专利名称：一种宽齿牙轮复合钻头的制作方法
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，具体的讲涉及一种复合钻头。
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。牙轮钻头和PDC钻头是钻井工程中常用的钻头。目前钻井工程中所使用的三牙轮钻头包括钢齿钻头(又称铣齿钻头)和硬质合金齿钻头(又称镶齿钻头)。钢齿钻头是在牙轮坯体上直接铣出切削齿，齿的强度较低、耐磨性较差，一般用于软地层；镶齿钻头在牙轮体预留的齿孔内镶固硬质合金牙齿(以下简称硬质合金齿或牙齿)，硬质合金齿的硬度和耐磨性明显优于钢齿，一般用于较硬地层。三牙轮钻头主要以冲击压碎的形式破岩，即牙齿通过对岩石的冲击、挤压和伴有少量的滑移刮切来破碎岩石，其缺点是能量利用率不高，破岩效率较低，且钻头工作过程中，轴承受到的冲击大，动载系数大。在结构形式上，为了满足镶齿牙轮钻头冲压破碎破岩工作方式的需要，现有钻头采用了以下三个技术手段:其一，现有镶齿牙轮钻头上的切削齿(牙齿)的下部镶固部分均为圆柱型，上部出露部分由下部圆柱向牙齿轴线逐渐收缩过渡，多为楔形或锥形，牙齿的齿顶宽度均明显小于下部镶固部分的直径，以形成较尖锐的冲击头部。由于牙齿受的动载大，且牙齿尺寸相对较小，所以容易发生牙齿的整体或局部断裂。其二，现有大多数镶齿三牙轮钻头牙轮上牙齿的齿顶无偏转(即齿顶偏转角为0° )，也有少量钻头的部分齿圈的牙齿(切削齿)齿顶有偏转，偏转角一般在50°以内。牙齿的偏转是为了迎合牙齿冲击压入岩石后的滑移刮切方向，以增加牙齿对岩石的滑移刮切效果(量)。其三，多数三牙轮钻头的牙轮存在偏移，其目的在于，偏移使牙轮在井底岩石上滚动破岩时无法发生纯滚动，使牙轮上的牙齿破岩时滑移增大，偏移值越大牙轮上的牙齿滑移刮切越明显，但同时也因滑移产生的磨损也越大。PDC钻头以刮切形式破碎岩石，PDC钻头能够有效破岩钻进形成进尺的前提是roc齿能有效地吃入地层岩石。PDC齿吃入岩石后在钻头体的旋转带动下，对岩石形成切削作用使岩石破碎。当岩石很硬PDC难以吃入岩石，或PDC齿有磨损后难以吃入岩石时，PDC钻头破岩效率将明显降低。美国贝克休斯公司提出一种牙轮-PDC混合式钻头(在美国及其他国家均提出了专利申请，如PTC W02010/132232等)，该钻头在传统的PDC切削结构基础上增加了牙轮切削结构，由固定切削结构和牙轮切削结构组合而成。其中，牙轮-PDC混合式钻头的固定切削结构是由若干I3DC固定刀翼组成，固定刀翼上布置有固定切削齿(即PDC齿)，当钻头旋转钻进时，固定刀翼上的PDC齿以刮切方式破岩；牙轮-PDC混合式钻头的牙轮切削结构与牙轮钻头类似，牙轮上的牙齿主要以冲击压碎的方式破岩。由于牙轮以冲击压碎的方式破岩，牙轮工作过程中产生的上下振动会直接影响roc固定切削结构的工作稳定性，从而导致下述不良后果:首先，纵向振动带来的冲击载荷容易引起PDC齿的损坏，减短钻头的使用寿命；其次，纵向振动会使固定切削结构中的PDC齿的吃入深度发生频繁变化，严重时甚至可能造成PDC齿频繁脱离井底，从而在一定程度上降低钻头的破岩效率。此外，该复合钻头上的牙轮仍以冲击压碎的方式破岩，牙轮轴承的工况与三牙轮钻头的相似，导致轴承工作寿命短，而轴承的工作寿命对钻头的整体寿命形成了明显的制约。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种宽齿牙轮复合钻头，其提出一种新的牙轮结构形式，该复合钻头，牙轮工作平稳，钻头工作稳定性好，相对现有复合钻头具有更高破岩效率的同时，还具有更长的钻头牙齿和轴承的寿命，从而具有更长的钻头使用寿命。本发明目的通过下述技术方案来实现:
一种宽齿牙轮复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，所述牙轮和所述固定切削结构布置在所述钻头体上，所述固定切削结构上设置有固定切削齿，所述牙轮通过轴承结构与所述钻头体形成转动连接，其特征在于:所述牙轮上镶固有横镶牙齿，且横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α I <90°，横镶牙齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形。牙齿的结构是影响牙轮钻头钻进效率的关键因素之一。镶齿牙轮钻头的牙齿与牙轮上的齿孔通常采用过盈配合(或镶焊等)方式镶固在牙轮上。牙齿的下部与牙轮齿孔形成过盈配合(该部分称为牙齿的镶固部分)，牙齿与齿孔形成过盈配合的表面一般为圆柱面；牙齿的上部位于牙轮壳体的表面之外，用于直接接触、破碎岩石(该部分称为牙齿的工作部分，也称为牙齿的冠部或头部)，通常情况下，牙齿冠部的径向(垂直于牙齿轴线方向，平行牙齿下部圆柱的直径方向)尺寸小于镶固部分的圆柱直径。牙齿镶固部分的尺寸(直径和高度)和过盈量是决定固齿强度的关键，而牙齿冠部的形状和尺寸则是决定牙齿工作性能的关键。通常所谓的“齿型”或“齿形”就是指依据牙齿冠部形状和尺寸的特征而对牙齿作的分类。