一種襯套鑲齒鉆頭及其加工方法
【專利摘要】一種襯套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，其特征在于：齒孔孔口直徑小于齒孔內最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒和齒孔之間設有襯套，牙齒的齒根通過過盈配合鑲固于襯套內，襯套通過過盈配合鑲固于齒孔內。本發(fā)明其牙齒、襯套和齒孔的結合形式可可減小鉆頭的掉齒，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。
【專利說明】
一種襯套鑲齒鉆頭及其加工方法

【技術領域】
[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】
[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合金材料。由于鑲齒牙輪鉆頭的硬質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)中應用非常廣泛?，F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，牙齒的齒根與齒孔之間通過過盈配合或焊接的方式固結在一起，過盈配合固齒通過齒孔的過盈變形所產生的應力將牙齒抱緊固定。然而，近年來，隨著油氣鉆井技術的發(fā)展，鉆井深度不斷加大，地層溫度和復雜性不斷提高，并且隨著地熱鉆井的發(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一般大于牙輪上牙齒材料的熱膨脹系數，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)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于:提出一種襯套鑲齒鉆頭及其加工方法，其牙齒、襯套和齒孔的結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方案來實現:
[0005]—種襯套鑲齒鉆頭,包括設于鉆頭上的牙齒,牙齒通過其齒根鑲固于鉆頭上的齒孔內，齒孔孔口直徑小于齒孔內最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒和齒孔之間設有襯套，牙齒的齒根通過過盈配合鑲固于襯套內，襯套通過過盈配合鑲固于齒孔內。
[0006]上述方案中，齒孔孔口直徑小于齒孔內最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，齒孔及牙齒齒根均為倒錐形結構。牙齒的齒根通過過盈配合鑲固于襯套內，襯套通過過盈配合鑲固于齒孔內。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，不易掉齒。
[0007]襯套處于牙齒和齒孔之間，牙齒齒根與襯套、襯套與齒孔之間均為過盈配合鑲固。鑲固牙齒時，由于有襯套，襯套為內空的薄壁筒狀構件，牙齒或襯套在鑲入齒孔過程中，薄壁筒狀的襯套易于產生整體的變形，襯套上的變形和應力都較均勻，以適應鑲入過程中的過盈變形。
[0008]當遇到較高井底溫度時，即使齒孔與襯套、襯套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生楔形效應，牙齒將很難從齒孔脫出掉落。
[0009]倒錐齒根的鑲齒可使牙齒和襯套、襯套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(現有圓柱齒和圓柱孔的常規(guī)鑲齒中，齒孔孔口處的應力集中非常突出，工作過程中往往是齒孔先發(fā)生塑變或產生裂紋，催生牙齒掉落，本申請可改善孔口應力狀況減少掉齒)。即使在較大載荷下，齒孔有塑性變形或破壞，由于牙齒、齒孔為倒錐形，牙齒與齒孔在倒錐形結構的倒錐抱拉效果和楔形效應作用下，能保持牙齒不掉落，減少牙齒掉落失效的幾率。另夕卜，由于齒孔與牙齒之間設置有襯套，即使齒孔有塑性變形或破壞，被擠壓的襯套能適應并調節(jié)自身的變形彌補齒孔的變形，使齒孔對牙齒的抱緊力自適應、自均衡，齒孔及牙齒上的牙輪也將達到自適應、自均衡，這能減少齒孔的進一步塑性變形和破壞，改善牙齒鑲固強度，增強固齒可靠性，減少牙齒掉落。
