专利名称：具有用于减小牙轮磨蚀的硬表面的旋转岩石钻头的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明通常涉及具有带研磨齿的旋转牙轮的钻地钻头，尤其涉及牙轮壳体上用于减小磨蚀的硬表面。
背景技术：
现有技术陈述这里涉及的这类钻地钻头具有带三个悬置的牙轮钻头巴掌的钻头本体。滚子式牙轮或切削件可旋转地安装到每个牙轮钻头巴掌上。每个牙轮包括钢制壳体，该壳体具有多排通过切削加工形成在切削件上的研磨齿。为减小磨损，牙齿和保径面(gage surface)用硬表面进行表面硬化处理，所述硬表面典型地为合金钢基体中的碳化鴒。另外已知的是在牙轮锥尖区域布置硬表面。在现有技术中，牙轮的剩余部不具有硬表面。
在钻进时，特别是在松散的高磨损的沙质地层中，由于钻机水压不足和/或水平钻进，切削结构和牙轮壳体受到钻出来的磨损钻屑、泥浆中高的含沙量和保留在钻孔底部的沙粒的影响。所有这些因素引起齿的磨损和牙轮壳体的磨蚀。即使钻进流速或钻机水压足够高，来自钻孔底部的奔流的沙粒、通过喷嘴排出的高流速的泥浆也可能引起齿和牙轮壳体^C永久性地磨蚀。
许多操作者采用中心喷射喷嘴帮助牙轮的清洗。存在于中心喷射喷嘴的造成磨损的钻进流体的持续沖击可能引起磨损和磨蚀，这将极大地损坏齿基和牙轮壳体。这种损坏将破坏个别的齿并可能最终引起它们的脱落。现有技术的硬表面保护只提供磨损和磨蚀的局部减少。
发明内容
在本发明中，除了在齿和保径面上的硬表面层外，齿之间的谷部也进行表面硬化处理。硬表面也至少局部地位于排之间的锥形带上。该硬表面完全地包围每个齿跟部的外周或边界。
环状的硬表面条或带位于外排内端处的锥形带上。另外一个硬表面条或带位于内排的外端上。如果足够宽，在内排和外排之间的该锥
形带将具有光滑部而没有硬表面。
环状硬表面条位于内排的内端上。该硬表面条将至少部分地延伸在锥形表面上并导向牙轮的顶点。如果锥形表面足够宽， 一部分可以保持光滑而没有硬表面。该硬表面可以是不同类型的，并且最好包括在基体中的碳化鴒颗粒，所述基体选自由铁、钴、镍及其合金组成的组。
图l是根据现有技术的具有硬表面的钻地钻头的侧面正视图。
图2是根据本发明的具有牙轮硬表面的钻地钻头的底视图。图3是在图2所示钻头的一个牙轮上的部分内排的平面图，所示的是在涂敷硬表面之前。
图4是图3所示的齿的视图，是在涂敷硬表面之后。
具体实施例方式
参见图1，钻头ll示出了传统的钻地钻头，该钻头具有带三个悬置的牙轮钻头巴掌15的本体13。牙轮17可旋转地安装到每个牙轮钻头巴掌15上。每个牙轮17由钢制壳体或本体形成。钻头11的每个牙轮17具有三排齿27，包括外排19、内排21和中间排23。然而，牙轮17通常可以具有不同数目的排，例如只有两排。 一锥形带25位于每个排19和21及排21和23之间。
7每个排19、 21和23中的齿27是从牙轮17本体上研磨或切削加 工而成的。每个齿17在相同的排中通过谷部29与相邻的齿分开。谷 部29的基部可以是凹的或U形，如同所示的。可选地，如果在专门 的排中的齿27足够远地互相隔开的话，每个谷部29的基部可以是凸 的。外排19紧靠保径面31布置，该保径面31限定出钻头和钻孔的直 径。
在现有技术中，硬表面33层涂敷在每个排19、 21和23的每个齿 27的侧面上以及保径面31上。然而，硬表面33没有设置在排19、 21 或23、 25之间的锥形带25上，也没有设置在谷部29的基部。在现有 技术中，牙轮壳体围绕每个齿27的跟部的部分保持光滑并且没有表面 硬化处理。
