專利名稱：擴(kuò)孔牙輪鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種石油、礦山和地質(zhì)勘探鉆井用擴(kuò)孔牙輪鉆頭，尤其是一種擴(kuò)孔能力大、旋轉(zhuǎn)扭矩小、蹩跳小、壽命長(zhǎng)的擴(kuò)孔牙輪鉆頭。
目前，公知的擴(kuò)孔鉆頭有牙輪式和刮刀式兩種。美國專利4915181和美國專利4846290是牙輪式的擴(kuò)孔鉆頭，其缺陷是擴(kuò)孔能力小，一般擴(kuò)孔直徑不超過原有井眼直徑的2倍；美國專利4431065是刮刀式的擴(kuò)孔鉆頭，這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)孔鉆頭具有較大的擴(kuò)孔能力，但其缺陷是扭矩大，蹩跳嚴(yán)重，特別是小井眼刮刀擴(kuò)孔鉆頭，刮刀在大的扭矩下容易變形，導(dǎo)致鉆頭無法起出井眼的井下事故發(fā)生。
本實(shí)用新型的目的是提供一種具有較大擴(kuò)孔能力的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其最大擴(kuò)孔直徑可達(dá)原井眼直徑的4～8倍。而且，這種實(shí)用新型的擴(kuò)孔牙輪鉆頭具有較小的扭矩和較小的蹩跳現(xiàn)象，使用壽命長(zhǎng)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型的擴(kuò)孔牙輪鉆頭由轉(zhuǎn)向加力器、擴(kuò)孔軸和牙輪組成。當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭下到擴(kuò)孔井段后，停止下鉆并將鉆柱鎖在轉(zhuǎn)盤上，啟動(dòng)泥漿泵，在泥漿壓力的作用下，轉(zhuǎn)向加力器活塞帶動(dòng)頂桿向下推進(jìn)，使擴(kuò)孔軸繞連接銷轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，這樣擴(kuò)孔軸軸線與鉆柱中心線不在一條直線上，當(dāng)鉆柱隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，牙輪切削井壁，將井眼擴(kuò)大。當(dāng)擴(kuò)孔軸軸線與鉆柱中心線垂直時(shí)，活塞下行到活塞限位環(huán)，并停止繼續(xù)下行，此時(shí)，擴(kuò)孔軸軸線與加力器軸線垂直，再使整體鉆柱向下推進(jìn)，將井眼擴(kuò)至所需井深。為了減小擴(kuò)孔牙輪鉆頭的旋轉(zhuǎn)扭矩，增大擴(kuò)孔能力，在結(jié)構(gòu)上，將多節(jié)彼此獨(dú)立的柱狀牙輪安裝在同一長(zhǎng)擴(kuò)孔軸上；此外，在擴(kuò)孔軸中心有水孔，泥漿從中流過，對(duì)擴(kuò)孔軸進(jìn)行冷卻；柱狀牙輪之間采用帶密封圈限位環(huán)的雙“O”型密封結(jié)構(gòu)，增加了高速狀態(tài)下密封的可靠性。
由于采用了上述方案，增大了鉆頭的擴(kuò)孔能力，最大擴(kuò)眼直徑可以達(dá)到原井眼直徑的4～8倍，同時(shí)具有小的扭矩和蹩跳，鉆頭使用壽命長(zhǎng)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。


圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型提出的一種連接銷偏離軸線的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型提出的一種倒“T”形截面雙“O”形橡膠密封結(jié)構(gòu)。
圖4是本實(shí)用新型提出的一種倒“E”形截面雙“O”形橡膠密封結(jié)構(gòu)。
圖中1.轉(zhuǎn)向加力器，2.軟管，3.頂桿，4.連接銷，5.水孔，6.密封圈，7.密封圈限位環(huán)，8.密封圈，9.切削齒，10.水孔密封圈，11.鋼球，12.卡環(huán)，13.小軸密封圈，14.外牙輪，15.噴嘴，16.臺(tái)肩，17.滾柱，18.擴(kuò)孔軸，19.擋圈，20.切削齒，21.鋼球，22.內(nèi)牙輪，23.密封圈，24.活塞限位環(huán)，25.活塞，26.缸體，27.連接絲扣，28.頂桿接觸平面，29.塞銷。
圖1所示，擴(kuò)孔牙輪鉆頭包括轉(zhuǎn)向加力器(1)，擴(kuò)孔軸(18)和牙輪(14)、(22)等三大部分。其中轉(zhuǎn)向加力器(1)由連接絲扣(27)、缸體(26)、活塞(25)、活塞限位環(huán)(24)和頂桿(3)組成。連接絲扣(27)用于連接鉆柱(圖中未畫出)，擴(kuò)孔軸(18)與轉(zhuǎn)向加力器(1)用連接銷(4)連接，未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)孔軸(18)的軸線與轉(zhuǎn)向加力器(1)的軸線在同一直線上，擴(kuò)孔軸(18)的端部有一頂桿接觸平面(28)，其頂桿接觸平面(28)與擴(kuò)孔軸軸線的夾角為α，其α值為35°～55°，最佳值為45°，轉(zhuǎn)向加力器(1)的頂桿(3)下行時(shí)，頂著頂桿接觸平面(28)，使擴(kuò)孔軸(18)繞連接銷(4)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到擴(kuò)孔軸(18)與轉(zhuǎn)向加力器(1)垂直時(shí)，活塞(25)與活塞限位環(huán)(24)相互接觸，阻止活塞(25)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，使擴(kuò)孔軸(18)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)停止。