[0010]作為選擇1，所述齒孔的孔口直徑比齒孔內最大直徑小0.1%?1%。
[0011]上述方案中，由于襯套與齒孔間為過盈配合，齒孔的孔口直徑與齒孔內最大直徑相差不宜過大，如過大將不便于襯套及牙齒鑲入齒孔；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。
[0012]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。
[0013]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，且能相對高效地批量生產。
[0014]作為選擇3，所述襯套的外壁為上小下大的圓臺形；所述襯套的內壁為上小下大的圓臺形。
[0015]上述方案中，襯套的外壁、襯套的內壁為上小下大的圓臺形，能更好地與倒錐形齒孔及倒錐形齒根匹配，能更好地產生楔形效應，便于倒錐形齒孔對牙齒的抱拉緊固。特別是當齒根、齒孔也為上小下大的圓臺形時，上小下大的圓臺形襯套內、外壁將能與齒根、齒孔更好地匹配緊固。
[0016]作為選擇4，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，錐度過大不便牙齒鑲裝于齒孔內。
[0018]作為選擇5，所述鉆頭為牙輪鉆頭，所述牙齒鑲固于鉆頭的牙輪上。
[0019]作為選擇6，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，且所述牙齒齒孔的圓臺的錐度大于所述牙齒齒根圓臺的錐度。
[0020]上述方案中，牙齒與齒孔之間設置有襯套，襯套填壓在牙齒與齒孔之間，牙齒齒孔的圓臺錐度大于牙齒齒根圓臺的錐度，填壓在牙齒與齒孔之間的襯套的變形能迎合均衡齒孔對牙齒的抱緊；牙齒齒孔的圓臺錐度大于牙齒齒根圓臺的錐度，能使齒孔對牙齒產生更好的倒錐抱拉效果和楔形效應，增強齒孔對牙齒的抱固效果。
[0021]作為選擇7，所述襯套的材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間。
[0022]上述方案中，鑲固于鉆頭(或牙輪)上的牙齒多為硬質合金齒，鉆頭體及牙輪材料一般都是低碳鋼，低碳鋼的硬度及彈性模量均明顯低于硬質合金。較硬的牙齒鑲固于軟的齒孔內，在較大載荷作用下，堅硬的牙齒擠壓軟的齒孔易引起齒孔的塑性變形或破壞。溫度升高時，齒孔熱膨脹系數明顯高于硬質合金牙齒，受熱后牙齒與齒孔之間的有效過盈量將下降，不利于牙齒的緊固。牙齒與齒孔之間設置襯套，且襯套材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間，使堅硬的牙齒與較軟齒孔之間的硬-軟直接過渡改變?yōu)橛?中-軟的緩慢過渡，減小了牙齒與鉆頭(或牙輪)齒孔之間材料彈性模量的差距和突變。襯套材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間，有利于改善牙齒受載時堅硬的牙齒對軟齒孔的直接擠壓，較少或避免齒孔的塑性變形和損壞；能彌補因溫度升高引起的牙齒與齒孔之間的有效過盈量的下降，減少牙齒掉落。
[0023]一種前述襯套鑲齒鉆頭的加工方法，包括:先將牙齒與襯套鑲裝，再將牙齒與襯套組件裝入齒孔，且在齒孔溫度高于牙齒和襯套組件溫度條件下將牙齒和襯套組件過盈配合裝配于齒孔內，且該溫差條件下的齒孔與牙齒和襯套組件的相對過盈量小于裝配好后的齒孔與牙齒和襯套組件等溫時的過盈量。
[0024]作為選擇，包括:在襯套溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于襯套內，且該溫差條件下的襯套與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的襯套與牙齒等溫時的過盈量。
[0025]另一種前述襯套鑲齒鉆頭的加工方法，包括:先將襯套鑲裝于齒孔內，再將牙齒裝入襯套內，且在齒孔和襯套溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于襯套內，且該溫差條件下的襯套與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的襯套與牙齒等溫時的過盈量。
