钻探用镶齿、牙轮钻头及钻探用镶齿的加工方法与流程

本发明涉及技术钻探设备领域，特别涉及一种钻探用镶齿。本发明还涉及一种包括上述钻探用镶齿的牙轮钻头。本发明还涉及一种钻探用镶齿的加工方法。

背景技术：

牙轮钻头是石油钻井和地质钻探中的重要工具之一，其中镶齿牙轮钻头上的牙齿是镶装在牙轮外锥面以破碎地层的硬质合金齿。在工程钻井破岩过程中，牙齿对岩石产生压入、压碎、剪切以及冲击作用。牙轮钻头由切削结构、轴承结构、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等二十多种零部件组成。其中切削结构包括牙轮和牙齿，牙轮是一个其上装有牙齿的椎体，分为单锥和复锥两种，分别适用于硬质地层和较软质地层。牙齿按照固定方式的不同分为镶齿和钢齿，镶齿是在牙轮外锥面上钻孔，镶齿以滚压动作破岩，综合了压、剪、切等作用，对岩面进行冲击、滚压和剪切，使岩体发生破碎，形成钻进井孔。镶装大小形状不同的硬质合金齿；钢齿是直接从牙轮椎体上铣出。常用的镶齿齿部的钻探面通常为圆形面。

在球形齿下岩石的应力分布由中心接触面以圆形向外递减，应力分散，但是对于硬质地层其工作效率较低。

因此，如何提高牙轮钻头在硬质地层的工作效率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钻探用镶齿，以提高牙轮钻头在硬质地层的工作效率。本发明的另一目的是提供一种包括上述钻探用镶齿的牙轮钻头。本发明的又一目的是提供一种钻探用镶齿的加工方法。

为实现上述目的，本发明提供一种钻探用镶齿，包括镶齿齿部，所述镶齿齿部包括设置在顶部的钻探面及设置在侧面的排屑斜面，所述钻探面为平面结构，所述镶齿齿部中相邻两个所述排屑斜面之间设有内凹的齿部凹槽，所述齿部凹槽的顶端与所述钻探面衔接。

优选地，所述钻探面为十字形平面。

优选地，所述钻探面为垂直于镶齿齿部轴线的平面。

优选地，所述排屑斜面与钻探面的外端面衔接。

优选地，所述排屑斜面以所述镶齿齿部为圆心，周向等间距分布。

优选地，所述排屑斜面和/或所述钻探面设有耐磨层。

优选地，所述耐磨层为fe基非晶合金粉末层，所述fe基非晶合金粉末层，其成为按质量百分含量为：cr：13.0～15.0％、mo：25.0～27.0％、b：1.0～2.0％、y：3.0～5.0％、c：3.0～5.0％、余量为fe。

优选地，所述镶齿齿部的表面涂覆有疏水wc-cocr涂层。

优选地，还包括设置在所述镶齿齿部外周面上，且用于卡接在所述镶齿齿部的限位槽上的镶齿体部，所述镶齿体部为t型卡扣，所述镶齿体部的腹板与所述镶齿齿部固定连接，所述镶齿体部的翼板远离所述镶齿齿部。

优选地，所述翼板为与所述镶齿齿部圆心重合的弧形板。

优选地，所述镶齿体部为多个，多个所述镶齿体部以所述镶齿齿部圆心为中心周向等间距分布。

优选地，还包括与所述镶齿体部和牙轮焊接的金属密封圈。

优选地，所述金属密封圈的材质为15mnni4mo丝材。

一种牙轮钻头，包括牙轮及安装在所述牙轮上的钻探用镶齿，所述钻探用镶齿为上述任一项所述的钻探用镶齿。

一种钻探用镶齿的加工方法，包括步骤：

a1：在圆柱结构的侧面切削排屑斜面；

a2：在圆柱顶端切削钻探面，所述钻探面为平面结构；

a3：在相邻两个排屑斜面之间切削齿部凹槽，所述齿部凹槽的顶端与所述钻探平头面衔接，形成镶齿齿部。

优选地，还包括步骤：

a4：对所述镶齿齿部表面进行喷砂除锈预处理后，再通过丙酮超声清洗，然后进行干燥处理；

a5：在所述排屑斜面和/或所述钻探面喷射耐磨层；

所述耐磨层的喷射方法包括步骤：

b1：将fe基非晶合金粉末原料装入送粉器；

b2：将镶齿齿部固定在喷涂夹具上；

b3：将牙轮隔离保护板嵌套在镶齿齿部上；

b4：将惰性气体通过收缩-扩散型的拉瓦尔喷嘴产生高速气流，带动fe基非晶合金粉末原料喷向所述排屑斜面和/或所述钻探面发生强塑性变形，最终在所述排屑斜面和/或所述钻探面表面制备耐磨层。

