高强耐磨牙轮钻头.pdf

摘要
申请专利号：	CN201010227926.6	申请日：	2010.07.14
公开号：	CN101886523A	公开日：	2010.11.17
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):E21B 10/16申请公布日:20101117\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):E21B 10/16申请日:20100714\|\|\|公开
IPC分类号：	E21B10/16; E21B10/25	主分类号：	E21B10/16
申请人：	中国兵器工业第五二研究所
发明人：	燕东明; 高晓菊; 李金富; 曲在长; 李国斌; 李康; 赵斌; 刘国玺; 常永威
地址：	264003 山东省烟台市莱山区环山路付2号
优先权：
专利代理机构：	烟台信合专利代理有限公司 37102	代理人：	迟元香
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内容摘要

本发明公开了一种石油与天然气钻井用高强耐磨牙轮钻头，它包括牙齿(1)、牙轮(2)和牙掌(3)，其特点是牙轮(2)内底端设镶环(4)，二者采用热镶嵌复合方式连接，在牙轮(2)内壁上设衬套(5)，二者采用热镶嵌复合方式连接，在牙轮(2)与牙掌(3)最外边缘之间热镶嵌复合密封圈(6)，镶环(4)和衬套(5)采用碳化物、氮化物或氧化物陶瓷材料，密封圈(6)采用金属陶瓷或陶瓷材料，巧妙的将陶瓷、金属陶瓷与钻头结合成为一个整体，陶瓷、金属陶瓷不仅作为连接件，还对钻头起到了保护的作用，既发挥了陶瓷的高强度、耐磨损、耐腐蚀性，又保证了钻头部件的使用寿命和可靠性。

权利要求书

1.高强耐磨牙轮钻头，它包括牙齿(1)、牙轮(2)和牙掌(3)，其特征在于牙轮(2)内底端设镶环(4)，二者采用热镶嵌复合方式连接，在牙轮(2)内壁上设衬套(5)，二者采用热镶嵌复合方式连接，在牙轮(2)与牙掌(3)最外边缘之间热镶嵌复合密封圈(6)；所述的镶环(4)和衬套(5)采用陶瓷材料，密封圈(6)采用金属陶瓷或陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的高强耐磨牙轮钻头，其特征在于所述的镶环(4)和衬套(5)采用氮化硅、碳化硅或氧化物陶瓷材料中的一种，密封圈(6)采用氮化物、碳化物金属陶瓷或陶瓷材料中的一种。

说明书

高强耐磨牙轮钻头

技术领域：

本发明涉及牙轮钻头技术领域，具体地讲是一种高强耐磨牙轮钻头，适用于石油与天然气钻钻井系统。

技术背景：

随着石油工业的发展，国内外研究改进、开发创新了多种新型石油钻机。为了适应浅海、海滩、沙漠和丘陵等不同地带油气藏的勘探和开发，先后开发了各种类型的石油钻头。石油钻头是石油钻井的重要工具，其工作性能的好坏将直接影响钻井质量、钻井效率和钻井成本。目前石油钻井和地质钻探中应用最多的是牙轮钻头。由于牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，因此它能够适应软、中、硬的各种地层。但是随着环境要求的苛刻，对设备和服役寿命的要求也不断提高。

传统的钢材料钻头在井底通过牙轮转动破碎岩石，其受力状态复杂，既要承受静载，又要承受动载及振动载荷，同时还受到泥浆的冲蚀和井底高温高压的影响，特别是在高钻速和高钻压的条件下钻井时，牙轮与牙掌接触部分极易产生粘着磨损或咬合，致使钻头过早失效。因此，对钻头材料要求有高的强度和高的韧性，特别是要有高的硬度和好的耐磨性。

相关牙轮石油钻头结构和材料方面，已有大量的专利和研究论文报道，且各有优缺点。如黑龙江大庆油田申请的实用新型“一种滑动轴承牙轮钻头”(公告号CN2571987)与江汉石油钻头股份有限公司的实用新型“一种牙轮钻头用滑动轴承”(公告号CN2438829)、“一种滑动衬套轴承结构牙轮钻头”(公告号CN2424294)、“滚动轴承牙轮钻头”(公告号CN2514109)以及发明专利“牙轮钻头轴承密封装置”(公告号CN1436914)等专利均采用了衬套，但是衬套材料均为硬质合金材料，由于钻头在高钻速、高钻压的工况条件下，要求其具有较高的耐磨性，因此，其耐磨性较差，另外，硬质合金材料均采用堆焊的方式连接在钻头上，而钻头在高速转动时，会受到较大的剪切力，使堆焊上的材料易脱落，缩短了钻头的服役寿命。