此時(shí)，擴(kuò)孔軸(18)的軸線與轉(zhuǎn)向加力器(1)的軸線相互垂直。連接銷(4)的位置可以在加力器的軸線上，也可偏離加力器軸線一距離L(如圖2)，其L值為0～20毫米，以增加擴(kuò)孔軸頂桿接觸平面端的力臂。擴(kuò)孔軸(18)上安裝著可繞軸旋轉(zhuǎn)的柱狀或錐狀內(nèi)牙輪(22)和外牙輪(14)，內(nèi)牙輪(22)和外牙輪(14)上有切削齒(20)和(9)，切削齒可以是鋼齒、鑲齒或金剛石復(fù)合齒，在鋼齒的外表面上還敷焊了一層高強(qiáng)度耐磨合金，柱狀或錐狀內(nèi)牙輪(22)和外牙輪(14)在軸上采用鋼球(21)、(11)鎖緊，也可采用卡環(huán)鎖緊。各牙輪軸承可選用單一的滑動(dòng)或滾動(dòng)軸承，也可采用混合軸承，即內(nèi)牙輪(22)軸承選用滑動(dòng)軸承，而外牙輪(14)軸承選用滾動(dòng)軸承，本實(shí)施例為混合軸承，其滾柱(17)用外牙輪(14)的內(nèi)孔臺(tái)肩(16)和擋圈(19)進(jìn)行軸向定位。內(nèi)牙輪(22)和外牙輪(14)用橡膠密封圈(13)、(23)和安裝在密封圈限位環(huán)(7)上的橡膠密封圈(6)和(8)進(jìn)行密封。擴(kuò)孔軸(18)的中心開有一水孔(5)，鉆柱(圖中未畫出)中的高壓泥漿經(jīng)軟管(2)流入水孔(5)冷卻擴(kuò)孔軸(18)，然后進(jìn)入噴嘴(15)，從噴嘴(15)出口處噴出，形成射流以清洗巖屑。噴嘴(15)采用碳化鎢燒結(jié)而成，用卡環(huán)(12)鎖緊，用密封圈(10)進(jìn)行密封。在另一結(jié)構(gòu)中擴(kuò)孔軸中心也可無水孔。
在圖3、圖4所示的軸承密封結(jié)構(gòu)中，采用常用的“O”形密封，“O”形密封是一種可靠性較高，密封效果較好的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)不適用高速，對(duì)于擴(kuò)孔牙輪鉆頭，特別是外牙輪，轉(zhuǎn)速較高，為了避免“O”形密封圈使用在高速狀態(tài)下，本實(shí)用新型在兩牙輪之間安裝有一種帶有密封圈限位環(huán)(7)的雙橡膠“O”形密封結(jié)構(gòu)，其中密封限位環(huán)(7)可繞擴(kuò)孔軸(18)旋轉(zhuǎn)，是由剛性耐磨合金材料制成，截面形狀為倒“T”形(圖3)或“E”形(圖4)。內(nèi)牙輪(22)和外牙輪(14)的密封腔是相通的，橡膠“O”形圈與牙輪之間沒有相對(duì)滑動(dòng)，而與密封限位環(huán)(7)之間有相對(duì)滑動(dòng)。由于密封限位環(huán)(7)可繞軸(18)旋轉(zhuǎn)，因此，橡膠“O”形圈與密封限位環(huán)(7)的滑動(dòng)轉(zhuǎn)速不超過兩個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速的差，理想情況下，每個(gè)橡膠“O”形圈與密封限位環(huán)(7)的滑動(dòng)轉(zhuǎn)速為兩個(gè)牙輪轉(zhuǎn)速差的一半。這樣橡膠“O”形圈的實(shí)際滑動(dòng)轉(zhuǎn)速比外牙輪(14)或內(nèi)牙輪(22)相對(duì)軸(18)的轉(zhuǎn)速低很多。這種密封結(jié)構(gòu)由于減少了密封圈的摩擦發(fā)熱，從而大大地提高了整體密封結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命。
由于井底的破碎面是一圓環(huán)面，擴(kuò)孔牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)牙輪上的各排齒在井底作純滾動(dòng)的轉(zhuǎn)速不同。為了減小鉆頭的蹩跳，必須使各排齒在井底作純滾動(dòng)的轉(zhuǎn)速基本相同，從理論上說，只要將牙輪做成錐體就能達(dá)到這一目的。但是，由于受鉆頭直徑的限制，以及考慮到軸的強(qiáng)度要求，牙輪錐度無法滿足需求。因此，本實(shí)用新型將牙輪做成兩個(gè)彼此獨(dú)立的柱狀牙輪，如果擴(kuò)孔直徑更大，還可將牙輪做成三個(gè)或更多個(gè)彼此獨(dú)立的柱狀牙輪，一般牙輪數(shù)為2～5個(gè)，并采用上述鎖緊機(jī)構(gòu)和軸承密封結(jié)構(gòu)，依次將牙輪密封鎖緊在同一軸上，每個(gè)柱狀牙輪上的齒排數(shù)根據(jù)地層巖性和牙輪高度來確定，一般為1～6排，每個(gè)齒排采用不等距布齒，這樣可有效避免重復(fù)破碎，大大地提高破巖機(jī)械鉆速。
