一种牙轮式复合PDC钻头

一种牙轮式复合pdc钻头
技术领域
1.本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种钻进钻头。
技术背景
2.pdc钻头是钻井工程中使用得最多的一种用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。pdc钻头依靠高硬度、高耐磨、能自锐的聚晶金刚石复合片来剪切破碎岩石，由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进安全性好，在钻井工程中得到广泛使用。以pdc钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件(对pdc钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或pdc齿)。
3.西南石油大学提交的中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”(专利号：201010229371 .9)中首次将pdc齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角(偏移角a为20
°
≤|a|≤90
°
)的转轮(即本技术所称的牙轮)上。两套切削单元不同的运动模式形成交叉网状的井底，这种交叉切削的破岩方式较大的提高了钻头的机械钻速。西南石油大学提交的另一中国专利“一种复合切削金刚石钻头”（专利号：201710819577.9）中将牙轮设置于一个固定刀翼或固定刀翼之间的水道槽中，形成一种双支撑结构的牙轮式复合pdc钻头。增加了牙轮钻头稳定性的同时也保留了pdc钻头的切削特点。
4.但是，在包括上述专利技术的现有技术中，其储油总成设置在固定刀翼或牙掌上，结构与加工工艺复杂、制造难度大；放置储油总成的孔削弱了刀翼或牙掌的结构强度，会导致钻头整体安全性降低。同时在现有技术中，压盖上均开设有传压孔，在钻井液压力作用下储油总成中的润滑脂被挤压进入到轴承系统中实现润滑。但是钻井液始终存在压力波动，这样就对储油总成造成“抽吸”作用，使润滑脂不能持续供给，对轴承系统的润滑效果也大大降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对具有牙轮结构的复合钻头存在的不足，提出一种新结构的牙轮式复合pdc钻头，以简化钻头结构，降低其加工难度，并提高钻头的结构强度和轴承润滑效果。
6.本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种牙轮式复合pdc钻头，包括有钻头体，延伸自钻头体的固定刀翼，以及设置在固定刀翼或牙掌上的牙轮，在固定刀翼和牙轮上均镶固定有切削齿，所述牙轮的心轴与其支撑刀翼或牙掌构成转动连接，在牙轮或心轴内部设置有储油总成，它通过压盖封存在心轴上，在压盖上还设有单向阀，在井底钻井液压力的波动作用下，通过单向阀使储油总成始终维持在高压状态。
7.作为优选，所述心轴为双支撑结构，前后分别与前支撑刀翼和后支撑刀翼构成转动连接，或在同一刀翼上构成双支撑转动连接，在牙轮内部设置有储油总成，它通过压盖封
存在心轴上，在压盖上还设置有单向阀。
8.上述方案中，所述心轴采用双支撑结构，能够充分合理利用钻头的空间结构，提高钻头支撑体的刚度和回转精度。
9.作为优选，所述牙轮通过平键或者花键与心轴形成固定连接。
10.上述方案中，平键与花键连接可靠性高，装配加工简便。
11.作为优选，在心轴内部设置孔道，润滑脂经由孔道传送至心轴与牙轮，心轴与刀翼或牙掌连接位置的转动副。
12.上述方案中，润滑脂可快速流通至转动副表面，流经路径短，沿程损耗小，润滑效率高。
13.作为优选，所述心轴与固定刀翼或牙掌连接处设置径向轴承或止推轴承。
14.上述方案中，当牙轮转动带动心轴转动时，轴承能够提供更好的回转稳定性，更高的回转精度，并且具有耐磨性好等优点。
15.作为优选，所述心轴与固定刀翼或牙掌，以及心轴与牙轮连接处的转动副间设置有密封圈。
16.上述方案中，密封圈可有效阻断外界磨粒进入转动副，减低磨损。
17.本技术发明旨在提供一种高效润滑、结构简单且稳定性好的牙轮式复合pdc钻头结构，因此现有牙轮-pdc复合钻头或盘刀式复合pdc钻头均可使用本发明所提供的技术方案。
18.本发明专利所能够实现的有益效果包括：1. 在井底钻井液压力的波动作用下，通过单向阀使储油总成始终维持在高压状态，润滑脂能够连续不断的被挤压进入到轴承系统中，从而大大提高对轴承系统的润滑效果。
19.2. 储油总成设置在牙轮内部，简化了固定刀翼或牙掌的结构，降低了加工制造工艺难度。
20.3. 相对于常规牙轮-pdc复合钻头储油总成设置在牙掌内部，本发明技术方案提高了钻头（特别是固定刀翼或牙掌）的结构强度和可靠性。
21.4. 润滑脂经过的孔道路径相对常规牙轮-pdc复合钻头的润滑脂流通路径短，流通路径上的沿程损耗小，提高了润滑能力和效果。
附图说明
22.本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中：图1是本发明中实施例一的正视图；图2是本发明中实施例一的俯视图；图3是本发明中实施例一的牙轮截面剖视图；图4是本发明中实施例二的俯视图；图5是本发明中实施例二的牙轮截面剖视图；图6是本发明中实施例三的俯视图；图7是本发明中实施例三的牙轮截面剖视图；图8是本发明中实施例四的俯视图；