优选地：所述步骤b4中，所述惰性气体为氮气，喷涂压力为4.2mpa～5.0mpa，温度为800℃～1000℃，喷涂距离为15mm～35mm，镶齿齿部转速2.5rpm～4.5rpm，喷涂角度为90°。

在上述技术方案中，本发明提供的钻探用镶齿包括镶齿齿部，镶齿齿部包括设置在顶部的钻探面及设置在侧面的排屑斜面，钻探面为平面结构，镶齿齿部中相邻两个排屑斜面之间设有内凹的齿部凹槽，齿部凹槽的顶端与钻探面衔接。

通过上述描述可知，在本申请提供的钻探用镶齿中，通过在相邻两个排屑斜面之间设置齿部凹槽，且齿部凹槽顶端与钻探面衔接，即钻探面设有缺口结构，钻探面形成多齿结构，钻探面和齿部凹槽衔接折角位置应力集中，破岩作用力较大，本申请镶齿在较大推动力下破岩效果更好，进而提高在硬质地层的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的钻探用镶齿的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的牙轮的结构示意图。

其中图1-2中：1、镶齿齿部；1-1、钻探面；1-2、排屑斜面；1-3、齿部凹槽；

2、镶齿体部；2-1、牙轮贴合面；2-2、外周面；

3、牙轮；3-1、t型槽。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种钻探用镶齿，以提高牙轮钻头在硬质地层的工作效率。本发明的另一核心是提供一种包括上述钻探用镶齿的牙轮钻头。本发明的又一核心是提供一种钻探用镶齿的加工方法。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2。

在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的钻探用镶齿，优选用于石油钻探、地质勘查、水井等钻探设备，具体包括镶齿齿部1，镶齿齿部1包括设置在顶部的钻探面1-1及设置在侧面的排屑斜面1-2，钻探面1-1为平面结构，镶齿齿部1中相邻两个排屑斜面1-2之间设有内凹的齿部凹槽1-3，齿部凹槽1-3的顶端与钻探面1-1衔接。

其中，镶齿齿部1露在牙轮3的外锥面以上部分，对岩石起压入、压碎、剪切以及冲击作用。

通过上述描述可知，在本申请具体实施例所提供的钻探用镶齿中，通过在相邻两个排屑斜面1-2之间设置齿部凹槽1-3，且齿部凹槽1-3顶端与钻探面1-1衔接，即钻探面1-1设有缺口结构，钻探面1-1形成多齿结构，钻探面和齿部凹槽衔接折角位置应力集中，破岩作用力较大，本申请镶齿在较大推动力下破岩效果更好，进而提高在硬质地层的工作效率。

具体的，钻探面1-1为十字形平面，优选的，钻探面1-1为垂直于镶齿齿部1轴线的平面，在工作时，钻探面与四个齿部凹槽形成四个作用力折角位置。优选，将圆柱上部1/3切削出四个倾角为20°的斜面，两两斜面互成90°，其中斜面为排屑斜面1-2。在圆柱上部2/3处设置基线，沿着斜面的对角线方向，由圆柱外向圆柱轴心刨出凹面，凹面最低处落在上部2/3基线处，凹面形成齿部凹槽1-3，最终将镶齿齿部1设计成平头十字锥形结构。

当然，在具体加工过程中钻探面1-1可以为米字型平面，或者大字型平面。

如图1所示，排屑斜面1-2与钻探面1-1的外端面衔接。具体的，如图1中，两者衔接位置长度相等。

为了便于导屑，优选，排屑斜面1-2以镶齿齿部1为圆心，周向等间距分布。

为了减少镶齿齿部1与研磨地质层的摩擦，尽可能降低齿部的磨损，提高钻井效率延长钻头的使用寿命，优选，排屑斜面1-2和/或钻探面1-1设有耐磨层。其中耐磨层的厚度根据实际需要而定，本申请不做具体限定。