為便于泥漿的排出，以及提高鉆頭對(duì)井壁巖石的切削，在外牙輪外端面有切削齒，其切削齒可以是鋼齒、或鑲齒、或金剛石復(fù)合齒。在鋼齒表面敷焊有一層高耐磨合金。
權(quán)利要求1.一種擴(kuò)孔牙輪鉆頭，由轉(zhuǎn)向加力器〔1〕、擴(kuò)孔軸〔18〕和牙輪〔14〕〔22〕組成，其特征是擴(kuò)孔軸〔18〕與轉(zhuǎn)向加力器〔1〕通過連接銷〔4〕連接，在轉(zhuǎn)向加力器頂桿〔3〕的作用下，擴(kuò)孔軸〔18〕可繞連接銷〔4〕旋轉(zhuǎn)到水平位置，擴(kuò)孔軸〔18〕上安裝有多節(jié)帶齒牙輪。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是牙輪與擴(kuò)孔軸〔18〕之間，以及牙輪與牙輪之間有密封結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是牙輪與牙輪之間的密封結(jié)構(gòu)是一種帶密封圈限位環(huán)〔7〕的密封結(jié)構(gòu)，密封限位環(huán)〔7〕上有兩橡膠密封圈〔6〕〔8〕分別與牙輪構(gòu)成密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是密封限位環(huán)〔7〕與擴(kuò)孔軸〔18〕之間的配合為間隙配合，密封限位環(huán)〔7〕可繞擴(kuò)孔軸〔18〕旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是密封圈限位環(huán)〔7〕截面形狀為倒“T”形或“E”形。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是密封圈限位環(huán)〔7〕由剛性耐磨合金材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是橡膠密封圈的截面形狀可以是圓形、橢圓形、方形或“X”形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是牙輪與擴(kuò)孔軸〔18〕之間，以及牙輪與牙輪之間也可以是一種非密封結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是擴(kuò)孔軸〔18〕的長(zhǎng)度為牙輪外徑的2～5倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是擴(kuò)孔軸〔18〕的連接端頂部有一頂桿接觸平面〔28〕。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是起始狀態(tài)時(shí)，頂桿接觸平面〔28〕與轉(zhuǎn)向加力器〔1〕軸線的夾角α為35°～55°。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是連接銷〔4〕的中心與擴(kuò)孔牙輪鉆頭軸線間有一距離L，其值為0～20mm。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是擴(kuò)孔軸〔18〕上安裝的牙輪數(shù)不少于2個(gè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是擴(kuò)孔軸〔18〕上所安裝的牙輪形狀是柱狀的或錐形的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是牙輪上帶有切削齒，切削齒可以是鑲齒、或鋼齒、或金剛石復(fù)合齒。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是外牙輪外端面上有切削齒，切削齒可以是鑲齒、或鋼齒、或金剛石復(fù)合齒。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是擴(kuò)孔軸的中心有中心水孔〔5〕。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是中心水孔〔5〕的一端裝有噴嘴〔15〕，或不裝噴嘴，另一端與轉(zhuǎn)向加力器〔1〕的軟管〔2〕相連。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其特征是擴(kuò)孔軸無中心水孔。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種石油、礦山和地質(zhì)勘探鉆井用擴(kuò)孔牙輪鉆頭，其擴(kuò)孔軸上安裝多節(jié)柱狀牙輪，牙輪間有密封圈限位環(huán)，密封圈限位環(huán)上有兩個(gè)橡膠“O”形密封圈，擴(kuò)孔軸中心設(shè)計(jì)有中心水孔。這種擴(kuò)孔牙輪鉆頭具有擴(kuò)孔能力大、旋轉(zhuǎn)扭矩小、蹩跳小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)E21B10/08GK2356138SQ9824582
公開日1999年12月29日 申請(qǐng)日期1998年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月26日
發(fā)明者郭國忠 申請(qǐng)人:江漢石油鉆頭股份有限公司