一種倒錐齒根鑲齒鉆頭及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種倒錐齒根鑲齒鉆頭及其加工方法，涉及各類鉆井工程中使用的鉆頭，包括設(shè)于鉆頭上的牙齒，所述牙齒通過其齒根鑲固于鉆頭上的齒孔內(nèi)，其特征在于：齒孔孔口直徑小于齒孔內(nèi)最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒的齒根與齒孔通過過盈配合鑲固。加工方法包括：在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)，且該溫差條件下的齒孔與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的齒孔與牙齒等溫時的過盈量。本發(fā)明的牙齒和齒孔的結(jié)合形式可顯著提高牙齒的鑲固強度，增強鉆頭的固齒能力，有效防止掉齒，提高鑲齒鉆頭對高溫環(huán)境的適應(yīng)能力，提高鉆頭鉆井效率，降低鉆井成本。
【專利說明】一種倒錐齒根鑲齒鉆頭及其加工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及各類鉆井工程中使用的鉆頭，尤其涉及石油天然氣鉆井工程中使用的鑲齒牙輪鉆頭。

【背景技術(shù)】
[0002]鉆井工程中使用的牙輪鉆頭按照牙齒齒型及材料可分為銑齒牙輪鉆頭和鑲齒牙輪鉆頭，鑲齒牙輪鉆頭的牙齒一般采用硬質(zhì)合金材料。由于鑲齒牙輪鉆頭的硬質(zhì)合金齒的耐磨性和強度等機械性能均優(yōu)于銑齒牙輪鉆頭的牙齒，其在鉆井作業(yè)中應(yīng)用非常廣泛?，F(xiàn)有鑲齒牙輪鉆頭是把圓柱形牙齒的齒根壓入牙輪殼體上的圓柱形齒孔內(nèi)，牙齒的齒根與齒孔之間通過過盈配合或焊接的方式固結(jié)在一起，過盈配合固齒通過齒孔的過盈變形所產(chǎn)生的應(yīng)力將牙齒抱緊固定。然而，近年來，隨著油氣鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井深度不斷加大，地層溫度和復(fù)雜性不斷提高，并且隨著地?zé)徙@井的發(fā)展，鉆井施工中井底溫度越來越高。鑲齒牙輪鉆頭的掉齒是牙輪鉆頭失效的主要形式之一，在高溫地層，掉齒失效更為明顯。這主要是由于在溫度較高時，齒孔和牙齒受熱膨脹，牙輪材料的熱膨脹系數(shù)一般大于牙輪上牙齒材料的熱膨脹系數(shù)，這將降低齒孔與牙齒之間的有效過盈量，從而降低齒孔對牙齒的緊固強度；且受熱后，即使過盈量不變，在較高溫度下齒孔對牙齒的緊固力也會下降。這些均會加劇鉆頭的掉齒失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于:提出一種倒錐齒根鑲齒鉆頭及其加工方法，其牙齒和齒孔的結(jié)合形式可減小鉆頭的掉齒，明顯延長鉆頭壽命，從而提高鉆頭鉆井進尺和鉆井效率，降低鉆井成本。
[0004]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]—種倒錐齒根鑲齒鉆頭,包括設(shè)于鉆頭上的牙齒,所述牙齒通過其齒根鑲固于齒孔內(nèi)，齒孔孔口直徑小于齒孔內(nèi)最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒的齒根與齒孔通過過盈配合鑲固。
[0006]上述方案中，齒孔孔口直徑小于齒孔內(nèi)最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，牙齒的齒根與齒孔通過過盈配合鑲固。這種固齒方式，使牙齒倒錐形的齒根被倒錐形的齒孔抱拉，齒孔將牙齒抱拉緊固在齒孔內(nèi)，不易掉齒。
[0007]當(dāng)遇到較高井底溫度時，即使齒孔與齒根之間的過盈量發(fā)生變化，倒錐形齒孔對倒錐形齒根產(chǎn)生楔形效應(yīng)，牙齒將很難從齒孔脫出掉落。