现有技术中的钻头11在其上端具有螺紋部35，用于连接到钻柱 上。钻头ll内具有钻进流体通道，，该钻进流体通道导向多个喷嘴37， 用于排出钻进流体。润滑剂贮存器供应润滑剂到每个牙轮17的支承空 间，并且压力补偿器39使润滑剂压力与外部的钻孔流体压力相等。
参见图2，本发明的钻头40具有本体、牙轮钻头巴掌、压力补偿 器和螺紋部，它们没有示出，但是可以与图1所示的现有技术中的钻 头11相同。钻头40具有第一牙轮41、第二牙轮43和第三牙轮45。 每个牙轮41、 43和45具有多个从牙轮壳体研磨得到并位于不同环形 排上的齿48。在本例中，每个牙轮41、 43和45只具有两排齿48，但 是该数目可以改变。
第一牙轮41具有外排47的齿48，其位于邻近第一牙轮41的保 径面的地方。内排49位于外排47朝向钻头轴线向内一小段距离的地 方。薄的环状锥形带51位于外排47和内排49之间。第一牙轮41在 其顶点上具有牙轮锥尖53。牙轮锥尖53是常规的并包括径向延伸的 刃。宽的锥形表面55从内排49延伸到牙轮锥尖53的颈部。
硬表面57层涂敷到外排47、内排49的齿48上和位于它们之间 的锥形表面55上。硬表面57还位于每排47、 49中各个齿48之间的 谷部中。此外，硬表面57传统地位于保径面和牙轮锥尖53上。位于形.
57的。
硬表面57可以与现有技术中所使用的类型相同，主要是在基体中 的碳化鴒颗粒或微粒，所述基体选自由铁、钴、镍及其合金组成的组。 硬表面颗粒可以是胶接的碳化鴒、铸造的碳化鵠、粗结晶的碳化鴒或 其混合物。硬表面57的成分在第一牙轮41的不同部位上最好是相同 的，但是牙轮41的一部分可以不同于第一牙轮41的另一部分。硬表 面57最好通过氧乙炔气炬涂敷，其中技术人员采用气炬熔化包含碳化 鴒颗粒的钢管。其他涂敷方法也是可行的。
图3表示涂敷硬表面57之前，第一牙轮41内排49的一个齿和两 个邻接齿48的部分。每个齿48具有大致矩形的跟部58，该跟部58 包括邻接第一牙轮41的壳体的基部。跟部58具有矩形的外周，包括 两个侧边或侧缘58a和58b、 一个外缘58c和一个内缘58d。外缘58c 邻接锥形带51，而内缘58d邻接锥形表面55。每个齿48具有侧面59a 和59b，它们向上会合在顶部61处，该顶部61包括平行于侧缘58a、 58b的直线脊。内、外端表面59c和59d也向上会合在顶部61处。谷 部63位于排49的每个齿48之间。谷部63可以具有U形基部或可以 以轻微凸出的方式被圆整。
参见图4，在涂敷之后，硬表面57完全覆盖在每个齿48上，覆 盖侧面59a、 59b、 59c和59d。硬表面57还完全覆盖谷部63。此外， 硬表面的内边界条或带覆盖跟部内缘58d和锥形表面55的外缘部。内 边界条65是环形的，从而完全地延伸在第一牙轮41周围。内边界条 65的宽度最好是典型的焊料带的宽度，该宽度可以是约1/4〃的数量 级。这样内边界条65不仅覆盖跟部内缘58d，而且还覆盖到锥形表面 55的约1/4"处。
此外，外边界条或带69以相同的方式覆盖跟部外缘58c并在锥形 带51的内部之上。外边界条69也是环形的，完全地延伸在第一牙轮 41周围。在本实施方式中，由于内、外排49、 47短的间距，外边界 条69完全延伸到第一牙轮排47 (图2),从而完全覆盖锥形带51。
