专利名称：扩孔牙轮钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种石油、矿山和地质勘探钻井用扩孔牙轮钻头，尤其是一种扩孔能力大、旋转扭矩小、蹩跳小、寿命长的扩孔牙轮钻头。
目前，公知的扩孔钻头有牙轮式和刮刀式两种。美国专利4915181和美国专利4846290是牙轮式的扩孔钻头，其缺陷是扩孔能力小，一般扩孔直径不超过原有井眼直径的2倍；美国专利4431065是刮刀式的扩孔钻头，这种结构的扩孔钻头具有较大的扩孔能力，但其缺陷是扭矩大，蹩跳严重，特别是小井眼刮刀扩孔钻头，刮刀在大的扭矩下容易变形，导致钻头无法起出井眼的井下事故发生。
本实用新型的目的是提供一种具有较大扩孔能力的扩孔牙轮钻头，其最大扩孔直径可达原井眼直径的4～8倍。而且，这种实用新型的扩孔牙轮钻头具有较小的扭矩和较小的蹩跳现象，使用寿命长。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型的扩孔牙轮钻头由转向加力器、扩孔轴和牙轮组成。当扩孔钻头下到扩孔井段后，停止下钻并将钻柱锁在转盘上，启动泥浆泵，在泥浆压力的作用下，转向加力器活塞带动顶杆向下推进，使扩孔轴绕连接销转动一角度，这样扩孔轴轴线与钻柱中心线不在一条直线上，当钻柱随转盘旋转时，牙轮切削井壁，将井眼扩大。当扩孔轴轴线与钻柱中心线垂直时，活塞下行到活塞限位环，并停止继续下行，此时，扩孔轴轴线与加力器轴线垂直，再使整体钻柱向下推进，将井眼扩至所需井深。为了减小扩孔牙轮钻头的旋转扭矩，增大扩孔能力，在结构上，将多节彼此独立的柱状牙轮安装在同一长扩孔轴上；此外，在扩孔轴中心有水孔，泥浆从中流过，对扩孔轴进行冷却；柱状牙轮之间采用带密封圈限位环的双“O”型密封结构，增加了高速状态下密封的可靠性。
由于采用了上述方案，增大了钻头的扩孔能力，最大扩眼直径可以达到原井眼直径的4～8倍，同时具有小的扭矩和蹩跳，钻头使用寿命长。
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。
图2是本实用新型提出的一种连接销偏离轴线的结构示意图。
图3是本实用新型提出的一种倒“T”形截面双“O”形橡胶密封结构。
图4是本实用新型提出的一种倒“E”形截面双“O”形橡胶密封结构。
图中1.转向加力器，2.软管，3.顶杆，4.连接销，5.水孔，6.密封圈，7.密封圈限位环，8.密封圈，9.切削齿，10.水孔密封圈，11.钢球，12.卡环，13.小轴密封圈，14.外牙轮，15.喷嘴，16.台肩，17.滚柱，18.扩孔轴，19.挡圈，20.切削齿，21.钢球，22.内牙轮，23.密封圈，24.活塞限位环，25.活塞，26.缸体，27.连接丝扣，28.顶杆接触平面，29.塞销。
图1所示，扩孔牙轮钻头包括转向加力器(1)，扩孔轴(18)和牙轮(14)、(22)等三大部分。其中转向加力器(1)由连接丝扣(27)、缸体(26)、活塞(25)、活塞限位环(24)和顶杆(3)组成。连接丝扣(27)用于连接钻柱(图中未画出)，扩孔轴(18)与转向加力器(1)用连接销(4)连接，未转动时，扩孔轴(18)的轴线与转向加力器(1)的轴线在同一直线上，扩孔轴(18)的端部有一顶杆接触平面(28)，其顶杆接触平面(28)与扩孔轴轴线的夹角为α，其α值为35°～55°，最佳值为45°，转向加力器(1)的顶杆(3)下行时，顶着顶杆接触平面(28)，使扩孔轴(18)绕连接销(4)旋转，当旋转到扩孔轴(18)与转向加力器(1)垂直时，活塞(25)与活塞限位环(24)相互接触，阻止活塞(25)继续向下运动，使扩孔轴(18)的旋转运动停止。