具体的，耐磨层为fe基非晶合金粉末层，所采用的fe基非晶合金粉末粒度为2～30μm的细粉，fe基非晶合金粉末层，其成为按质量百分含量为：cr：13.0～15.0％、mo：25.0～27.0％、b：1.0～2.0％、y：3.0～5.0％、c：3.0～5.0％、fe余量。优选，fe基非晶合金粉末层，其成为按质量百分含量为：cr：13.5～14.5％、mo：25.5～26.5％、b：1.2～1.80％、y：3.4～4.5％、c：3.5～4.5％具体可以利用冷喷涂技术喷涂fe基非晶涂层，借助高硬度的fe基非晶涂层来降低齿部的磨损率，从而保护镶齿齿部1不被岩石等硬质层磨损。当外部耐磨层磨损脱落后，可重新喷涂，极大地提高牙轮钻头的循环使用效率。由于fe基非晶不存在晶界、位错等缺陷，具有高硬度，高耐磨性等优异性能，其硬度达到1000±50hv0.1，是其它耐磨材料硬度的2倍之多，在实际工况下可以大幅保护镶齿不受磨损，同时避免因应力开裂造成镶齿断裂失效，延长了镶齿的使用寿命。

在一种具体实施方式中，镶齿齿部1的表面涂覆有疏水wc-cocr涂层。相比于普通钻探用镶齿表面未经特殊处理易产生泥包从而降低钻进效率的问题，该设计在容易产生泥包现象的位置涂覆一层超疏水涂层wc-cocr，可有效降低钻头的泥包现象。具体可以利用喷砂机对镶齿齿部1的凹面进行喷丸处理以达到一定的粗糙度，加工时再利用超音速火焰喷涂在凹面喷涂wc-cocr涂层，以得到超疏水涂层，减少泥包现象对钻进效率的影响。

在上述各方案的基础上，优选，该钻探用镶齿还包括设置在镶齿齿部1外周面上，且用于卡接在镶齿齿部1的限位槽上的镶齿体部2，镶齿体部2为t型卡扣，镶齿体部2的腹板与镶齿齿部1固定连接，镶齿体部2的翼板远离镶齿齿部1。镶齿体部2为牙齿与牙轮外锥面孔洞的结合处，普通镶齿方法是直接将牙齿压入孔洞中，会造成牙轮外锥面靠近牙齿部分出现应力集中，在钻井过程中易出现开裂，或者牙齿尺寸与牙轮外锥面孔洞不匹配，镶齿与牙轮3结合紧固性差，会造成镶齿脱落。为避免这些问题，增加镶齿体部2与牙轮外锥面孔洞的结合强度，将镶齿体部2设计成“倒t型”卡钩结构，即t型卡扣，相应地，牙轮外锥面镶嵌牙齿的孔洞设计成t型槽，其中t型卡扣的牙轮贴合面2-1与t型槽的槽底贴合。利用精密数控车床将圆柱下端1/3部分加工出均匀分布的6个“倒t型”的t型卡钩，相邻两个t型卡钩的对称轴夹角为60°，“倒t型”头部的内外面是与圆柱中轴线等轴的圆弧面，镶齿体部2的外周面2-2为与t型槽配合的圆弧面。另一方面，可以利用喷砂机对t型卡钩外圆面进行喷砂粗化，进一步提高钻探用镶齿与牙轮3的结合力。

在镶齿与牙轮外锥面的结合处采用t型卡钩和t型卡槽的设计，特别适用于破碎硬度高的岩石，在增强破岩效率的同时，提高牙齿与牙轮3的结合强度，进而延长钻头的使用寿命、降低钻头更换频率，提高经济效益。

同时，相比于普通镶齿以直接压入或者焊接的方式与牙轮3结合，该设计中牙齿的“倒t型”的t型卡钩与牙轮外锥面孔洞的“倒t型”的t型槽，可以保证牙齿的可靠固定且定位锁紧，避免了直接压入产生的应力集中以及裂纹等。相比于普通锥形镶齿，该平头十字锥形镶齿齿形和t型卡钩镶装结构形式的牙齿，由于镶齿钻探位置变细，为了延长镶齿使用寿命，优选，其齿高降低。由于镶齿钻探时作用力位置增多，可以在保证同等工作效率的同时，减小齿径，使得作用力更容易集中在转轴中心位置，有利于钻头压碎硬度较大的地质层，如石灰岩地层；齿部凹槽1-3的设计一方面可以保证较细的齿尖，另一方面有利于钻井液从喷嘴喷出后将齿部带有的磨屑、泥土等即时冲走，有效地防止泥包现象。