9再次参见图2，第二牙轮43具有外排71和内排73，它们由锥形 带75分隔开。在本实施方式中，锥形带75比第一牙轮41的锥形带 51宽。硬表面75以与图3和4所示相同的方式施加到齿48上。然而， 由于锥形带75比第一牙轮锥形带51更宽，第二牙轮锥形带75的中心 部分保持光滑且没有任何硬表面57，如图2所示。内排73具有外边 界硬表面条69，该条69位于锥形带75的内缘部。第二牙轮外排71 也具有内边界硬表面条65,该条65位于锥形带75的外缘部。
第二牙轮43具有钝的顶点77，该顶点77通过锥形表面79与内 排73分隔开。在本实施方式中，硬表面57层以大致平的圆盘的形式 敷设在顶点77上。第二牙轮内排73具有带硬表面57的内部环状边界 条65，其位于锥形表面79的外缘部。锥形表面79位于顶点77和内 排73的内部硬表面条65之间的剩余部是光滑的且没有任何硬表面 57。在本实施方式中，锥形表面79比第一牙轮41的锥形表面55更窄。
第三牙轮45具有外排81和内排83，它们由锥形带85分隔开。 在本实施方式中，锥形带85比第二牙轮43的锥形带75宽。与其他牙 轮的方式相同，外排81具有内边界硬表面条65。第三牙轮外排81具 有内边界硬表面条65,且第三牙轮内排83具有外边界硬表面条69。 内、外边界条65、 69覆盖锥形带85的外和内缘部，而锥形带85的剩 余部保持没有任何硬表面。第三牙轮45具有顶点87，该顶点87通过 薄的锥形表面89与内排73分隔开。在本实施方式中，硬表面57延伸 在顶点87和整个锥形表面89之上。
在运行中，钻头40按照传统方式运行。硬表面57的额外区域减 小了齿和牙轮壳体上的磨损和磨蚀。围绕着每个齿的硬表面的外围条 或带减小了牙轮壳体的磨蚀，从而延长齿的寿命。
尽管本发明只是在其中一种形式中表示，对于本领域技术人员显 而易见的是，本发明不限于此，而是在不脱离本发明范围的情况下， 容许有不同的变形。
权利要求
1、一种钻地钻头，包括本体，该本体具有三个牙轮钻头巴掌；牙轮，该牙轮可旋转地安装到每个牙轮钻头巴掌上，每个牙轮具有多排形成在其上的齿，每个齿通过谷部与相邻的齿分隔开，每个排通过环状锥形带与相邻的排分隔开；和硬表面层，该硬表面布置在每个齿上、在齿之间的谷部中且在所述排之间的带的至少部分上，该硬表面包括在基体中的碳化钨颗粒，所述基体选自由铁、钴、镍及其合金组成的组。
2、 根据权利要求1所述的钻头，其中 每个牙轮上的齿排包括由所述锥形带分隔开的外排和内排； 每个牙轮在内排的内侧具有锥形表面；且 硬表面层至少部分地在该锥形表面上延伸。
3、 根据权利要求1所述的钻头，其中在至少一个牙轮上的锥形带的一部分具有光滑的外表面而没有硬 表面。
4、 根据权利要求1所述的钻头，其中在至少一个牙轮上的所述 锥形带包括包含连续环状硬表面条的外缘部； 包含连续环状硬表面条的内缘部；和在内缘部和外缘部之间的连续环状中心部，该中心部是光滑的而 没有硬表面。
5、 根据权利要求l所述的钻头，其中 在至少一个牙轮上的所述锥形带整个地覆盖有硬表面。
6、 根据权利要求1所述的钻头，其中在第一个牙轮上的锥形带整个地覆盖有硬表面；而在其他牙轮上 的锥形带具有内缘部和外缘部，所述内缘部和外缘部包含有被没有硬 表面的中心光滑部分隔开的环状连续硬表面条。
7、 根据权利要求l所述的钻头，其中 每个齿具有矩形的跟部，该跟部具有外周；并且 硬表面条覆盖和延伸通过每个齿跟部的外周。
8、 根据权利要求l所述的钻头，其中每个牙轮具有顶点部，该 顶点部含有一层所述硬表面。