此时，扩孔轴(18)的轴线与转向加力器(1)的轴线相互垂直。连接销(4)的位置可以在加力器的轴线上，也可偏离加力器轴线一距离L(如图2)，其L值为0～20毫米，以增加扩孔轴顶杆接触平面端的力臂。扩孔轴(18)上安装着可绕轴旋转的柱状或锥状内牙轮(22)和外牙轮(14)，内牙轮(22)和外牙轮(14)上有切削齿(20)和(9)，切削齿可以是钢齿、镶齿或金刚石复合齿，在钢齿的外表面上还敷焊了一层高强度耐磨合金，柱状或锥状内牙轮(22)和外牙轮(14)在轴上采用钢球(21)、(11)锁紧，也可采用卡环锁紧。各牙轮轴承可选用单一的滑动或滚动轴承，也可采用混合轴承，即内牙轮(22)轴承选用滑动轴承，而外牙轮(14)轴承选用滚动轴承，本实施例为混合轴承，其滚柱(17)用外牙轮(14)的内孔台肩(16)和挡圈(19)进行轴向定位。内牙轮(22)和外牙轮(14)用橡胶密封圈(13)、(23)和安装在密封圈限位环(7)上的橡胶密封圈(6)和(8)进行密封。扩孔轴(18)的中心开有一水孔(5)，钻柱(图中未画出)中的高压泥浆经软管(2)流入水孔(5)冷却扩孔轴(18)，然后进入喷嘴(15)，从喷嘴(15)出口处喷出，形成射流以清洗岩屑。喷嘴(15)采用碳化钨烧结而成，用卡环(12)锁紧，用密封圈(10)进行密封。在另一结构中扩孔轴中心也可无水孔。
在图3、图4所示的轴承密封结构中，采用常用的“O”形密封，“O”形密封是一种可靠性较高，密封效果较好的动密封结构，但这种结构不适用高速，对于扩孔牙轮钻头，特别是外牙轮，转速较高，为了避免“O”形密封圈使用在高速状态下，本实用新型在两牙轮之间安装有一种带有密封圈限位环(7)的双橡胶“O”形密封结构，其中密封限位环(7)可绕扩孔轴(18)旋转，是由刚性耐磨合金材料制成，截面形状为倒“T”形(图3)或“E”形(图4)。内牙轮(22)和外牙轮(14)的密封腔是相通的，橡胶“O”形圈与牙轮之间没有相对滑动，而与密封限位环(7)之间有相对滑动。由于密封限位环(7)可绕轴(18)旋转，因此，橡胶“O”形圈与密封限位环(7)的滑动转速不超过两个牙轮转速的差，理想情况下，每个橡胶“O”形圈与密封限位环(7)的滑动转速为两个牙轮转速差的一半。这样橡胶“O”形圈的实际滑动转速比外牙轮(14)或内牙轮(22)相对轴(18)的转速低很多。这种密封结构由于减少了密封圈的摩擦发热，从而大大地提高了整体密封结构的可靠性和使用寿命。
由于井底的破碎面是一圆环面，扩孔牙轮钻头旋转牙轮上的各排齿在井底作纯滚动的转速不同。为了减小钻头的蹩跳，必须使各排齿在井底作纯滚动的转速基本相同，从理论上说，只要将牙轮做成锥体就能达到这一目的。但是，由于受钻头直径的限制，以及考虑到轴的强度要求，牙轮锥度无法满足需求。因此，本实用新型将牙轮做成两个彼此独立的柱状牙轮，如果扩孔直径更大，还可将牙轮做成三个或更多个彼此独立的柱状牙轮，一般牙轮数为2～5个，并采用上述锁紧机构和轴承密封结构，依次将牙轮密封锁紧在同一轴上，每个柱状牙轮上的齿排数根据地层岩性和牙轮高度来确定，一般为1～6排，每个齿排采用不等距布齿，这样可有效避免重复破碎，大大地提高破岩机械钻速。
为便于泥浆的排出，以及提高钻头对井壁岩石的切削，在外牙轮外端面有切削齿，其切削齿可以是钢齿、或镶齿、或金刚石复合齿。在钢齿表面敷焊有一层高耐磨合金。
权利要求1.一种扩孔牙轮钻头，由转向加力器〔1〕、扩孔轴〔18〕和牙轮〔14〕〔22〕组成，其特征是扩孔轴〔18〕与转向加力器〔1〕通过连接销〔4〕连接，在转向加力器顶杆〔3〕的作用下，扩孔轴〔18〕可绕连接销〔4〕旋转到水平位置，扩孔轴〔18〕上安装有多节带齿牙轮。
