盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括钻头体和盘刀，盘刀与钻头体为转动连接，盘刀能相对钻头体转动，盘刀上设置有切削齿，其特征在于：钻头体上设有至少一个盘刀，盘刀上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与盘刀形成转动连接，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，并能绕旋转轴线在盘刀上旋转。

【技术实现步骤摘要】
盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头
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
，尤其涉及一种盘刀钻头。
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。钻头的破岩效率和使用寿命直接影响钻头的使用指标和性能。西南石油大学提出“一种以切削形式破岩的轮式钻头”（专利号ZL201010229375.7）和“一种以切削形式破岩的复合式钻头”（专利号ZL201010229371.9），此两钻头上的转轮（即盘刀，又称轮刀）具有较大的偏移角（偏移角的范围是20°～90°或-90°～-20°），大偏移角使钻头盘刀上的切削齿以切削或刮切方式缓慢交替破碎岩石。两种钻头上的盘刀偏移角较大，盘刀在钻头径向上的覆盖范围较大，盘刀上的切削齿从切入井底到切出井底的刮切距离和时间均较长，盘刀切削齿在破岩的过程中，切削齿相对岩石的作用方向在不断变化。固定在盘刀上的切削齿刮切破岩过程中相对岩石的刮切方向变化，不利于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的使用。原因在于聚晶金刚石复合片（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。固定在盘刀上的切削齿刮切破岩时相对岩石的作用方向变化，会加剧切削齿的磨损和损坏，影响钻头的使用寿命；同时，切削齿刮切岩石的方向变化会降低切削齿刮切破岩的效率，从而降低钻头的破岩效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种盘刀上切削齿可旋转的钻头，以提高钻头的破岩效率和使用寿命。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，包括钻头体和盘刀，盘刀与钻头体为转动连接，盘刀能相对钻头体转动，盘刀上设置有切削齿，钻头体上设有至少一个盘刀，盘刀上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与盘刀形成转动连接，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，并能绕旋转轴线在盘刀上旋转。本专利中提到的盘刀是指具有较大偏移角的盘刀，钻头体上的盘刀的偏移角的范围是20°～90°或-90°～-20°。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。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盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，包括钻头体和盘刀，盘刀与钻头体为转动连接，盘刀能相对钻头体转动，盘刀上设置有切削齿，钻头体上设有至少一个盘刀，盘刀上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与盘刀形成转动连接，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，并能绕旋转轴线在盘刀上旋转。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11）。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12），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齿在工作过程中其相对岩石的刮切运动方向变化过大，将明显降低PDC齿的刮切破岩效率，也易引起PDC齿的损坏和失效。本专利较现有技术的有益效果是：1、本专利盘刀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，由于盘刀上的旋转齿能相对盘刀转动，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，无论盘刀如何旋转，盘刀与岩石的接触关系如何，盘刀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。这将增强盘刀上切削齿的破岩效率和使用寿命。2、本专利盘刀上的旋转齿可相对盘刀转动且旋转齿的切削元件偏置，旋转齿始终以稳定的刮切面相对岩石刮切工作。无论钻头盘刀如何旋转，盘刀及其上的旋转齿的位置如何，不管盘刀上切削齿的刮切运动方向如何变化，盘刀上的旋转齿始终会以其前切削面在前、前切削面的背面在后的方位刮切岩石，旋转齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，包括钻头体和盘刀，盘刀与钻头体为转动连接，盘刀能相对钻头体转动，盘刀上设置有切削齿，其特征在于：钻头体上设有至少一个盘刀，盘刀上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与盘刀形成转动连接，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，并能绕旋转轴线在盘刀上旋转。

【技术特征摘要】
1.一种盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，包括钻头体和盘刀，盘刀与钻头体为转动连接，盘刀能相对钻头体转动，盘刀上设置有切削齿，其特征在于：钻头体上设有至少一个盘刀，盘刀上的切削齿至少有一颗为旋转齿，旋转齿与盘刀形成转动连接，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，并能绕旋转轴线在盘刀上旋转。2.根据权利要求1所述的盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，其特征在于：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的偏移距大于旋转齿的旋转轴半径的八分之一，小于旋转轴半径的两倍。3.根据权利要求1或2所述的盘刀上具有旋转齿的金刚石钻头，其特征在于：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的偏移距在1～32m...

【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，
类型：新型
国别省市：四川,51