9、 一种钻地钻头，包括本体，该本体具有三个牙轮钻头巴掌；可旋转地安装到牙轮钻头巴掌上的第一、第二和第三牙轮，每个 牙轮具有集成形成在其上的外排齿和内排齿，每个牙轮内排的每个齿 具有矩形跟部，该跟部具有内、外和侧边界；且在内排的每个齿上和在每个牙轮的表面部上的硬表面层包围内排 每个齿的内、外和侧边界，该硬表面包括在基体中的碳化鴒颗粒，所 述基体选自由铁、钴、镍及其合金组成的组。
10、 根据权利要求9所述的钻头，其中每个牙轮内排齿跟部的 侧边界包括谷部，并且每个谷部由所述硬表面完全地覆盖。
11、 根据权利要求9所述的钻头，其中光滑且没有硬表面的环 状内、外锥形表面各自与至少一个牙轮内排齿跟部的内、外边界上的 硬表面连接。
12、 根据权利要求9所述的钻头，其中所述第三牙轮具有顶点， 且所述硬表面在内排、顶点及该第三牙轮的内排和顶点之间的锥形空 间上连续延伸。
13、 根据权利要求9所述的钻头，其中 每个牙轮具有顶点，该顶点含有一层所述硬表面。
14、 根据权利要求9所述的钻头，其中所述第一牙轮的外排和 内排通过环状锥形带互相间隔开，所述环状锥形带整个地覆盖有所述 硬表面。
15、 根据权利要求9所述的钻头，其中所述第二和第三牙轮的 外排和内排通过环状锥形表面互相间隔开，所述环状锥形表面具有光滑而没有硬表面的中心部。
16、 一种钻地钻头，包括本体，该本体具有三个牙轮钻头巴掌；可旋转地安装到牙轮钻头巴掌上的第一、第二和第三牙轮，每个 牙轮具有外排和内排研磨而成的齿，外排和内排的每一个通过环状锥 形带互相分隔开，第一牙轮的锥形带的宽度比第二牙轮的锥形带的宽 度小，并且第二牙轮的锥形带的宽度比第三牙轮的锥形带的宽度小；在每个牙轮外排和内排的每个齿上的硬表面层；覆盖每个牙轮内排和外排的每个齿之间的谷部的硬表面层； 覆盖第一牙轮整个锥形带的硬表面层；和覆盖第二和第三牙轮锥形带内缘和外缘的硬表面层，第二和第三 牙轮锥形带的中心部没有任何硬表面层；并且其中每个硬表面层包括在基体中的碳化钨颗粒，所述基体选自由铁、 钴、镍及其合金组成的组。
17、 根据权利要求16所述的钻头，其中 第一牙轮具有包含硬表面层的带刃牙轮锥尖； 第一牙轮的内排和所述牙轮锥尖通过环状锥形表面互相间隔开； 第一牙轮的锥形表面含有环状连续硬表面条，并在该硬表面条处邻接内排；和第一牙轮的锥形表面在环状条和牙轮锥尖上的硬表面层之间是光 滑和没有任何硬表面的。
18、 根据权利要求16所述的钻头，其中第二牙轮具有顶点和从内排延伸到该顶点的环状锥形表面； 第二牙轮的该锥形表面包含环状连续硬表面条，并在该硬表面条 处邻接内排；和第二牙轮的锥形表面在环状条和顶点之间是光滑和没有任何硬表 面的。
19、 根据权利要求18所述的钻头，其中 硬表面层覆盖所述顶点。
20、 根据权利要求16所述的钻头，其中第三牙轮具有顶点和从内排延伸到该顶点的环状锥形表面；和 第三牙轮的锥形表面和顶点被硬表面层整个地覆盖。
全文摘要
一种钻地钻头，该钻头具有本体，该本体具有三个牙轮钻头巴掌。牙轮可旋转地安装到每个牙轮钻头巴掌上。每个牙轮具有切削加工在其上的外排和内排齿。每个齿具有矩形的跟部，该根部包括内、外和侧边界。硬表面涂敷在每个齿上和每个牙轮包围每个齿内、外和侧边界的外表面部上。内排和外排之间的锥形表面至少部分包含硬表面部。
文档编号E21B10/46GK101466913SQ200780021245
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者J·L·奥弗斯特里特, R·C·佩斯塞尔, R·J·巴斯克, R·S·尼博吉 申请人:贝克休斯公司