[0026]在上述加工方法中，齒孔和(或)襯套的溫度最高不高于200°C。因為，在較高的溫度下，齒孔或襯套材料的金相組織可能會發(fā)上變化，這將改變齒孔或襯套材料的力學性能。齒孔材料多為低碳鋼，其在200°C以內一般不會發(fā)生金相組織的變化。
[0027]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，本領域技術人員在了解本發(fā)明方案后根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，在此不做窮舉。
[0028]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，加上外力的沖擊振動作用，齒孔尺寸擴大。襯套的存在可減少固定齒孔與牙齒齒根之間因受力變形和熱變形而產生的相互影響，起到緩沖作用力、保護齒孔的作用，保證了配合要求，有效防止牙齒的脫落。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明襯套鑲齒鉆頭為牙輪鉆頭時的結構示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明襯套鑲齒鉆頭為牙輪鉆頭時的牙輪剖視示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明帶有襯套的牙齒與齒孔裝配關系示意圖；
[0032]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為襯套,6為鉆頭體,9為牙輪牙掌。

【具體實施方式】
[0033]下面結合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0034]基本例,如圖1、2所示,一種襯套鑲齒牙輪鉆頭,包括設于牙輪3上的牙齒4,牙齒4通過其齒根41鑲固于牙輪3上的齒孔31內，齒孔31孔口直徑小于齒孔31內最大直徑，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和齒孔31之間設有襯套5，牙齒4的齒根41通過過盈配合鑲固于襯套5內，襯套5通過過盈配合鑲固于齒孔31內。
[0035]作為選擇例1，齒孔31的孔口直徑比齒孔內最大直徑小0.1%?1%。
[0036]作為選擇例2，牙齒4的齒根41為上小下大的圓臺形，參見圖3。
[0037]作為選擇例3，齒孔31為口小底大的圓臺形，參見圖3。
[0038]作為選擇例4，襯套5的外壁為上小下大的圓臺形，參見圖3。
[0039]作為選擇例5，襯套5的內壁為上小下大的圓臺形，參見圖3。
[0040]作為選擇例6，牙齒4的齒根41圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
[0041]作為選擇例7，齒孔31圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
[0042]作為選擇例8，牙齒4的齒根41為上小下大的圓臺形，齒孔31為口小底大的圓臺形，且齒孔31的圓臺的錐度大于牙齒4齒根41圓臺的錐度，參見圖3。
[0043]作為選擇例9，襯套5的材料的彈性模量介于牙齒4和齒孔31材料的彈性模量之間。
[0044]前述各鉆頭方案的加工方法，牙齒與齒孔進行裝配時采用齒孔和/或襯套溫度高于牙齒溫度的方式進行裝配。
[0045]具體方法有如下幾種:①先將牙齒與襯套鑲裝，可常溫直接鑲裝，可采用襯套溫度高于牙齒溫度的方式鑲裝，再將牙齒與襯套組件裝入齒孔，采用齒孔溫度高于牙齒、襯套溫度的方式鑲裝；②先將襯套鑲裝于齒孔內，再將牙齒裝入齒孔，采用齒孔、襯套溫度高于牙齒溫度的方式鑲裝。
[0046]以先將牙齒與襯套鑲裝為例，具體裝配方式可以為，將襯套加溫，牙齒為常溫，襯套升溫后將發(fā)生熱膨脹使襯套孔脹大，牙齒溫度不變(常溫)，然后裝配；也可以為將襯套加溫，同時將牙齒降溫(低于常溫，如零度左右)，襯套升溫后將發(fā)生熱膨脹使襯套孔脹大，牙齒降溫后將收縮，然后裝配。之后再將牙齒與襯套組件，裝入齒孔，方式類似前者:將齒孔加溫，牙齒和襯套為常溫，齒孔升溫后將發(fā)生熱膨脹使齒孔脹大，牙齒和襯套溫度不變(常溫)，然后裝配；也可以為將齒孔加溫，同時將牙齒和襯套降溫(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，牙齒和襯套降溫后將收縮，然后裝配。