常见的牙齿齿型(或齿形)包括球形齿、锥形齿、楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿、边楔齿等。依据牙齿冠部几何形体主要特征的不同，可以将牙齿分为回转体类牙齿和非回转体类牙齿两大类。回转体类牙齿的冠部表面为与牙齿中心线同轴的回转曲面，如球形齿和锥形齿。若牙齿的冠部表面为非回转曲面，或虽为回转曲面但其回转中心与牙齿中心不同轴，这样的牙齿均为非回转体类牙齿，如楔形齿、勺形齿、偏心勺形齿和边楔齿等。表征牙齿冠部形状和尺寸的主要参数为牙齿的出露高度h、牙齿的齿顶宽度W和牙齿的齿顶厚度T (见图4)。出露高度h是指牙齿出露于牙轮壳体表面之外的高度，简称出露高度或齿高；牙齿的齿顶宽度W是指牙齿的齿顶区域在垂直于牙齿轴线的平面内的最大横向尺寸，简称齿顶宽度；牙齿的厚度T是指牙齿齿顶区域在垂直于牙齿宽度方向的最大横向尺寸，简称齿顶厚度。齿顶宽度和齿顶厚度代表了牙齿顶部的横向尺寸，横向尺寸越小，牙齿越尖锐、越容易侵入岩石，但同时也越容易发生强度失效。就对牙齿破岩效率的影响而言，牙齿的宽度具有比较特殊的意义，原因在于:尽管牙轮钻头主要以压碎作用破碎岩石，但钻头牙齿在与岩石接触时的相对滑移运动可使牙齿产生刮切破岩的效果，此时，牙齿的宽度越大，滑移刮切时扫过的面积就越大，刮切破岩的效果也就越明显。镶齿牙轮钻头的牙齿一般多按照齿顶宽方向与牙轮母线平行的方向镶固(如图5中的齿5)。也可先分析预测牙齿滑移刮切运动的方向，然后按照齿顶宽与刮切运动方向相垂直或接近垂直的方向镶固牙齿(如图5中的齿6)。
然而，由于牙齿冠部形状的特殊性，牙齿“齿顶区域”的概念具有一定的模糊性，因而需要加以具体的约定，以达到对各种形状的牙齿都能按照统一的方法度量齿顶宽度和齿顶厚度的目的。为此，特作约定如下:N为一自然数，在纵向距牙齿冠部最高点h/N的位置做一个垂直于牙齿轴线的平面P (见图4)，牙齿上由该平面至牙齿冠部最高点之间的区域为牙齿的N分齿顶区域。在牙齿的N分齿顶区域内，垂直于牙齿轴线的最大横向尺寸，为牙齿的N分齿顶宽度(也即:牙齿的N分齿顶区域在平面P上投影的最大宽度);最大横向尺寸在P平面上所对应的方向为齿顶齿宽方向；该齿顶区域在垂直于齿顶宽度方向上的最大横向尺寸，为牙齿的N分齿顶厚度。在图4中，标明了楔形齿的4分齿顶区域(P平面至牙齿顶部最高点之间的区域)、4分齿顶宽度W、齿顶宽度方向以及4分齿顶厚度T。通常情况下，牙齿冠部的形状都是由根部到顶部越来越尖锐，所以在平面P上的牙齿横截面宽度/厚度，就等于牙齿的N分齿顶宽度/厚度。由定义可知，齿顶宽度和齿顶厚度的区别只对非回转体类牙齿才有意义。齿顶偏转角是指齿顶线(平行于牙齿的齿顶宽度方向，通过齿顶最高点或最高区域的中心，且与牙齿轴线相垂直的直线段)与牙齿所在牙轮的轮锥母线(轮锥面上与牙齿轴线相交的母线)的夹角(如图5、图6所示的角α )，一般指齿顶线与轮锥母线所成的锐角或直角。本说明书中规定:从齿顶沿牙齿轴线方向向牙轮体看，齿顶线相对牙轮的轮锥母线逆时针偏转时为正偏转，反之则为负偏转。现有大多数牙轮钻头牙轮上的切削齿的齿顶无偏转(即齿顶偏转角为0° )，或有少量钻头的部分齿圈的牙齿齿顶有偏转，偏转角一般在50°以内。为便于阐述，本说明书中界定:牙齿的齿顶偏转角大于50°时，可称为横镶牙齿。本发明的横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α I <90°，横镶牙齿为非回转体类牙齿。牙轮的偏移是指:牙轮的极轴面(过牙轮轴线且平行于钻头轴线的平面)相对钻头中心线的偏移距离。如图7所示，为沿钻头钻进方向(沿钻头轴线从钻头螺纹端向牙轮端)看时，钻头牙轮在垂直于钻头轴线的平面上的投影示意图，图中牙轮的轴线投影与钻头中心之间的距离S即为钻头偏移值。宽齿牙轮复合钻头的牙轮上采用横镶牙齿，且横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围在70° 90°或-90° -70°之间，使同齿圈上与横镶牙齿相邻镶齿间的空当间隔大大减小，减小了齿圈的不连续性，而同齿圈上相邻横镶牙齿之间的空当更小。横镶牙齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形。横镶牙齿镶固部分的横向(垂直牙齿高度方向)最大尺寸为镶固部分的长度，垂直长度方向的最大横向尺寸为镶固部分的宽度(如图16，LI为镶固部分的长度，Wl为镶固部分的宽度)。此种镶固部分的横断面轮廓为非圆形的牙齿，其上部出露部分的齿顶宽可沿下部镶固部分的长度方向设计得很长，齿顶宽可明显长于常规牙齿，且下部镶固部分的长度可为适应齿顶宽的加长而加长。即镶固部分横断面为非圆形为牙齿的长齿顶宽提供了便利和条件。对于每一横镶牙齿，及多个连续横镶牙齿的联合而言，其在井底的工作模式为近似纯滚动的碾压、劈裂，利用横镶牙齿对岩石的大的接触应力和挤压来破碎岩石，即以接近静压的方式压碾、劈裂破岩，破岩方式与普通牙轮钻头有明显区别。与现有技术相比，其有益效果是: (I)本发明的复合钻头，其提出了一种新的牙轮结构形式，该结构形式的宽齿牙轮突破现有技术对镶齿牙轮钻头的种种惯性思维，采用横镶牙齿，利用牙轮上的横镶牙齿对岩石的碾压、劈裂来破岩，与常规牙轮钻头的冲击压碎破岩方式有本质的不同。