[0008]倒錐齒根的鑲齒可使牙齒和齒孔之間的配合過盈量遠小于圓柱齒和圓柱孔等常規(guī)鑲齒的配合過盈量，卻能取得更佳的固齒效果，同時更小的過盈量使得孔口薄弱處的應(yīng)力更小，在嚴苛的實際井下作業(yè)中，孔口更難以被破壞，從而進一步減少掉齒。即使在較大載荷下，齒孔有塑性變形或破壞，由于牙齒與齒孔間鑲固部分為倒錐形，牙齒與齒孔在倒錐形結(jié)構(gòu)的倒錐抱拉效果和楔形效應(yīng)作用下，能保持牙齒不掉落，減少牙齒掉落失效的幾率。
[0009]現(xiàn)有圓柱齒和圓柱孔的常規(guī)鑲齒中，齒孔孔口處的應(yīng)力集中非常突出，齒孔孔口處的應(yīng)力明顯大于其他地方的應(yīng)力，牙齒工作過程中在載荷力及沖擊的作用下，往往是齒孔孔口處先發(fā)生塑變、裂紋或壓潰等破壞，使牙齒有效緊固長度、面積和緊固力減小，致使牙齒掉落。本申請不僅可改善孔口應(yīng)力狀況，而且還能改善牙齒工作受載過程中牙齒及齒孔，特別是齒孔最薄弱處——孔口的應(yīng)力情況:鑲固在鉆頭上的牙齒，特別是鑲齒牙輪鉆頭牙輪上的牙齒，在工作時牙齒同時受到軸向和側(cè)向(垂直牙齒軸向)的載荷，其中使最薄弱、應(yīng)力最集中且最易損壞的孔口發(fā)生破壞的是側(cè)向載荷，軸向載荷不會增大齒孔孔口應(yīng)力。在牙齒工作受載時，軸向載荷將使牙齒向齒孔底變形移動(較小位移的移動，當(dāng)載荷消失后位移又會恢復(fù))，由于本發(fā)明的牙齒齒根及齒孔均為倒錐形，軸向載荷使牙齒向齒孔底變形移動后，與齒孔孔口匹配的牙齒齒根截面下移，較小的齒根上部截面與齒孔孔口配合，齒孔孔口與齒根之間的配合過盈量將變小，其能明顯改善齒孔孔口的應(yīng)力。并且，在軸向載荷的作用下，錐形牙齒向齒孔底變形移動時能明顯改善減小整個齒孔壁和齒孔孔口的應(yīng)力情況。在工作載荷作用下，即使同時有側(cè)向載荷的作用，倒錐形齒孔和牙齒能優(yōu)化牙齒及齒孔的工況。而現(xiàn)有圓柱齒和圓柱孔的常規(guī)鑲齒，無論軸向載荷如何，由于牙齒和齒孔均為圓柱狀，牙齒向下變形運動將不會改變齒孔孔口和齒孔壁的應(yīng)力狀況，在側(cè)向載荷作用下圓柱形鑲齒的齒孔孔口及孔壁極易發(fā)生破壞，而催生牙齒掉落。
[0010]因此，本發(fā)明不僅在結(jié)構(gòu)上能改善牙齒與齒孔的鑲固應(yīng)力、固持可靠性，而且在工作受力原理上能改善牙齒工作過程中的應(yīng)力工況，即在工作機理上改善優(yōu)化牙齒與齒孔的互作用關(guān)系，提高固齒可靠性，減少鉆頭掉齒幾率。
[0011]該方案雖然在結(jié)構(gòu)上看似簡單，但由于上百年歷史以來鉆頭牙齒安裝方式已幾乎定型，成為定律，在慣性思維和相關(guān)技術(shù)的制約下，現(xiàn)有技術(shù)中從未出現(xiàn)本申請的這種方案，本申請是一種實際上突破性的鉆頭技術(shù)。
[0012]作為選擇1，所述齒孔的孔口直徑比齒孔內(nèi)最大直徑小0.1%?1%。
[0013]上述方案中，由于齒根與齒孔間為過盈配合，齒孔的孔口直徑與齒孔內(nèi)最大直徑相差不宜過大，如過大將不便于牙齒鑲?cè)臊X孔；但相差也不能太小，太小將難達到倒錐抱拉的效果和楔形效應(yīng)。
[0014]作為選擇2，所述牙齒的齒根為上小下大的圓臺形；所述齒孔為口小底大的圓臺形。
[0015]上述方案中，齒根、齒孔為上小下大的圓臺形時便于加工實現(xiàn)，且能相對高效地批量生產(chǎn)。
[0016]作為進一步選擇3,所述牙齒的齒根圓臺、齒孔圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
[0017]上述方案中，錐度太小將難以達到倒錐抱緊效果和楔形效應(yīng)，錐度過大不便牙齒鑲裝于齒孔內(nèi)。
[0018]作為選擇4，所述鉆頭為牙輪鉆頭，所述牙齒鑲固于鉆頭的牙輪上。
[0019]前述倒錐齒根鑲齒鉆頭的加工方法，包括:在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)，且該溫差條件下的齒孔與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的齒孔與牙齒等溫時的過盈量。