2.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是牙轮与扩孔轴〔18〕之间，以及牙轮与牙轮之间有密封结构。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的扩孔牙轮钻头，其特征是牙轮与牙轮之间的密封结构是一种带密封圈限位环〔7〕的密封结构，密封限位环〔7〕上有两橡胶密封圈〔6〕〔8〕分别与牙轮构成密封。
4.根据权利要求3所述的扩孔牙轮钻头，其特征是密封限位环〔7〕与扩孔轴〔18〕之间的配合为间隙配合，密封限位环〔7〕可绕扩孔轴〔18〕旋转。
5.根据权利要求3所述的扩孔牙轮钻头，其特征是密封圈限位环〔7〕截面形状为倒“T”形或“E”形。
6.根据权利要求3所述的扩孔牙轮钻头，其特征是密封圈限位环〔7〕由刚性耐磨合金材料制成。
7.根据权利要求3所述的扩孔牙轮钻头，其特征是橡胶密封圈的截面形状可以是圆形、椭圆形、方形或“X”形。
8.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是牙轮与扩孔轴〔18〕之间，以及牙轮与牙轮之间也可以是一种非密封结构。
9.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是扩孔轴〔18〕的长度为牙轮外径的2～5倍。
10.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是扩孔轴〔18〕的连接端顶部有一顶杆接触平面〔28〕。
11.根据权利要求10所述的扩孔牙轮钻头，其特征是起始状态时，顶杆接触平面〔28〕与转向加力器〔1〕轴线的夹角α为35°～55°。
12.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是连接销〔4〕的中心与扩孔牙轮钻头轴线间有一距离L，其值为0～20mm。
13.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是扩孔轴〔18〕上安装的牙轮数不少于2个。
14.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是扩孔轴〔18〕上所安装的牙轮形状是柱状的或锥形的。
15.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是牙轮上带有切削齿，切削齿可以是镶齿、或钢齿、或金刚石复合齿。
16.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是外牙轮外端面上有切削齿，切削齿可以是镶齿、或钢齿、或金刚石复合齿。
17.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是扩孔轴的中心有中心水孔〔5〕。
18.根据权利要求16所述的扩孔牙轮钻头，其特征是中心水孔〔5〕的一端装有喷嘴〔15〕，或不装喷嘴，另一端与转向加力器〔1〕的软管〔2〕相连。
19.根据权利要求1所述的扩孔牙轮钻头，其特征是扩孔轴无中心水孔。
专利摘要本实用新型提出了一种石油、矿山和地质勘探钻井用扩孔牙轮钻头，其扩孔轴上安装多节柱状牙轮，牙轮间有密封圈限位环，密封圈限位环上有两个橡胶“O”形密封圈，扩孔轴中心设计有中心水孔。这种扩孔牙轮钻头具有扩孔能力大、旋转扭矩小、蹩跳小、寿命长的特点。
文档编号E21B10/08GK2356138SQ9824582
公开日1999年12月29日 申请日期1998年11月26日 优先权日1998年11月26日
发明者郭国忠 申请人:江汉石油钻头股份有限公司