当横镶牙齿的齿顶线垂直于或接近垂直于牙轮母线时，牙齿接触井底的时间明显变长，牙轮由于牙齿交替而产生的纵向(即钻头轴向)振动明显变弱，对于每一横镶牙齿而言，利用横镶牙齿对岩石的大的接触应力和挤压来破碎岩石，从而实现以接近静压的方式压碾、劈裂破岩的目的，对硬岩特别是硬脆性岩石的破岩效率高。进一步地，横镶牙齿的下部镶固部分的横断面轮廓为非圆形，由此下部镶固部分可沿齿顶宽度方向加长，以适应齿顶宽度的增加，改善齿顶宽度增加后下部镶固部分的受力，可提高牙齿与牙轮齿孔之间的镶固可靠度，便于齿顶宽度的增加。采用横镶牙齿，同齿圈上相邻齿之间的空当较小，进而较长齿顶的横镶牙齿形成一个个接近圆形的齿盘，更有利于前述以接近静压的方式压碾、劈裂破岩目的的实现，前述下部镶固部分的横断面轮廓为非圆形则为该目的的实现进一步提供更优势的基础。而且，由于本发明的牙轮以近似纯滚动的碾压、劈裂方式作用于岩石，牙轮工作平稳，牙轮由于牙齿交替而产生的纵向振动明显变弱，钻头振动小，有利于提高轴承的寿命，减少牙齿的静强度失效和疲劳强度失效，延长牙轮部分的寿命；同时牙轮工作平稳，钻头振动小，由此使得与其复合的固定切削齿的工作状况优于现有牙轮-PDC复合钻头的固定切削齿工况，既有利于固定PDC齿的稳定刮切，提高破岩效率，又能减少固定PDC齿的冲击损坏，延长固定切削结构的寿命。由此本发明牙轮牙齿、轴承及固定切削齿的使用寿命将均得以延长，使得钻头整体寿命明显优于现有牙轮-PDC复合钻头，且钻头钻进时稳定性好，钻进效率更高。如上所述，该方案在打破现有技术惯性思维，提出上述创新思维的同时，相比现有复合钻头，既使得牙轮部分取得了更良好的工作效果，同时又解决了现有复合钻头因复合导致的对固定切削结构的不利影响，取得了预料不到的1+1>>2的效果。(2)本发明的牙轮以近似静压的方式压碾、劈裂破岩，在井底岩石上碾压、劈裂出一圈圈的圆环型破碎带,牙轮齿圈以极大的接触应力作用于岩石,不仅会形成破碎槽,还会在破碎槽的底部及周边未破碎的岩石上碾压出破损裂纹和扩展裂纹。已形成的破碎槽和裂纹，使固定切削结构上的固定切削齿更易于吃入井底岩石和刮切破岩，进一步提升了固定切削结构的破岩能力。本发明牙轮碾压、劈裂破岩方式和固定切削结构的刮切破岩方式相结合能明显提高钻头的破岩效率。(3)本发明牙轮上的横镶牙齿的牙齿齿顶线垂直于或接近垂直于牙轮母线，从而能在实现碾压、劈裂破碎岩石的同时，显著降低牙齿相对于井底岩石的滑移。本发明牙齿与岩石的互作用方式及破岩机理与常规牙轮钻头相比发生了明显的改变，其全新的布齿方式、齿形和破岩方式，减小了牙轮上的牙齿对岩石的冲击和滑移刮切，能明显改善牙齿的受力情况和磨损，提高牙齿的寿命，特别适宜于在研磨性强的硬地层钻进。(4)本发明牙轮工作平稳，减小了钻头牙齿与岩石相互作用时的动载，牙齿破碎岩石时所受的载荷比普通牙轮钻头牙齿破岩时受的载荷平稳，有利于增强牙齿镶固的可靠性，减少镶齿的掉落和断裂。作为优选，所述横镶牙齿的4分齿顶宽度不小于牙齿镶固部分的宽度。上述方案中，横镶牙齿的4分齿顶宽度不小于牙齿镶固部分的宽度，使同齿圈上的相邻镶齿间的空当间隔大大减小，减小了齿圈的不连续性，实现齿圈牙齿良好地以滚动碾压、劈裂的方式破碎岩石，复合钻头工作稳定性好，上述有益效果更好。作为优选，所述横镶牙齿的镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的齿状直纹条(简称条齿)，且横镶牙齿通过镶固部分柱面上的齿状直条嵌入牙轮齿孔壁的方式，或齿状直条与牙轮齿孔形成多点接触式的过盈配合方式镶固于牙轮的齿孔内。如图20，横镶牙齿的下部镶固部分的柱面上设置有多个平行于牙齿轴线的条齿，分布在镶固部分柱面上的条齿呈锯齿状，与直齿轮的轮齿相似。当牙齿镶固部分的柱面上设置有条齿时，镶固部分的横断面轮廓是指由各条齿的顶点所形成的包络线的轮廓。牙齿镶固部分的横断面轮廓的形状与牙轮齿孔形状相似，但径向尺寸大于牙轮齿孔的径向尺寸。当两者径向尺寸的偏差较大时(特别是当条齿顶部较尖锐时)，在牙齿压入牙轮齿孔的过程中，条齿会嵌入或侵入齿孔的孔壁，从而实现牙齿的镶固；当两者径向尺寸的偏差较小时(特别是当条齿顶部较钝时)，在牙齿压入牙轮齿孔的过程中，各条齿的顶部与齿孔的孔壁形成多点接触式的过盈配合，这样也可实现牙齿的镶固。现有镶齿牙轮钻头牙轮上的牙齿下部镶固部分均为圆柱形，牙齿通过面接触过盈配合方式镶固于牙轮上，牙齿与牙轮齿孔间的过盈配合量要求非常高，过盈量决定牙齿镶固的强度和可靠性。过盈量太大将引起牙轮齿孔变形过大，易引起牙轮齿孔开裂，影响固齿强度、固齿可靠性和牙轮壳体强度；过盈量太小，固齿强度不够，牙齿镶固不牢，可靠性低。因此，这种镶固方式对齿孔与牙齿柱面的尺寸精度、公差要求和表面粗糙度等加工质量要求均较高，为便于加工及保证镶固质量，一般过盈配合均采用圆柱形，牙齿均需进行精磨加工。为便于增加齿顶宽度，本发明的横镶牙齿的下部镶固部分的横断面轮廓为非圆形，为保证镶嵌可靠度和镶嵌质量，牙齿的镶固部分的柱面上设有条齿，采用嵌入或多点接触过盈配合的方式镶固于牙轮的齿孔内。