[0020]在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)時，齒孔溫度最高不高于200°C。因為，在較高的溫度下，齒孔材料的金相組織可能會發(fā)上變化，這將改變齒孔材料的力學(xué)性能。齒孔材料多為低碳鋼，其在200°C以內(nèi)一般不會發(fā)生金相組織的變化。
[0021]前述本發(fā)明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護的方案。如本發(fā)明，各選擇即可和主方案及其他選擇任意組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，在此不做窮舉。
[0022]本發(fā)明的有益效果:鑲齒牙輪鉆頭在高溫環(huán)境下工作時，牙齒和牙輪因溫度升高而發(fā)生金屬軟化，加上外力作用，齒孔尺寸擴大。但采用倒錐齒根齒及對應(yīng)齒孔，即使齒孔孔口尺寸有所擴大，因為齒根最大橫截面尺寸大于齒孔最小橫截面尺寸，且齒根最大橫截面尺寸位置低于齒孔最小橫截面尺寸位置，所以牙齒不會從齒孔中脫出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明倒錐齒根鑲齒鉆頭為牙輪鉆頭時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明倒錐齒根鑲齒鉆頭為牙輪鉆頭時的牙輪及鑲齒的剖視示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明錐形牙齒齒根和錐形齒孔配合關(guān)系示意圖；
[0026]圖中，I為牙輪鉆頭的牙輪軸,2為牙輪軸承密封,3為牙輪,31為齒孔,4為牙輪上的牙齒，41為牙齒的齒根，5為牙輪鎖緊滾珠，6為鉆頭體，9為牙輪牙掌。

【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0028]基本例，如圖1至圖3所示，一種倒錐齒根鑲齒鉆頭，包括設(shè)于鉆頭上的牙齒，牙齒通過其齒根鑲固于鉆頭上的齒孔內(nèi)，以本實施例為例，鉆頭為牙輪鉆頭，牙齒4鑲固于牙輪3上。齒孔31孔口直徑小于齒孔31內(nèi)最大直徑，牙齒4的齒根41為上小下大的圓臺形牙齒4齒根41與孔口匹配處的直徑小于齒根41下部最大直徑，牙齒4的齒根41與齒孔31通過過盈配合鑲固。
[0029]作為選擇例1，齒孔31孔口直徑比齒孔31內(nèi)最大直徑小0.1?1%。由于齒根與齒孔間為過盈配合，齒孔的孔口直徑與齒孔內(nèi)最大直徑相差不宜過大，如過大將不便于牙齒鑲?cè)臊X孔；但相差也不能太小，太小將難達到倒錐抱拉的效果和楔形效應(yīng)。
[0030]作為選擇例2，牙齒4的齒根41圓臺的錐度為:1:500?1:100。
[0031]作為選擇例3，如圖2、3所示，牙齒4的齒孔31為口小底大的圓臺形；進一步地，牙齒4的齒孔31圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。錐度太小將難以達到倒錐抱緊效果和楔形效應(yīng)，錐度過大不便牙齒鑲裝于齒孔內(nèi)。
[0032]前述各選擇例的鉆頭的加工方法，牙齒4與齒孔31在裝配時采用齒孔溫度高于牙齒溫度的方式進行裝配:包括在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)，且該溫差條件下的齒孔與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的齒孔與牙齒等溫時的過盈量。在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)時，齒孔溫度最高不高于200°C。因為，在較高的溫度下，齒孔材料的金相組織可能會發(fā)上變化，這將改變齒孔材料的力學(xué)性能。齒孔材料多為低碳鋼，其在200°C以內(nèi)一般不會發(fā)生金相組織的變化。具體裝配方式可以為，將齒孔加溫，牙齒為常溫，齒孔升溫后將發(fā)生熱膨脹使齒孔脹大，牙齒溫度不變(常溫)，然后裝配；也可以為將齒孔加溫，同時將牙齒降溫(低于常溫，如零度左右)，齒孔升溫后將發(fā)生熱膨脹使齒孔脹大，牙齒降溫后將收縮，然后裝配。