一种个性化切削式三牙轮钻头的制作方法

本发明专利涉及一种用于石油、天然气钻井的个性化切削式三牙轮钻头。

背景技术：

在石油与天然气行业中，钻井是必不可少的环节，通过钻头破碎岩石是常用的钻井方法之一，而常用的钻头主要包括牙轮钻头和pdc钻头。牙轮钻头在工作时，通过牙轮上牙齿滚动冲击的作用，达到破碎岩石的目的，但此种开采机理会伴随着剧烈的振动，在一定程度上会降低钻头的使用寿命。pdc钻头则是通过牙齿的切削作用来达到破碎岩石的目的，相较于牙轮钻头，pdc钻头不会产生剧烈的振动，破岩的过程更加的稳定，但由于各pdc牙齿会连续进行切削工作，故在一定程度上也会降低钻头的使用寿命。

基于当下pdc钻头与牙轮钻头的工作优点尚未有效结合的现状，本设计采用轮换切削齿刮切岩石的原理设计一种个性化切削式三牙轮钻头，该钻头将一种类似pdc钻齿的切削齿安放在牙轮上，并采用牙轮即沿钻杆轴线方向公转，又沿自身轴线方向自转的形式运转。在一方面，由于牙轮布置在钻头体基准圆切线方向上，在工作时，牙轮的自转运动会受到公转运动的限制，导致自转转速会较低，从而降低钻头体的振动，使得整个破岩过程比较的稳定，减少了切削齿的脱落概率。在另一方面，该钻头相较于普通的pdc钻头，其牙轮的自转运动可以使得切削齿轮换的刮切岩石，从而充分冷却切削齿，提高切削齿的使用寿命。

技术实现要素：

本发明专利的目的是：为了让切削齿在钻头体工作时得到充分的冷却，延长钻头体的使用寿命，降低切削齿从牙轮上脱落的概率，因此提出一种个性化切削式三牙轮钻头。

为达到上述目的，本发明专利采用以下技术方案：一种个性化切削式三牙轮钻头主要由第一牙轮组、第二牙轮组、第三牙轮组、切削齿、牙掌、喷嘴、流道组成；所述第一牙轮组包括第一牙轮、轴承a、储油系统a、牙轮导油孔a、牙掌导油孔a；所述第二牙轮组包括第二牙轮、轴承b、储油系统b，牙轮导油孔b、牙掌导油孔b；所述第三牙轮组包括第三牙轮、轴承c、储油系统c、牙轮导油孔c、牙掌导油孔c；所述的喷嘴分别布置在钻头体上两对牙轮组之间，喷嘴顶端与钻头体边缘通孔连接，其底端与流道顶部连接，流道放置在钻头体内部，喷嘴与流道构成一条输液通路，钻头体底端至1/3轴向长度处的外表面上加工有连接螺纹，以此连接钻杆与钻头体；所述第一牙轮组的第一牙轮的布齿面包括第一环布齿面、第二环布齿面和第三环布齿面，在各环布齿面的齿槽内布置有切削齿，切削齿的大端端面与各环端面齐平，各环布齿面上的切削齿的安装高度均高于环面且相同；第一牙轮下方的钻头体上开设有牙轮导油孔a，第一牙轮通过轴承a与牙掌轴颈处连接，储油系统a安装在牙掌的背部底端，牙掌导油孔a开设在牙掌的背部底端，并与储油系统a连接相通，牙轮导油孔a、储油系统a与牙掌导油孔a组成一条输油通路；第二牙轮组、第三牙轮组的组成结构、安装顺序与第一牙轮组完全相同。

上述方案中的第一牙轮、第二牙轮与第三牙轮均匀布置在钻头体基准圆上，且各牙轮均按照，沿钻头体公转方向上小端在前、大端在后的方向放置。

上述方案中的第一牙轮组中的第一牙轮的轴线在主视平面内与牙掌的轴线所夹锐角为70度；第二牙轮组、第三牙轮组也具有相同的特征。

上述方案中的第一牙轮组中的第一牙轮的第一环布齿面、第二环布齿面和第三环布齿面上分别均匀布置有9、15、15个切削齿；第二牙轮组、第三牙轮组也具有相同的特征。

上述方案中的第一牙轮组中的第一牙轮的轴线与钻头体基准圆相切；第二牙轮组、第三牙轮组也具有相同的特征。

上述方案中的第一牙轮组中的切削齿为两端大小不同的圆柱形齿，其中大端面与小端面的直径比为3：2，小端面直径与轴向长度比为1：2；第二牙轮组、第三牙轮组也具有相同的特征。