采用这种方式固齿，对牙齿与齿孔的径向尺寸差(过盈量)、形位精度以及表面质量的宽容度明显增大，可大大降低牙齿及齿孔的加工尺寸(精度、公差)要求、表面粗糙度等加工质量要求，易于实现牙齿非圆形柱状制造成型，同时也能保证牙齿的镶嵌可靠度和镶嵌质量。作为进一步优选，所述牙轮上的横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是80。≤I α I ≤90。。横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是80° ( | α | <90°，能使齿圈上相邻齿间的空当间隔更小，减小齿圈的不连续性，齿圈的齿顶轮廓更接近于圆形，复合钻头工作稳定性好，上述有益效果更好。作为优选，所述横镶牙齿的4分齿顶宽度大于等于镶固部分的长度。上述方案中，齿顶宽度W等于镶固部分的长度LI时，便于牙齿外表面的精加工，生产制造时易于对牙齿与牙轮齿孔之间过盈量的控制；便于控制牙齿的加工尺寸和牙齿的镶固质量。上述方案中齿顶宽度W大于镶固部分的长度LI，进一步突破现有技术牙齿尖锐形式的惯性思维，形成一上大下小的类似蘑菇状。较大的齿顶宽度能明显减小齿圈相邻齿的空当间隔和齿圈的不连续性，齿圈的齿顶轮廓更接近于圆形，更便于牙轮上的牙齿以滚动碾压、劈裂方式作用于岩石，易于达到以静压方式压碾、劈裂破岩的效果。该结构的横镶牙齿可在不增加镶固部分尺寸、牙轮齿孔尺寸，及不减小牙轮齿孔间的间距的前提下达到增大齿顶宽度的目的，其在保证了牙齿镶固可靠度的同时还保证了牙轮壳体的强度。该结构的横镶牙齿有众多的结构形式 ，其中有几种较佳的结构:本发明该结构横镶牙齿的一种，横镶牙齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面边缘轮廓为圆形；本发明该结构横镶牙齿的一种，横镶牙齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面边缘轮廓为键形。这种下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡的横镶牙齿，其台阶面可坐压在牙轮齿孔的孔口面上，使牙齿工作时的轴向压力通过齿孔孔口面来承担，不再由齿孔低的牙轮壳体来承担。这样，牙齿工作时作用于牙轮壳体的载荷将大大改善，能明显提高牙轮体的载荷分布均匀度和壳体的可靠性及安全性；或，可减小牙轮齿孔孔底与牙轮内轴承孔之间的厚度，从而增大牙轮内轴承孔的尺寸，即增大牙轮内轴承的尺寸，提高牙轮轴承的强度和使用寿命，进而延长钻头使用寿命。作为优选，所述横镶牙齿的齿顶为沿齿的轴线方向向上凸起的弧形。上述方案中，横镶牙齿的齿顶采用弧形时，同一齿圈上的横镶牙齿的齿顶所组成的齿圈(轮廓)更接近圆形，有利于牙轮的平稳工作，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，有利于齿圈及牙轮以静压方式压碾、劈裂破岩，有利于提高轴承和牙齿的寿命，并提高复合钻头工作稳定性。作为优选，所述横镶牙齿的齿顶顺着齿顶宽方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形。上述方案中，由于牙轮齿圈上的牙齿轴线往往与牙轮轴线不垂直，特别是靠近牙轮尖部的齿圈牙齿的轴线与牙轮轴线夹角较小，当齿圈周长较小，齿圈上齿数较少时，齿圈圆度较差。将横镶牙齿的齿顶宽方向的轮廓沿齿的轴线方向的投影设计为圆弧形，能改善齿圈的圆度，使齿圈(轮廓)更接近于圆形，有利于牙轮的平稳工作，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，有利于提高轴承和牙齿的寿命，并提高复合钻头工作稳定性。作为优选，所述牙轮上不同齿圈的横镶牙齿全部或部分交错布置。上述方案中，牙轮为旋转锥形体，牙轮在井底滚动破岩时，各齿圈上的牙齿从一颗滚动轮换到另一颗，不同齿圈的横镶牙齿交错布置，不同齿圈上的齿能相互弥补齿圈因同齿圈镶齿间间隔空当引起的齿圈不圆度，使牙轮工作更平稳，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，有利于提高轴承和牙齿的寿命。而且，牙轮上横镶牙齿的齿顶线垂直于或接近垂直于牙轮母线，牙齿接触井底的时间明显变长，牙轮由于牙齿交替而产生的纵向振动明显变弱，特别是当两个齿圈上的横镶牙齿在牙轮圆周方向上彼此交错布置时，牙轮的纵向振动更弱，牙轮工作平稳，纵向振动小，有利于提高轴承的寿命，减少牙齿的静强度失效和疲劳强度失效，并提高复合钻头工作稳定性。作为优选，所述横镶牙齿的齿顶两端(沿齿顶宽的两端)设有倒圆角或倒角。上述方案中，横镶牙齿的齿顶两端如不设倒圆角或倒角过渡，齿顶两端将为尖角，牙齿与岩石作用破岩时，尖角处易形成应力集中，易使齿顶端部疲劳损坏或局部断裂。齿顶两端设倒圆角或倒角，能有效改善齿顶端部的应力分配降低应力集中，延长牙齿使用寿命。作为优选，所述牙轮上的齿圈与所述固定切削结构上的固定切削齿径向同轨布置。同轨是指切削齿在钻头上的径向位置相同，即距钻头轴线距离相等。牙轮齿圈与固定切削齿径向同轨布置时，齿圈上的齿与固定切削齿在井底同一环形区域上轮流作用破岩。