图9是本发明中实施例四的牙轮截面剖视图；图10是本发明中实施例五的牙轮截面剖视图；图11是本发明中实施例六的牙轮截面剖视图；附图标记：1—钻头体；11—水眼；2—固定刀翼；21—前支撑刀翼；22—后支撑刀翼；3—牙掌；4—牙轮；5—切削齿；51—复合片齿；52—硬质合金齿；6—心轴；61—孔道；62—滚珠通道；7—储油总成；81—平键；82—花键；83—滚珠；84—密封圈；841—第二密封圈；842—第三密封圈；85—卡簧；86—压盖；861——单向阀；91—径向轴承；92—止推轴套。
具体实施方式
23.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
24.本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可以被其他等效或具有类似的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每一个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
25.下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
26.实施例一：如图1、图2、图3所示，一种牙轮式复合pdc钻头，包括钻头体1、水眼11，延伸自钻头体1的固定刀翼2和牙掌3，设置在牙掌3上的牙轮4，在固定刀翼2和牙轮4上均镶固有复合片齿51，切削齿5为复合片齿51或硬质合金齿52，牙轮4能够相对于其自身心轴6做旋转运动，其中牙轮4为一种盘刀式结构。心轴6通过滚珠83轴向锁紧固定在牙掌3上，牙轮4通过平键81与心轴6固定连接。在牙轮4内部设置有储油总成7用于存储润滑油或润滑脂，可经由孔道61输送至转动副实现润滑。在牙轮4上还设置有压盖86通过卡簧85将储油总成7封隔在牙轮4内部，在压盖上86设置有单向阀861。滚珠83经由滚珠通道62安装至转动副之间，在牙轮4和牙掌3之间还设置有密封圈84实现密封。
27.在传统技术中，储油总成均设置在牙掌内部，输送润滑脂的孔道一般为细长孔，并且还与滚珠通道交错布置。牙掌为异型件，结构复杂，在钻井施工中承受巨大的工作载荷。因此，传统牙掌不仅难于加工，而且是复合钻头的易损件，经常会发生断牙掌事故的发生。另外，现有技术中压盖上开设有传压孔，在钻井液压力作用下储油总成中的润滑脂被挤压进入到轴承系统中实现润滑。但是钻井液始终存在压力波动，这样就对储油总成造成“抽吸”作用，使润滑脂不能持续供给，对轴承系统的润滑效果也大大降低。
28.本技术方案中，将储油总成7直接安装在牙轮4内部，并且在压盖86上设置有单向阀861，当润滑脂发生损耗后，在外部钻井液压力环境下储油总成7中的润滑脂通过孔道61直接输送至心轴6的转动副来实现润滑。
29.本技术方案中，在井底钻井液压力的波动作用下，通过单向阀使储油总成始终维持在高压状态，润滑脂能够连续不断的被挤压进入到轴承系统中，从而大大提高对轴承系统的润滑效果。同时，牙掌结构的简化，能够显著减低加工制造难度，提高结构强度。
30.实施例二：如图4、图5所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：心轴6与牙掌3为一体式结构，在牙轮4上镶固有硬质合金齿52；牙轮4可相对于心轴6转动，它们之间不设
置平键。
31.本实施例是在常规牙轮-pdc复合钻头基础上的创新优化应用，其目的是简化牙掌3结构，提高结构强度，降低制造工艺难度，同时改善钻头的润滑效果。
32.实施例三：如图6、图7所示，本实施例与“实施例一”基本相同。其不同之处在于：心轴6由前支撑刀翼21和后支撑刀翼22支撑，为一种双支撑结构；在前支撑刀翼21和心轴6之间还设置有径向轴承91；在后支撑刀翼22和牙轮4之间设置有密封圈84，在前支撑刀翼21和心轴6之间设置有第二密封圈841，在压盖86和前支撑刀翼21之间设置有第三密封圈842。
33.本实施例是在常规双支撑盘刀复合pdc钻头基础上的创新优化应用，心轴由前、后支撑刀翼支撑，具有更好的稳定性，心轴与牙轮的对中性好，对心轴强度削弱较小，能承受更大的载荷以及转动精度高的特点。
34.实施例四：如图8、图9所示，本实施例与“实施例三”基本相同。其不同之处在于：心轴6纵向安装在固定刀翼2上，前后支撑载荷均由固定刀翼2承担；牙轮4上镶固有硬质合金齿52；心轴6和固定刀翼2之间设置有密封圈84和第二密封圈841，压盖86和固定刀翼2之间设置有第三密封圈842。
35.本实施例是在常规双支撑牙轮复合pdc钻头基础上的创新优化应用，心轴两端由同一个刀翼支撑，具有更好的稳定性，也能够使心轴与牙轮具有良好的对中性，能承受更大的载荷以及转动精度高的特点。
36.实施例五：如图10所示，本实施例与“实施例三”基本相同。其不同之处在于：在心轴6和后支撑刀翼22之间还设置有止推轴承92。
37.本实施例中设置止推轴承92能够更好的实现支撑精度，具有更高的耐磨性，能更进一步保障回转精度和使用寿命。
38.实施例六：如图11所示，本实施例与“实施例五”基本相同。其不同之处在于：在心轴6和牙轮4之间为花键82连接。
39.本实施例中通过花键连接牙轮和心轴，具有更好的传动承载能力。