齒孔溫度高于牙齒溫度后，鑲裝時齒孔與牙齒的相對過盈量將小于齒孔與牙齒等溫時的過盈量，便于牙齒裝于齒孔內(nèi)，特別是便于牙齒根部裝入并通過相對較小的齒孔口，不致在牙齒齒根通過較小的齒孔孔口時過大的過盈量而使齒孔孔口發(fā)生塑性變形或產(chǎn)生裂紋缺陷。牙齒與齒孔鑲裝完后，牙齒溫度將會與齒孔溫度相同，牙齒與齒孔的鑲裝過盈量將達到設(shè)計過盈量。由于本發(fā)明的齒孔為倒錐齒孔，牙齒鑲裝過程采用齒孔溫度高于牙齒溫度的溫差鑲裝法，齒孔的相對膨脹和牙齒的相對收縮，避免了同溫普通鑲裝方式使齒孔損壞的同時，還能使鑲裝完后的牙齒與齒孔達到理想的過盈配合量。鉆頭工作時，牙齒與齒孔的溫度是同時上升的，即牙齒與齒孔的溫度環(huán)境是相同的，因此鉆頭工作時牙齒與齒孔的過盈量或因溫升而發(fā)生的過盈量變化量在整個倒錐齒孔內(nèi)是能夠保持不變和均衡的。
[0033]前述本發(fā)明基本例及其各進一步選擇例可以自由組合以形成多個實施例，均為本發(fā)明可采用并要求保護的實施例。本發(fā)明方案中，各選擇例，與其他任何基本例和選擇例都可以進行任意組合，在此不做窮舉，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知有眾多組合。如圖2、3即可視為選擇例2、3的組合。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種倒錐齒根鑲齒鉆頭，包括設(shè)于鉆頭上的牙齒，所述牙齒通過其齒根鑲固于鉆頭上的齒孔內(nèi)，其特征在于:齒孔孔口直徑小于齒孔內(nèi)最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒的齒根與齒孔通過過盈配合鑲固。
2.如權(quán)利要求1所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭，其特征在于:所述齒孔的孔口直徑比齒孔內(nèi)最大直徑小0.1%?1%。
3.如權(quán)利要求2所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭，其特征在于:所述牙齒的齒根為上小下大的圓臺形。
4.如權(quán)利要求2所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭，其特征在于:所述齒孔為口小底大的圓臺形。
5.如權(quán)利要求3所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭，其特征在于:所述牙齒的齒根圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
6.如權(quán)利要求4所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭，其特征在于:所述牙齒的齒孔圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
7.如權(quán)利要求1-6中的任一條所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭的加工方法，其特征在于包括:在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)，且該溫差條件下的齒孔與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的齒孔與牙齒等溫時的過盈量。
8.如權(quán)利要求7所述的倒錐齒根鑲齒鉆頭，其特征在于:在齒孔溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于齒孔內(nèi)時，齒孔溫度最高不高于200°C。
【文檔編號】B23P11/02GK104389524SQ201410669625
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】楊迎新, 張召峰, 余雷, 王廷瑞, 吳興國, 單正明, 況雨春, 陳煉, 牛世偉, 張春亮 申請人:西南石油大學(xué), 中國石油集團長城鉆探工程有限公司