井底岩石被牙轮上的牙齿碾压、劈裂后，在碾压、劈裂出的破碎槽上固定切削齿再进行刮切，切削齿同轨布齿有利于固定切削齿的吃入，便于提高钻头的破岩效率。作为优选，所述牙轮上的横镶牙齿的4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分宽度的四分之一。横镶牙齿的4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分宽度的四分之一，即横镶牙齿的齿顶厚度较小，在该临界值下，更有利于牙齿滚动碾压时对岩石的挤压劈裂作用，提高钻头牙轮的破岩效率，特别是对高硬度难钻地层，破岩效果更好，从而提高复合钻头的破岩效率。作为优选，所述钻头体上的每个牙轮的偏移值不大于钻头直径的1.5%。该临界值下的牙轮的偏移值，使齿圈及牙轮以纯滚动或更接近纯滚动的形式滚动工作，更有利于齿圈及牙轮以滚动碾压、劈裂的方式破碎岩石；同时，还能减少牙轮上牙齿的滑移刮切，减少牙齿的磨损，延长牙齿使用寿命。牙轮上的横镶牙齿的牙齿齿顶线垂直于或接近垂直于牙轮母线，同时牙轮的偏移值很小，在实现碾压、劈裂破碎岩石的同时，还能显著降低牙齿相对于井底岩石的滑移。本发明牙轮上的牙齿与岩石的互作用方式及破岩机理与常规牙轮钻头相比发生了明显的改变，其全新的布齿方式、齿形和破 岩方式，减小了牙轮上的牙齿对岩石的冲击和滑移刮切，能明显改善牙齿的受力情况和磨损，提高牙齿的寿命，特别适宜于在硬地层及研磨性强的硬地层中钻进。作为优选，所述横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是85° ≤| α | ≤90°，且钻头体上牙轮的偏移值不大于钻头直径的0.5%。理论上来说，钻头牙轮上横镶牙齿的齿顶偏转角越接近90°、牙轮的偏移值越小，齿圈的连续性越好、齿圈的齿顶轮廓越接近于圆形。在该方案的各参数的组合临界值之上，最有利于牙轮的平稳工作，减少牙齿的冲击载荷，降低牙轮工作时的载荷波动，提高复合钻头的工作稳定性；同时最有利于牙轮齿圈以静压方式压碾、劈裂破岩，破岩效率最高，并显著提高轴承和牙齿的寿命，复合钻头破岩效率高。更优选，所述横镶牙齿的齿顶偏转角α=90°，且钻头上牙轮不偏移(偏移值为O)。在钻头其他几何参数不变，牙齿尺寸也不变时，齿顶偏转角α=90°能使齿间空当最小，齿圈的连续性最好，齿圈的齿顶轮廓最接近于圆形；牙轮不偏移，能使牙轮纯滚动效果最好。齿顶偏转角α=90°、牙轮不偏移，是实现齿圈及牙轮以纯滚动(或接近纯滚动)碾压、劈裂破碎岩石的极优参数，钻头破岩效率高。作为优选，所述横镶牙齿沿齿顶厚度方向上的两个侧面为内凹曲面，且牙齿的4分齿顶宽度不小于牙齿镶固部分宽度、4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分宽度的四分之一。牙轮牙齿沿齿顶厚方向上的两个侧面为内凹曲面，在纵向(沿牙齿轴线方向)上牙齿齿顶厚度较小，从齿顶往下齿厚的增加缓慢，其有利于牙齿碾压、压入岩石，并有利于牙齿压入后对岩石的挤压劈裂作用；且其有利于牙齿在磨损时减缓牙齿齿顶厚度的增大，使牙轮牙齿持续保持较小的齿顶厚，延长牙轮牙齿对岩石的压入、挤压、劈裂破碎效果。作为优选，所述横镶牙齿的下部镶固部分的横截面的轮廓由两边圆弧中间直线段连接而成，即为键形。作为优选，所述异型宽镶齿的下部镶固部分的横截面的轮廓为两端圆弧中间由圆弧段连接而成。
上述两方案中，横镶牙齿的下部镶固部分的横截面的轮廓由两边圆弧中间直线段连接而成，即为键形；或异型宽镶齿的下部镶固部分的横截面的轮廓为两端圆弧中间由圆弧段连接而成时。这两种轮廓的柱面较其他非圆形轮廓的柱面加工难度要低，加工时易于操作和实现，工艺性好。它们所对应的齿孔也易于铣削加工，加工工艺性好。
图1为本发明宽齿牙轮复合钻头的结构示意图。图中，复合钻头上设置两固定翼固定切削结构和两牙轮，两固定翼和两牙轮相间布置。图2为本发明图1所示结构沿钻头轴线俯视(逆钻头钻进方向看)时的视图，即俯视图。图3为本发明宽齿牙轮复合钻头的牙轮的牙齿齿圈与固定切削结构上的固定切削齿沿钻头径向覆盖的示意图。 图4为牙齿4分齿顶宽度W及厚度T (以楔形齿为例)示意图。图5为现有牙轮钻头上的镶齿的齿顶无偏转镶固或齿顶有较小偏转角(I α<50° )镶固时的示意图。图6为本发明横镶牙齿的齿顶线与牙轮的轮锥母线夹角(齿顶偏转角)α的取值范围是70。彡I α I < 90。或α =90°时的示意图。图7为钻头上的牙轮偏移时的示意图。图8为本发明图1所示结构钻头的某牙轮沿牙轮轴线从牙轮尖部向牙轮底看时的示意图。图9为宽齿牙轮复合钻头上设置三固定翼固定切削结构和三牙轮时的钻头俯视图。固定翼和牙轮之间均相间布置。图10为本发明横镶牙齿镶固于牙轮非圆形齿孔后，垂直牙齿轴线剖切时的局部首1J视图。图11为本发明横镶牙齿的镶固部分的横截面的轮廓(及牙轮齿孔的横截面轮廓)为两端圆弧中间由圆弧段连接而成时的示意图。图12为本发明的横镶牙齿4分齿顶宽度W等于齿的镶固部分长度LI，但大于镶固部分宽度Wl时的横镶牙齿结构示意图。图13为图12所示横镶牙齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。