一种具有旋转齿的复合钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种具有旋转齿的复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和牙轮，固定切削结构上设置有固定切削齿，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮能相对钻头体转动，钻头体上设有至少一个牙轮，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面或后切削面的几何中心在前切削面的偏移方同侧，前切削面相对后切削面靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。本发明专利技术解决现有技术牙轮上无法采用复合齿（例如PDC齿）的问题，同时其采用与现有技术一致的切削齿（如硬质合金齿）时，切削齿的磨损及磨损钝化速度也均更好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备
，尤其涉及一种复合钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现今钻井工程中所使用的钻头主要有牙轮钻头和PDC（聚晶金刚石复合片）钻头。PDC钻头上的切削齿固接在钻头体上，切削齿与钻头体相对固定，PDC钻头属固定切削结构钻头。牙轮钻头上的牙轮通过轴承系统与钻头体形成转动连接，钻头工作时，钻头体旋转带动牙轮绕钻头轴线转动的同时，牙轮还会绕自身的轴线转动，牙轮上的切削齿在上述两种运动的合成下作复杂的复合运动，牙轮钻头属非固定切削结构钻头。钻头体上同时具有固定切削结构和牙轮结构（非固定切削结构）的复合钻头是近年来逐渐兴起并推广应用的新型破岩工具。复合钻头钻进过程中，牙轮绕钻头轴线旋转的同时还绕自身的轴线自转，牙轮上的切削齿在复杂的复合运动下与井底岩石互作用。牙轮切削齿破岩的过程中，切削齿相对岩石的作用方向在不断变化，有的切削齿甚至相对岩石会变化至反向运动；牙轮与井底岩石恒接触区上的切削齿始终不脱离井底，其相对岩石的作用（刮切）方向在0～360°之间不断变化。这使牙轮上无法直接应用极适合于以刮切方式破岩的聚晶金刚石复合片（PDC齿）等耐磨性极强的金刚石类切削齿。原因在于PDC齿是由基体和聚晶金刚石层两部分组成，对岩石起主要刮切效果的是聚晶金刚石层，PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前基体在后。如果PDC齿在工作过程中受力方向变化幅度过大，或者受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。因此，现有复合钻头的牙轮上的切削齿一般为硬质合金齿，硬质合金齿的耐磨性和硬度远不及PDC齿等金刚石类切削齿。切削齿的耐磨性不足是影响牙轮使用寿命的重要因素，切削齿易磨损直接影响了钻头的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种切削齿可旋转的复合钻头，解决现有技术牙轮上无法采用复合齿（例如PDC齿）的问题，同时其即使采用与现有技术一致的切削齿（如硬质合金齿）时，切削齿的磨损及磨损钝化速度也均更好。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种具有旋转齿的复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和牙轮，固定切削结构上设置有固定切削齿，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮能相对钻头体转动，牙轮上设置有切削齿，钻头体上设有至少一个牙轮，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面或后切削面的几何中心在前切削面的偏移方同侧，前切削面相对后切削面靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。本专利所述前切削面（也可以称为前刀面）是指切削齿对井底地层切削工作时，切下的切屑沿其流出的表面。而后切削面（也可以称为后刀面）则是指切削齿与井底地层相对的表面，后切削面一般是正对着切削深度（进给方向）的面。通常而言，前切削面与后切削面的交线形成切削刃，它担任主要切削工作。相对于常规的硬质合金齿而言，由基体和固结于基体上的耐磨层复合而成的复合齿，其前切削面为耐磨层的前端面，而后切削面则是耐磨层和/或基体的侧面。所谓耐磨层是相对基体而言，其耐磨性更强，对于聚晶金刚石复合片或聚晶金刚石复合齿或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿而言，其耐磨层为聚晶金刚石层，而基体则是硬质合金或孕镶金刚石等，基体处在耐磨层的后部推持支撑着耐磨层的前端面在前进行破岩工作。因此，本专利主要想保护一种具有旋转齿的复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和牙轮，固定切削结构上设置有固定切削齿，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮能相对钻头体转动，牙轮上设置有切削齿，钻头体上设有至少一个牙轮，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿具有耐磨层和基体，并以耐磨层的前端面的几何中心为临界点，旋转齿整体或包括该几何中心的大部分相对旋转齿的旋转轴线偏移，且耐磨层的前端面相对基体靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。