具体的，翼板为与镶齿齿部1圆心重合的弧形板。

在一种具体实施方式中，镶齿体部2为多个，多个镶齿体部2以镶齿齿部1圆心为中心周向等间距分布。

在一种具体实施方式中，该牙轮钻头还包括与镶齿体部2和牙轮3焊接的金属密封圈。牙齿与牙轮3结合处焊接金属密封圈，可以有效防止牙齿在工作中脱落、断裂等失效行为。优选，金属密封圈的材质为15mnni4mo丝材。在牙齿与牙轮外锥面的结合处焊接15mnni4mo丝材，形成金属密封，一方面为了进一步将镶齿固定锁紧在牙轮外锥面上，避免牙齿在压入牙轮3孔洞后对牙轮3周围产生裂纹；另一方面防止钻井液等渗入到牙齿和牙轮3的结合处，避免孔隙间的腐蚀，更好地防止牙齿在工作中脱落、断裂等失效行为。

本申请提供的一种牙轮钻头，包括牙轮3及安装在牙轮3上的钻探用镶齿，其中钻探用镶齿为上述任一种钻探用镶齿，前文叙述了关于钻探用镶齿的具体结构，同样具有上述技术效果。

本申请提供的一种钻探用镶齿的加工方法，包括步骤：

a1：在圆柱结构的侧面切削排屑斜面1-2。

a2：在圆柱顶端切削钻探面1-1，钻探面1-1为平面结构。

a3：在相邻两个排屑斜面1-2之间切削齿部凹槽1-3，齿部凹槽1-3的顶端与钻探平头面衔接，形成镶齿齿部1。

在一种具体实施方式中，该钻探用镶齿的加工方法还包括步骤：

a4：对镶齿齿部1表面进行喷砂除锈预处理后，再通过丙酮超声清洗，然后进行干燥处理。具体的，惰性气体为氮气。

a5：在排屑斜面1-2和/或钻探面1-1喷射耐磨层。

具体的，钻探面1-1为十字形平面，优选的，钻探面1-1为垂直于镶齿齿部1轴线的平面。优选，将圆柱上部1/3切削出四个倾角为20°的斜面，两两斜面互成90°，其中斜面为排屑斜面1-2。在圆柱上部2/3处设置基线，沿着斜面的对角线方向，由圆柱外向圆柱轴心刨出凹面，凹面最低处落在上部2/3基线处，凹面形成齿部凹槽1-3，最终将镶齿齿部1设计成平头十字锥形结构。

当然，在具体加工过程中钻探面1-1可以为米字型平面，或者大字型平面。

其中，耐磨层的喷射方法包括步骤：

b1：将fe基非晶合金粉末原料装入送粉器；

b2：将镶齿齿部1固定在喷涂夹具上；

b3：将牙轮隔离保护板嵌套在镶齿齿部1上；

b4：将惰性气体通过收缩-扩散型的拉瓦尔喷嘴产生高速气流，带动fe基非晶合金粉末原料喷向排屑斜面1-2和/或钻探面1-1发生强塑性变形，最终在排屑斜面1-2和/或钻探面1-1表面制备耐磨层。所采用的fe基非晶合金粉末粒度为2～45μm的细粉，具体可以为原料粉末粒度为5～30，其粉末形貌为球形或者类球形。为防止喷涂前牙爪表面氧化、受潮、生锈或者二次污染，先将牙爪部分进行喷砂除锈预处理，使其表面无明显可见的蚀坑或裂纹等缺陷，后利用体积分数为99.9％的丙酮超声清洗、干燥。对15mnni4mo牙轮钻头实体上牙爪进行喷砂除锈中采用粒度为250～800μm的金刚砂，其工艺参数为：喷砂压力为0.1～0.3mpa，喷砂时间为24～40s，距离为25～40mm。

fe基非晶合金粉末喷涂压力为4.2mpa～5.0mpa，温度为800℃～1000℃，喷涂距离为15mm～35mm，镶齿齿部1转速2.5rpm～4.5rpm，喷涂角度为90°。优选喷涂压力为4.5mpa，喷涂温度为900℃。

利用氩气气雾法制备fe基非晶合金粉末原料：各成分单质金属按一定比例，在高温下熔化混合，形成流体，通过氩气将流体快速运动从而破碎成细小液滴，快速冷凝后形成fe基非晶合金粉末。气雾化技术制备的粉末粒度细小、球形度高、氧含量低。熔化混合的温度为1400℃，气雾化破碎压力为4mpa，真空度0.133p。

采用冷喷涂工艺，将原料粉末装入送粉器中，将钻头零件固定在喷涂夹具上，将牙轮3隔离保护板嵌套在钻头上，设置一定的喷涂参数后，利用低温、高压惰性气体通过收缩-扩散型的拉瓦尔喷嘴产生高速气流，带动原料粉末快速喷向基材发生强塑性变形，最终在15mnni4mo牙轮钻头牙爪表面制备fe基非晶合金涂层。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。