[0047]其中以齒孔和牙齒、襯套之間的裝配關系為例(牙齒與襯套之間的裝配關系相同):齒孔溫度高于牙齒和襯套溫度后，鑲裝時齒孔與襯套的相對過盈量將小于齒孔與襯套等溫時的過盈量，便于牙齒和襯套裝于齒孔內，特別是便于襯套根部裝入并通過相對較小的齒孔口，不致在襯套根部通過較小的齒孔孔口時過大的過盈量而使齒孔孔口發(fā)生塑性變形或產生裂紋缺陷。齒孔與牙齒+襯套鑲裝完后，牙齒+襯套溫度將會與齒孔溫度相同，牙齒與襯套、襯套與齒孔的鑲裝過盈量將達到設計過盈量。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+襯套溫度的溫差鑲裝法，齒孔的相對膨脹和牙齒+襯套的相對收縮，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、襯套與齒孔達到理想的過盈配合量。鉆頭工作時，牙齒、襯套與齒孔的溫度是同時上升的，即牙齒、襯套與齒孔的溫度環(huán)境是相同的，因此鉆頭工作時牙齒、襯套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是能夠保持不變和均衡的。
[0048]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。比如，如圖3也還可視為基本例和選擇例1-9的任意組合，等等，在此不做窮舉，本領域技術人員可知有眾多組合。
[0049]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所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種襯套鑲齒鉆頭，包括設于鉆頭上的牙齒，所述牙齒通過其齒根鑲固于鉆頭上的齒孔內，其特征在于:齒孔孔口直徑小于齒孔內最大直徑，牙齒齒根與孔口匹配處的直徑小于齒根下部最大直徑，所述牙齒和齒孔之間設有襯套，牙齒的齒根通過過盈配合鑲固于襯套內，襯套通過過盈配合鑲固于齒孔內。
2.如權利要求1所述的襯套鑲齒鉆頭，其特征在于:所述齒孔的孔口直徑比齒孔內最大直徑小0.1%?1%。
3.如權利要求1所述的襯套鑲齒鉆頭，其特征在于:所述牙齒的齒根和/或齒孔為上小下大的圓臺形。
4.如權利要求1所述的襯套鑲齒鉆頭，其特征在于:所述襯套的外壁和/或內壁為上小下大的圓臺形。
5.如權利要求3所述的襯套鑲齒鉆頭，其特征在于:所述牙齒的齒根和/或齒孔圓臺的錐度范圍為:1:500?1:100。
6.如權利要求1所述的襯套鑲齒鉆頭，其特征在于:所述牙齒的齒根為上小下大的圓臺形，所述齒孔為口小底大的圓臺形，且所述牙齒齒孔的圓臺的錐度大于所述牙齒齒根圓臺的錐度。
7.如權利要求1所述的襯套鑲齒鉆頭，其特征在于:所述襯套的材料的彈性模量介于牙齒和齒孔材料的彈性模量之間。
8.如權利要求1-7中的任一條所述的襯套鑲齒鉆頭的加工方法，其特征在于包括:先將牙齒與襯套鑲裝，再將牙齒與襯套組件裝入齒孔，且在齒孔溫度高于牙齒和襯套組件溫度條件下將牙齒和襯套組件過盈配合裝配于齒孔內，且該溫差條件下的齒孔與牙齒和襯套組件的相對過盈量小于裝配好后的齒孔與牙齒和襯套組件等溫時的過盈量。
9.如權利要求8所述的襯套鑲齒鉆頭的加工方法，其特征在于包括:在襯套溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于襯套內，且該溫差條件下的襯套與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的襯套與牙齒等溫時的過盈量。
10.如權利要求1-7中的任一條所述的襯套鑲齒鉆頭的加工方法，其特征在于包括:先將襯套鑲裝于齒孔內，再將牙齒裝入襯套內，且在齒孔和襯套溫度高于牙齒溫度條件下將牙齒過盈配合裝配于襯套內，且該溫差條件下的襯套與牙齒的相對過盈量小于裝配好后的襯套與牙齒等溫時的過盈量。
【文檔編號】B23P19/02GK104453719SQ201410673795
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權日:2014年11月20日
【發(fā)明者】牛世偉, 鄭華林, 楊迎新, 況雨春, 陳煉, 徐家年, 高清春, 陳思路, 曹生, 朱太輝, 劉虹利, 黃顯德 申請人:西南石油大學, 中國石油集團長城鉆探工程有限公司