此外，显然，本专利的旋转齿也可以应用于硬质合金齿、立方碳化硼或孕镶金刚石齿（块）等齿，此时旋转齿就无耐磨层和基体之分。对于聚晶金刚石复合片或聚晶金刚石复合齿或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿而言，其耐磨层为聚晶金刚石层，而基体则是硬质合金或孕镶金刚石等，此时聚晶金刚石层的前端面则是前切削面，根据其前端面形状的不同，前切削面可以是平面（例如最常见的规则圆柱体PDC齿，其聚晶金刚石层的前端面为一圆形平面）、曲面（例如金刚石层在基体上形成一锥形、半球形或屋脊形/楔形等的前端面）或异形面等各种表面。同样的，后切削面根据金刚石层或基体侧面形状的不同，可以是圆柱面（例如常见的规则圆柱体PDC齿，其聚晶金刚石层的侧面为圆柱面）或其他柱面，也可以是平面等。聚晶金刚石复合片又称PDC齿（PolycrystallineDiamondCompact）或PDC复合片，由聚晶金刚石层和基体两部分组成（参见图12）。PDC齿采用金刚石微粉与硬质合金基片在超高压高温条件下烧结而成。金刚石微粉形成PDC齿的聚晶金刚石层，硬质合金基片成为PDC齿的基体。PDC齿既具有金刚石的高硬度、高耐磨性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料。PDC齿适合于以刮切的方式工作，由于PDC齿的聚晶金刚石层的硬度和耐磨性远远高于硬质合金材料的基体，因此PDC齿在刮切工作时具有自锐性，即聚晶金刚石层的磨损速度明显慢于基体，使PDC齿的切削刃（硬而耐磨的金刚石层）始终保持锐利状态。PDC齿刮切工作时，起主要刮切作用的是聚晶金刚石层。PDC齿的聚晶金刚石层硬而脆，基体相对软但具有很好的抗冲击韧性，因此PDC齿刮切工作时具有方向性，只能是聚晶金刚石层在前基体在后进行刮切（如图13），即基体处在聚晶金刚石层的后部推持支撑着聚晶金刚石层。如果PDC齿在工作过程中反向运动，基体在前聚晶金刚石层在后进行刮切，聚晶金刚石层直接受到反向作用力，很容易造成聚晶金刚石层的崩裂或脱落，严重降低PDC齿的工作寿命，甚至在极短的时间内使PDC齿损坏失效。本专利较现有技术的有益效果是：1、本专利牙轮上的旋转齿接触岩石与岩石互作用破岩时，无论切削齿与岩石接触时的开始状态如何，当切削齿受到岩石的作用力时，由于牙轮上的旋转齿能相对牙轮转动，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面均在偏移方同侧或旋转齿的后切削面的几何中心在偏移方同侧。在岩石反力的作用下，旋转齿均会旋转至齿的前切削面在前，旋转齿的前切削面的背面在后来刮切岩石。且在刮切破岩过程中，无论牙轮如何旋转，牙轮上的旋转齿均会是以前切削面在前，前切削面的背面在后的方位来刮切破岩。旋转齿上的切削元件相对旋转齿的旋转轴线偏移，在外力的作用下，沿垂直于旋转轴线的平面的力（分力）将会推动旋转齿绕其旋转轴线旋转，使旋转齿的前切削面的法线顺着刮切方向来切削破岩，切削齿的前切削面法向始终指向刮切方向。本专利偏置的旋转齿具有方位自调节自适应功能，使旋转齿上的切削元件始终以前切削面在前、前切削面的背面在后的方位来刮切破岩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有旋转齿的复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和牙轮，固定切削结构上设置有固定切削齿，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮能相对钻头体转动，牙轮上设置有切削齿，其特征在于：钻头体上设有至少一个牙轮，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面或后切削面的几何中心在前切削面的偏移方同侧，前切削面相对后切削面靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。

【技术特征摘要】
1.一种具有旋转齿的复合钻头，包括钻头体、固定切削结构和牙轮，固定切削结构上设置有固定切削齿，牙轮与钻头体为转动连接，牙轮能相对钻头体转动，牙轮上设置有切削齿，其特征在于：钻头体上设有至少一个牙轮，牙轮上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与牙轮形成转动连接，旋转齿的前切削面或旋转齿的前切削面的几何中心相对旋转齿的旋转轴线偏移，且旋转齿的后切削面或后切削面的几何中心在前切削面的偏移方同侧，前切削面相对后切削面靠近旋转齿的旋转轴线，并能绕旋转轴线在牙轮上旋转。2.根据权利要求1所述的具有旋转齿的复合钻头，其特征在于：旋转齿包括与牙轮转动连接的旋转轴，以及固定在旋转轴上的切削元件，切削元件选自聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石复合齿、孕镶金刚石齿、立方碳化硼、陶瓷齿、或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿中的一种或多种，且切削元件为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、或聚晶金刚石与孕镶金刚石相复合而成的复合齿时，其切削齿的聚晶金刚石层的前端面为前切削面。3.根据权利要求1所述的具有旋转齿的复合钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炼，杨迎新，谢宗亮，任海涛，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51