图14为图12所示横镶牙齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。图15为本发明蘑燕状横镶牙齿的一种,横镶牙齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为键形时的横镶牙齿示意图。图16为图15所示横镶牙齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。图17为本发明蘑燕状横镶牙齿的一种,横镶牙齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为圆形时的横镶牙齿示意图。图18为图17所示横镶牙齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。图19为图15或图17所示蘑菇状横镶牙齿镶固于牙轮非圆形齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。图20为本发明的牙轮上采用镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的齿状直条(简称条齿)的横镶牙齿，横镶牙齿未压入牙轮上的齿孔内前，齿孔轮廓大小处于横镶牙齿镶固部分条齿的齿顶轮廓与凹底轮廓之间的示意图。图21为本发明牙轮上采用镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿的轴线的条齿的横镶牙齿，横镶牙齿镶固于牙轮非圆形齿孔后，垂直牙齿轴线剖切时的局部剖视图。图22为本发明横镶牙齿镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的条齿，横镶牙齿齿顶宽度等于牙齿的镶固部分长度但大于镶固部分宽度时的横镶牙齿结构示意图。图23为图22所示横镶牙齿镶固于牙轮齿孔后，沿牙齿轴线剖切时的局部剖视图。图24为本发明蘑菇状横镶牙齿的一种，横镶牙齿镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的条齿，横镶牙齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为键形，齿顶宽度大于下部镶固部分长度时的横镶牙齿示意图。图25为本发明蘑菇状横镶牙齿的一种，横镶牙齿镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的条齿，横镶牙齿的下部镶固部分与上部出露部分经台阶过渡，台阶面轮廓为圆形，齿顶宽度大于下部镶固部分长度时的横镶牙齿示意图。图26为图24或图25所示横镶牙齿镶固于牙轮齿孔后,沿牙齿轴线剖切时的局部首1J视图。图27为横镶牙齿以条齿嵌入牙轮齿孔壁的方式镶固于牙轮齿孔内的示意图。图28为横镶牙齿以条齿与牙轮齿孔形成多点接触式的过盈配合方式镶固于牙轮齿孔内的不意图。图29为本发明的横镶牙齿沿齿顶厚度方向上的两个侧面为内凹曲面，沿牙齿齿顶宽度方向看时的牙齿示意图。图30为本发明宽齿牙轮复合钻头的牙轮上采用图15或图24所示蘑菇状横镶牙齿时的钻头俯视图。图31为本发明横镶牙齿的齿顶顺着齿顶线方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形时的结构不意图。图32为图31所示结构横镶牙齿沿牙齿轴线从牙齿顶部向齿底看时的示意图。
具体实施例方式下列非限制性实施例用于说明本发明。如图1至图32所示，基本例为:包括钻头体1、固定切削结构4和至少一个牙轮2，牙轮2和固定切削结构4布置在钻头体I上，固定切削结构4上设置有固定切削齿41，牙轮通过轴承结构与钻头体I形成转动连接，牙轮2上镶固有横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α I ( 90°，横镶牙齿3的镶固部分31的横断面轮廓为非圆形。作为优选，横镶牙齿3可以为硬质合金齿、用金刚石加强的硬质合金齿、孕镶金刚石齿等。本发明方案的每一横镶牙齿均可实现其作用，为了便于示例，各图中均采用最常见的双牙轮+双固定翼的复合钻头或三牙轮+三固定翼的复合钻头，每一牙轮的各齿圈均为横镶牙齿，其并不代表与基本例以及其他优选例的冲突，仅为直观示例，本领域技术人员不存在理解障碍。作为基本例的优选一，横镶牙齿3的4分齿顶宽度W不小于牙齿镶固部分31的宽度Wl。作为优选一的更优选，钻头体I上的至少一个牙轮2上至少有I个齿圈上，横镶牙齿3数目占所在齿圈牙齿数的比率至少为50%。进一步优选，钻头体I的至少一个牙轮2上至少有I个齿圈均采用横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α I ( 90° ;作为进一步优选，钻头体I上的每个牙轮都至少有I个齿圈采用横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α | <90°。