上述方案中的第一牙轮组中的切削齿的放置方向为第一牙轮轴线方向偏近于牙掌中心5～10度；第二牙轮组、第三牙轮组也具有相同的特征。

本发明专利的有益效果是：

(1)相较于常用的pdc钻头，该钻头在工作时，牙轮的自转运动，可以使得钻齿轮换的刮切岩石，从而让钻齿得到充分的冷却，延长钻齿的使用寿命。

(2)根据该钻头牙轮布齿环面对应的直径大小以及工作时牙轮的自转转速，牙轮的第一环布齿面、第二环布齿面和第三环布齿面上分别均匀布置有9、15、15个切削齿，可以保证在牙轮自转时，钻齿可以连续的刮切岩石。

(3)根据该钻头的钻齿切削岩石的形式，将钻齿大端端面与牙轮布齿环端面齐平，可以辅助钻齿连续的刮切岩石；将钻齿轴线偏向于牙掌中心，并与牙轮轴线夹角5～10度方向放置，可以保证牙轮在沿钻头体基准圆切线方向转动时，牙轮的工作面与钻齿的工作面存在一定夹角，从而增大钻齿与岩石的有效接触面积，提高切削岩石的效率。

(4)根据钻头工作时牙轮与岩石的接触角度对切削效率的影响，将牙轮的轴线在主视平面内与牙掌的轴线夹锐角70度的方向放置，可以进一步提高钻齿与岩石的有效接触面积。

(5)由于该钻头的钻齿采用一种类似pdc钻齿的切削齿，其与牙轮的连接不同于普通的牙轮钻头，故将该钻头的牙轮轴线平行于钻头体基准圆切线的方向放置，增大牙轮公转时的阻力，从而降低牙轮的自转速率，减少钻头在转动时产生的振动，起到减少钻齿脱落概率的作用。

(6)储油系统与喷嘴系统配合使用，可以及时的排走钻屑、润滑钻头、补偿压差，提高钻齿的有效切削效率，延长钻头使用寿命。

附图说明：

图1为本发明专利一种个性化切削式三牙轮钻头的第一牙轮组的主视图。

图2为本发明专利一种个性化切削式三牙轮钻头的第二牙轮组的主视图。

图3为本发明专利一种个性化切削式三牙轮钻头的第三牙轮组的主视图。

图4为本发明专利一种个性化切削式三牙轮钻头的俯视图。

图中：1.切削齿、2.第一牙轮、3.第二牙轮、4.第三牙轮、5.轴承a、6.轴承b、7.轴承c、8.储油系统a、9.储油系统b、10.储油系统c、11.导油孔a、12.导油孔b、13.导油孔c、14.牙掌、15.喷嘴、16.流道、17.牙掌导油孔a、18.牙掌导油孔b、19.牙掌导油孔c。

具体实施方案：

下面结合附图对本发明专利作进一步说明：

本发明专利涉及一种个性化切削式三牙轮钻头，包括：切削齿1、第一牙轮2、第二牙轮3、第三牙轮4、轴承a5、轴承b6、轴承c7、储油系统a8、储油系统b9、储油系统c10、导油孔a11、导油孔b12、导油孔c13、牙掌14、喷嘴15、流道16、牙掌导油孔a17、牙掌导油孔b18、牙掌导油孔c19。依照图1所示，将钻头体与钻杆连接，并连通好电源；第一牙轮2、第二牙轮3、第三牙轮4与牙掌14轴颈处分别通过轴承a5、轴承b6、轴承c7连接；在工作时，第一牙轮2、第二牙轮3、第三牙轮4既绕着钻头体公转，又各自绕着牙掌14轴颈处轴线自转，第一牙轮2、第二牙轮3、第三牙轮4的公转带动切削齿1切削岩石，自转使得切削齿1间歇工作，以此充分冷却切削齿1，延长切削齿1的使用寿命；储油系统a8、储油系统b9、储油系统c10分别为第一牙轮2、第二牙轮3、第三牙轮4供油，以此减少摩擦，降低内外压差；喷嘴15通过流道16喷射出钻井基液，再通过钻井基液带走多余的钻屑，以避免切削齿1重复切削钻屑，有助于提高钻头体有效切削岩石的效率。