用新材料密封橡胶或金属密封代替橡胶密封来提高抗温能力。同时镶齿牙轮钻头是依靠牙齿的过盈装配使牙齿和齿孔内壁产生的摩擦阻力来紧固的，若牙齿和齿孔的过盈量不足则固齿力也会相应不足，而过盈量太大会导致牙齿和齿孔的接触应力超过孔壁材料的屈服极限从而发生塑性变形，在镶齿配合过程中，若过盈量太大，孔壁局部产生塑性变形，在高温地热钻井的环境下长时间工作，即便孔壁应力恒低于屈服强度也会发生蠕变现象，随之产生应力松弛，孔壁的弹性变形降低，塑性变形增大，变形量超过一定尺寸后，齿孔壁上会产生微裂纹和损伤。同时牙齿在和岩石相互作用过程中受交变应力的作用，又加速了孔壁损伤和孔壁裂纹的形成，当裂纹扩大到一定程度后齿孔对牙齿的紧固作用就会失去，最终会导致牙轮掉齿。由于镶齿钻头齿孔和牙齿的过盈量并不相同，所以对于过盈配合量的设计，需要对每个齿孔的牙齿选择合理的压力压入，否则牙齿也极其容易掉落和断裂，对每个牙齿齿孔的配合需要进行计算分析工作，此种检验的方式需要花费大量的人力物力，效率比较低，另外以往使用的钻头多为滑动钻头，为了提高勘探钻井钻井效率，对地热钻井牙轮钻头掉齿失效的相关文献进行调研和分析，并将地热钻井牙轮钻头与传统牙轮钻头进行对比，找出两者之间结构、材料、受载、工况上的区别，在传统牙轮钻头掉齿失效的基础上分析地热钻井掉齿失效的原因，并对其失效机理进行详细的研究，发现断齿的原因除与牙齿的类型外，还受到滑动轴承和密封结构的缺陷的影响。

相对而言，采用整体铣齿结构的钻头，能克服镶齿结构的加工复杂等问题，且成本更加低廉，目前的铣齿结构钻头主体由钢材组成，但与镶齿钻头相同，目前铣齿的钢齿钻头在密封性和耐温性上依然不能很好的满足需求，而且由于钢齿钻头的耐磨性相对较差，其主要用于浅层钻井，对于深层应用较少。

因此，寻找一种能克服上述问题的钢齿钻头，对于开发干热岩资源，提高国家能源保障和环境保护，有很大的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明涉及一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，通过对常规滚动和滑动钻头及橡胶密封钻头的基础上的改进，提供了一种碳化钨敷焊层的滚滑复合轴承钻头，能够实现高速运转，密封性高，耐高温性强。

本发明的技术方案如下：

一种地热勘探钻井用高速三牙轮钻头，包括牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三、硬质合金齿、喷嘴、牙掌焊缝、牙掌体；所述牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三结构相同，其特征在于，所述牙轮总成一、牙轮总成二、牙轮总成三均包括小滚柱)、大滚柱、牙轮壳体、锁紧钢球、碳化钨敷焊层、铜环、保径齿、密封组合、滑块组合、牙齿；三个牙轮总成分别镶装在三个牙掌体下端，三片带牙轮的牙掌体焊接为一体，三个牙掌体的上部构成钻头体，三个牙轮总成与三个牙掌体的轴承配合连接，通过轴承实现相对转动；

所述牙掌体的轴承的内圈部分结构为上小下大的定轴构成，上端作为小圆柱面，下端作为大圆柱面，大滚柱、小滚柱作为滚珠，分别设在内圈的大圆柱面和小圆柱面上，牙轮壳体作为外圈，锁紧钢球卡设在大滚柱和小滚柱之间，镶嵌铜环安装于大圆柱面和大滚柱之间，牙轮壳体套设在轴承外侧，通过大滚柱、小滚柱实现转动，大滚柱下方设有密封组合，铜环为耐磨的铜合金材料制成，与轴承的大圆柱面过盈配合镶装。

进一步的，所述牙掌体表面设有钻孔，钻孔内镶嵌有硬质合金齿，硬质合金齿与钻孔采用过盈配合。

进一步的，所述钻头体上安设有喷嘴座，喷嘴座的喷孔中安设有喷嘴，喷嘴所用材料为耐冲蚀的钨钴合金材料。