作为更优选，钻头体I上的每个牙轮都至少有I个齿圈采用4分齿顶宽度W不小于牙齿镶固部31的宽度Wl的横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° < | α | < 90°。作为进一步优选，钻头体I上的每个牙轮都至少有I个齿圈采用4分齿顶宽度W不小于牙齿镶固部分31宽度Wl的横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是80° ( I α I ( 90°。更优选，钻头体I上的每个牙轮都至少有I个齿圈采用4分齿顶宽度W不小于牙齿镶固部分31的宽度Wl的横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是80。( I α I彡90。。如图6、图9至图18所示。作为优选二，横镶牙齿3的4分齿顶宽度W大于等于镶固部分31的长度LI。更优选，横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是80° ( I α | <90°。横镶牙齿3的4分齿顶宽度W等于镶固部分的长度，图12至14所示。横镶牙齿3的4分齿顶宽度W大于镶固部分31的长度LI，形成一上大下小的类似蘑菇状，如图15至19所示。图15、16所示为本发明蘑菇状横镶牙齿3的一种，横镶牙齿3的下部镶固部分31与上部出露部分经台阶过渡，台阶面边缘轮廓为键形。图17、18所示为本发明蘑菇状横镶牙齿3的一种，横镶牙齿3的下部镶固部分31与上部出露部分经台阶过渡，台阶面边缘轮廓为圆形。作为优选三，横镶牙齿3的齿顶为沿齿的轴线方向向上凸起的弧形，如图14、19所示，横镶牙齿3的齿顶为圆弧状。作为优选四，横镶牙齿3的齿顶顺着齿顶宽方向的轮廓线沿齿的轴线方向的投影为圆弧形，如图30、31所示，其能改善齿圈的圆度。作为优选五，牙轮2上的不同齿圈的横镶牙齿3全部或部分交错布置。不同齿圈可以齿数相等，不同齿圈的每一横镶牙齿间均交错；也可齿数不等，如内圈相对外圈每隔2个齿或更多齿交错，或者间隔I个与多个的混杂方式等。如图8所示，牙轮2上的第一、二排(靠牙轮底面的为第一排)齿圈的横镶牙齿3在牙轮轮锥周向上相互错位布置。作为优选六，横镶牙齿3的齿顶两端(沿齿顶宽的两端)设有倒圆角或倒角，如图14、19所示。作为优选七，所述横镶牙齿3的镶固部分的柱面上设置有平行于牙齿轴线的齿状直条(简称条齿)(如图22、24、25)，且横镶牙齿3通过镶固部分31柱面上的条齿嵌入牙轮齿孔壁的方式(如图21、27)，或条齿与牙轮齿孔形成多点接触式的过盈配合的方式镶固于牙轮2的齿孔内(如图28)。此时，镶固部分的长度或宽度按照其横截面的条齿凸顶轮廓进行计算，如图20所示，镶固部分的长度或宽度为条齿凸顶轮廓311 (所围成区域)的长度或览度。
作为优选八，所述横镶牙齿3的4分齿顶宽度大于等于镶固部分31的长度LI。如12、22所不，横镶牙齿3的4分齿顶宽度等于镶固部分31的长度LI ;如15、17、24、25所不，横镶牙齿3的4分齿顶宽度大于镶固部分31的长度LI。
作为优选九，所述牙轮2上的齿圈与所述固定切削结构4上的固定切削齿41径向同轨布置。如图3所示，牙轮上的齿圈3a与固定切削齿41a径向同轨布置。作为优选十，所述横镶牙齿3的下部镶固部分31的横截面的轮廓由两边圆弧中间直线段连接而成，如图10、13、16、18、21所示。或者,如图11所示，图中横镶牙齿3镶固部分31的横截面的轮廓(及牙轮齿孔的横截面轮廓)由两边圆弧中间圆弧段连接而成。作为基本例及其优选一至十中任一的更优选A，钻头体I上的每个牙轮2的偏移值不大于钻头直径的1.5%。作为基本例及其优选一至十中任一的更优选B，牙轮2上的横镶牙齿3的4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分31宽度的四分之一,如图13、16、18所不。作为更优选A或B的进一步优选，钻头体I上至少有50%的齿圈采用横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是85° ( I α | <90°，且钻头体I上牙轮2的偏移值不大于钻头直径的0.5%。更优选，钻头体I上至少有50%的齿圈采用横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α =90° (即横镶牙齿3的齿顶线与牙轮2的轮锥母线垂直)，且钻头体I上牙轮2不偏移(偏移值为0)，如图1、2、8、9、30所示。更优选，横镶牙齿3沿齿顶厚度方向上的两个侧面为内凹曲面(如图29),且牙齿的4分齿顶宽度W不小于牙齿镶固部分31宽度Wl、4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分31宽度Wl的四分之一。需要特别声明的是，以上基本例及其各优选既为本发明的若干实施例，同时也是各种可选实施手段，本领域技术人员可知，上述各种可选实施手段可以进行各种可行的自由组合，由此可以产生更多的实施例，其均应在本发明的保护范围内，并用以支持权利要求的保护:
