一种钢镶混合布齿牙轮钻头的制作方法

本实用新型涉及一种用于石油天然气和采矿钻井领域的牙轮钻头，尤其涉及一种钻铣桥塞作业等使用的钢镶混合布齿牙轮钻头。

背景技术：

现有的牙轮钻头至少包括一个牙掌2和一个牙轮3，通常的牙轮钻头包括三个牙掌和三个牙轮。现有的牙轮钻头的牙轮切削齿有钢齿和镶齿两种，钢齿牙齿表面敷焊有耐磨材料，镶齿牙齿材料为硬质合金，采用钢齿切削结构的牙轮钻头为钢齿牙轮钻头，采用镶齿切削结构的牙轮钻头为镶齿牙轮钻头。每个牙轮包含多个牙齿齿排，位于牙轮钻头最外侧的齿排为外排齿，位于牙轮钻头最内侧靠近钻头中心的齿排为顶排齿，其余齿排为内排齿。

钻井过程中，钻头通过螺纹连接在钻杆或螺杆等钻具上，当转盘或顶驱带动钻杆旋转，或者螺杆等钻具进行动力输出时，钻头发生旋转，在一定的钻压作用下破碎地层，形成桶状井眼。

近年来，随着页岩气开发及钻井工艺的变化，桥塞被大量用于石油勘探开发过程中分层注水、分层试油、分层压裂酸化、分层生产及封闭水层、封闭干层和封闭废弃层等的封层作业，牙轮钻头的使用领域也逐步扩展到钻铣桥塞作业，牙轮钻头钻铣桥塞作业示意图如图1所示。从钻塞效率、钻塞效果、成本等多方面因素考虑，目前用于钻铣桥塞作业的钻头主要为钢齿牙轮钻头。

桥塞坐封时，通过中心管与外套件的相对运动，使推筒运动压缩胶筒和上下卡瓦，胶筒胀开贴紧套管壁，达到封隔上下层的目的。卡瓦由多个小铸铁块组装而成，硬度较高，是桥塞最难钻除的材料，易造成牙轮钻头钢齿敷焊层崩落或严重磨损，由于牙轮外排齿及次外排齿直接作用于位于桥塞外圈的铸铁卡瓦，易出现钻头缩径及轴承旷动的情况，严重影响钻头的使用寿命。

现有牙轮钻头存在的不足是：在钻铣桥塞等领域，虽然钢齿牙轮钻头在钻塞效率、钻塞效果和成本方面有着较大的优势，但钻遇铸铁卡瓦时牙轮钢齿容易发生耐磨敷焊层崩落和严重磨损，单只钻头的钻塞数量及钻头使用可靠性均较低。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种钢镶混合布齿牙轮钻头，它不仅具有较高的机械钻速或钻塞效率，而且耐磨性强，使用寿命长。

本实用新型所采用的技术方案为：一种钢镶混合布齿牙轮钻头，其包括至少一个牙掌和牙轮，在牙轮上安设有钢齿齿排，其特征在于：在牙轮上的至少一排钢齿的牙齿之间镶装有硬质合金齿，形成钢齿、镶齿混合布齿齿排。

按上述技术方案，所述混合布齿齿排安设在牙轮的外排或内排。

按上述技术方案，在牙轮上设有一个或一个以上的混合布齿齿排。

按上述技术方案，所述混合布齿齿排的两相邻钢齿牙齿之间布设有一颗或一颗以上的硬质合金齿。

按上述技术方案，所述混合布齿齿排中的钢齿牙齿的出露高度大于或等于本齿排硬质合金齿的出露高度，出露高度差在0～10mm之间。

按上述技术方案，所述钢齿齿排中的牙齿采用直钢齿、斜钢齿中的一种或两种结构布置。

按上述技术方案，所述直钢齿与牙轮轴线夹角为0°，斜钢齿与牙轮轴线形成一倾斜角度α。

按上述技术方案，α的取值范围为15°～45°。

按上述技术方案，所述钢齿牙齿的表面设有耐磨敷焊层，所述耐磨敷焊层为全包耐磨敷焊层或半包耐磨敷焊层。

按上述技术方案，所述混合布齿齿排中硬质合金齿直径的取值范围为4～50mm。

本实用新型所取得的有益效果为：

1、在钻铣桥塞作业时，实用新型的钢镶混合布齿齿排覆盖桥塞铸铁卡瓦范围，可有效提高相应齿圈的耐磨能力，避免钢齿牙齿敷焊层崩落和严重磨损，避免发生钻头缩径，从而达到提高牙轮钻头使用寿命、提高单只钻头钻塞数量的目的；

2、混合布齿齿排中，钢齿的较高的出露高度可保证牙轮钻头具有较高的机械钻速或钻塞效率；

3、斜钢齿的结构可有效提高长度，更长的钢齿之间可以镶装更多数量的硬质合金齿，提高布齿密度，进而增强本齿圈的耐磨能力。

附图说明

图1为牙轮钻头钻铣桥塞作业示意图。

图2为本实用新型的一个实施例的钢镶混合布齿牙轮钻头结构示意图。

图3为本实用新型的一个实施例的钢镶混合布齿牙轮钻头仰视图。

图4a-4c为本实用新型中钢镶混合布齿牙轮钻头钢齿敷焊方式示意图。

图5a-5d为本实用新型中例举的钢镶混合布齿牙轮钻头牙轮布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图2、3所示，该实施例的钻头为直径120.65mm(4 3/4")的钢镶混合布齿牙轮钻头，包括三个牙掌2和三个牙轮3，在牙轮上安设有钢齿齿排，在牙轮上的至少一排钢齿4的牙齿之间镶装有硬质合金齿5，形成钢齿、镶齿混合布齿齿排，钢齿4牙齿的表面敷焊耐磨材料，形成牙齿的耐磨敷焊层，并可以采用全包耐磨敷焊层(如图4a)或半包敷耐磨敷焊层(如图4b、4c)进行敷焊，本实施例中所述的钢齿表面采用了全包耐磨敷焊层(如图4a)。

钻井或钻桥塞过程中，钻头通过钻头1上部的螺纹连接在钻杆或螺杆等钻具上，当转盘或顶驱带动钻具旋转，或者螺杆等钻具进行动力输出时，钻头1发生旋转并按预定的路线钻进，牙轮3上的钢齿4和硬质合金齿5不断冲击岩石或桥塞，进而破碎岩石或桥塞。

如图3所示，所述的钻头的三个牙轮采用了3-2-2的齿排数，在每个牙轮的外排和内排均设置有混合布齿齿排。外排设置的硬质合金齿齿数分别为9颗、12颗和9颗，内排设置的硬质合金齿齿数为6颗。其中，硬质合金齿5直径的取值根据牙轮钻头直径及铸铁卡瓦的厚度进行确定。优选，本实施例中所述的硬质合金齿直径选取8mm和9.5mm这两种尺寸。

所述的混合布齿齿排中，钢齿牙齿的出露高度均高于本齿排硬质合金齿，出露高度差在0.5～5mm之间，较高的出露高度可保证牙轮钻头具有较高的钻塞效率。

如图5a-5d所示，所述的钻头的三个牙轮的钢齿采用了直钢齿4a和斜钢齿4b两种结构形式，所述的直钢齿与牙轮轴线夹角为0°，所述的斜钢齿与牙轮轴线形成±27°的倾斜角度(如图中斜钢齿4b与牙轮轴线夹角为27°，图中斜钢齿4c与牙轮轴线夹角为-27°)。斜钢齿布置方式可以有效的提高布设硬质合金齿的密度，进而增强本齿圈的耐磨能力。