另外，江汉石油钻头股份有限公司申请的实用新型及发明专利“高强抗磨多牙轮钻头”(公告号CN2653111)及(公告号CN1540130)是对牙轮表面进行改进，即采用了不同尖部结构牙轮来构成多牙轮钻头，而并未考虑牙轮与牙掌之间的磨损和咬合问题。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种高强耐磨牙轮钻头，主要解决现有的石油钻头在钻井过程中易发生脆性断裂造成寿命短这一瓶颈难题。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：高强耐磨牙轮钻头，它包括牙齿、牙轮和牙掌，其特殊之处在于牙轮内底端设镶环，二者采用热镶嵌复合方式连接，在牙轮内壁上设衬套，二者采用热镶嵌复合方式连接，在牙轮与牙掌最外边缘之间热镶嵌复合密封圈，起到密封作用；所述的镶环和衬套采用陶瓷材料，密封圈采用金属陶瓷或陶瓷材料；上述的热镶嵌复合方式要求加工和装配精度都要高，通过材料力学厚壁圆筒模型计算预应力，从而选择合适的装配公差给陶瓷衬套和牙轮钢施加预应力来抵御钻头转动的切应力，防止陶瓷衬套滑动，克服陶瓷材料在钻井过程中易发生脆性断裂的问题。

本发明的高强耐磨牙轮钻头，其所述的镶环和衬套采用氮化硅、碳化硅或氧化物陶瓷材料中的一种，其强度高、耐磨损，而且具有一定的韧性，能够克服牙轮、牙掌间相应的应力，有效提高牙轮与牙掌间的抗咬合能力和承载能力，并提高钻头的使用寿命，降低钻井成本；密封圈采用氮化物、碳化物金属陶瓷或陶瓷材料中的一种，代替传统的橡胶密封和金属密封圈，具有钻头密封可靠，井下使用时间更长，并且可以有效的防止石油中的S2-、F-、H+等的侵蚀特点，特别是在使用水基泥浆时能防止钻头井底泥包，是钻井高端应用中最适宜的一种钻井工具。

本发明的高强耐磨牙轮钻头与已有技术相比有突出的实质性特点和显著进步：1、在牙轮与牙掌部件之间热镶嵌复合陶瓷材料部件，代替传统的钢质材料，解决了原有钻头牙轮磨损严重的问题，且陶瓷衬套不易破碎，有效提高钻头的钻井寿命；2、采用金属陶瓷或陶瓷密封圈代替传统橡胶、金属材料，钻头密封可靠，井下使用时间更长，并且可以有效的防止石油中的S2-、F-、H+等的侵蚀，特别是在使用水基泥浆时能防止钻头井底泥包，有效改善了钻头的耐蚀性，提高了钻头的使用寿命和可靠性，从而降低采油成本；3、采用热镶嵌复合的方式代替传统的堆焊连接方式，显著改善了牙轮与牙掌间的耐磨损性；4、并且采用热镶嵌复合施加预压应力的结合方式，克服陶瓷材料韧性不足的弱点，大幅度扩展钻头的使用范围，使其在更硬、磨蚀性更强和多变的地层得以推广。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

为了更好地理解与实施，下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1，参见图1，加工制成牙轮2，在牙轮2上安装牙齿1，根据设计需要，将牙轮2内圈底端和内壁分别车去2～6mm厚度；采用高强耐磨的碳化硅材料制成陶瓷镶环4，厚度相应为2～6mm，粗糙度为0.8μm，形状为圆筒状；采用高强耐磨的氮化硅材料制成陶瓷衬套5，厚度为2～6mm，粗糙度为0.8μm，形状为圆筒状；采用耐磨耐蚀的碳化钛金属陶瓷材料制成金属陶瓷密封圈6，厚度为2～6mm，粗糙度为0.8μm，形状为圆筒状；将加工好的陶瓷镶环4采用热镶嵌复合方式与牙轮2的内底端连接，在牙轮2的内壁上采用热镶嵌复合方式连接陶瓷衬套5；在牙轮2的内腔安装牙掌3，在牙轮2与牙掌3最外边缘之间热镶嵌复合金属陶瓷密封圈6，制成高强耐磨牙轮钻头。上述的陶瓷镶环4、陶瓷衬套5与金属陶瓷密封圈6以及牙轮2的连接采用了热镶嵌复合的方式，此复合过程要求加工和装配精度都要高，通过材料力学厚壁圆筒模型计算预应力，从而选择合适的装配公差给陶瓷衬套和牙轮钢施加预应力来抵御钻头转动的切应力，防止陶瓷衬套滑动，克服陶瓷材料在钻井过程中易发生脆性断裂的问题。

实施例2，同实施例1，不同之处是采用高强耐磨的氧化铝材料制成陶瓷镶环4，采用高强耐磨的碳化硅材料制成陶瓷衬套5，采用耐磨耐蚀的氧化锆陶瓷材料制成金属陶瓷密封圈6。

实施例3，同实施例1，不同之处是采用高强耐磨的氧化锆材料制成陶瓷镶环4，采用高强耐磨的氧化铝材料制成陶瓷衬套5，采用耐磨耐蚀的碳化硅金属陶瓷材料制成金属陶瓷密封圈6。

本发明所述的高强耐磨牙轮钻头，工作时，将钻头与钻柱连接，钻柱通过机械转动带动钻头，传递破碎岩石所需的机械能量和钻压，进行高钻速钻进。目前硬质合金牙齿的使用寿命均在200小时以上，而钻头由于其牙轮和牙掌的磨损，大部分使用寿命都不足60小时，本发明的高强耐磨牙轮钻头，可以使钻头的使用寿命达到150小时以上，基本与牙齿寿命同步，不仅提高了钻井效率，而且降低采油成本。