比如，优选一至十之间的任意组合即可成为若干实施例；乃至，优选一的更优选(如，钻头体I上的至少一个牙轮2上至少有I个齿圈均采用横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α I ( 90° ;或，钻头体I上的每个牙轮2都至少有I个齿圈采用横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α | <90° ;或，钻头体I上的每个牙轮都至少有I个齿圈采用4分齿顶宽度W不小于牙齿镶固部分31的宽度的横镶牙齿3，且横镶牙齿3的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α | <90° ;等等)，也可与优选二至十之间任意组合，成为更多的实施例。在此不作更多的穷尽举例，本领域技术人员可知其他的更多组合方式。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、组合、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种宽齿牙轮复合钻头，包括钻头体(I)、固定切削结构(4)和至少一个牙轮(2)，所述牙轮(2)和所述固定切削结构(4)布置在所述钻头体(I)上，所述固定切削结构(4)上设置有固定切削齿(41)，所述牙轮(2)通过轴承结构与所述钻头体(I)形成转动连接，其特征在于:所述牙轮(2)上镶固有横镶牙齿(3)，且横镶牙齿(3)的齿顶偏转角α的取值范围是70° ( I α I <90。，横镶牙齿的镶固部分(31)的横断面轮廓为非圆形。
2.按权利要求1所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述横镶牙齿(3)的4分齿顶宽度不小于牙齿镶固部分(31)的宽度。
3.按权利要求1所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述横镶牙齿(3)的镶固部分(31)的柱面上设置有平行于牙齿的轴线的齿状直条，且横镶牙齿(3)通过镶固部分(31)柱面上的齿状直条嵌入牙轮(2)齿孔壁的方式，或齿状直条与牙轮(2)齿孔形成多点接触式的过盈配合方式镶固于牙轮(2)的齿孔内。
4.按权利要求1所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述牙轮(2)上的齿圈与所述固定切削结构(4 )上的固定切削齿(41)径向同轨布置。
5.按权利要求1所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述横镶牙齿(3)的4分齿顶宽度大于等于镶固部分(31)的长度。
6.按权利要求1所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述牙轮(2)上的不同齿圈的横镶牙齿(3)全部或部分交错布置。
7.按权利要求1至6中任一权利要求中所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述牙轮(2)上的横镶牙齿(3)的4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分(31)宽度的四分之一。
8.按权利要求1至6中任一权利要求中所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述钻头体(I)上的每个牙轮(2)的偏移值不大于钻头直径的1.5%。
9.按权利要求7或8所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述横镶牙齿(3)的齿顶偏转角α的取值范围是85° ( I α | <90°，且钻头体(I)上牙轮(2)的偏移值不大于钻头直径的0.5%。
10.按权利要求9所述的宽齿牙轮复合钻头，其特征在于:所述横镶牙齿(3)沿齿顶厚度方向上的两个侧面为内凹曲面，且牙齿的4分齿顶宽度不小于牙齿镶固部分(31)宽度、4分齿顶厚度不大于牙齿镶固部分(31)宽度的四分之一。
全文摘要
本发明公开了一种宽齿牙轮复合钻头，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，具体的讲涉及一种宽齿牙轮复合钻头。包括钻头体、固定切削结构和至少一个牙轮，牙轮和固定切削结构布置在钻头体上，固定切削结构上设置有固定切削齿，牙轮通过轴承结构与钻头体形成转动连接，牙轮上镶固有横镶牙齿，且横镶牙齿的齿顶偏转角α的取值范围是70°≤|α|≤90°，横镶牙齿的镶固部分的横断面轮廓为非圆形。本发明提出一种新的牙轮结构形式，该复合钻头，牙轮工作平稳，钻头工作稳定性好，相对现有复合钻头具有更高破岩效率的同时，还具有更长的钻头牙齿和轴承的寿命，从而具有更长的钻头使用寿命。
文档编号E21B10/16GK103089153SQ201310063630
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者杨迎新, 陈炼, 任海涛, 林敏 , 包泽军, 石擎天, 张春亮, 牛世伟 申请人:西南石油大学