CN1464171A - 具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻井工程中使用的牙轮钻头。其特点是，在原有牙轮钻头的牙爪轴颈上设置了一个防止牙轮脱落的预警装置，该装置由轴颈上一个沿牙轮绕轴颈转动方向深度渐浅的周向滚道槽和置于该槽内的滚动体及锁楔组成。当轴承副磨损量达到预定危险界限时，牙轮被憋卡在轴颈上，钻头工作扭矩和机械钻速急剧变化，钻台工作人员可据此作出钻头已接近失效，应及时起出钻头的判断，既避免了过早起出钻头，又防止了牙轮脱落，从而降低了钻井成本。由于防牙轮脱落预警装置上的锁楔承载能力大，本发明能够满足各种工况、特别是大钻压情况的要求。

Description

具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头

技术领域：

本发明涉及各类钻井工程(石油天然气钻井、矿山工程、基础工程施工等)中使用的牙轮钻头及滚轮钻头。

背景技术：

在钻井工程中使用的牙轮钻头，通常是由钻头体和牙轮组成，牙轮安装于钻头体的牙爪轴颈上。在钻头工作时，牙轮既随牙爪轴颈一起绕钻头轴线公转，又绕牙爪轴颈自转。在这种复合运动下，牙轮上的牙齿对井底岩石产生冲击、压入和刮挤等破岩作用。为将牙轮准确地安装在牙爪轴颈上并防止牙轮从牙爪轴颈上脱落，通常是采用一组钢球或卡簧作为牙轮在牙爪轴颈上的定位和防脱装置(又称锁定装置)。钢球锁定方式是最传统也是最常见的一种牙轮锁定方式，至今仍然在国内外大多数牙轮钻头产品中发挥着重要作用。其缺点是，当牙轮牙爪轴承副磨损量过大时，钢球会从牙轮内孔与牙爪轴颈之间已被磨大了的间隙中脱出，进而导致牙轮脱落。卡簧锁定方式是美国Baker Hughes公司使用的技术(美国专利号4491428)，这种技术存在的问题是，当牙爪轴承止推面过量磨损时，轴承承载能力下降，卡簧槽有可能发生塑性变形，将卡簧咬死，使其丧失弹性，从而导致防脱作用失效。

牙轮钻头失效的形式有多种，其中后果最为严重的是牙轮脱落。牙轮脱落事故一旦发生，将给后续的钻井工作带来很大的困难，严重影响钻井进程，增加钻井成本。牙轮脱落的根本原因在于牙轮锁定装置的失效，这种情况一般发生在钻头牙轮牙爪轴承副过度磨损的场合。因此，为了避免牙轮脱落，必须在牙轮锁定装置失效前将钻头从井中起出。然而，由于井下工作情况的复杂性以及钻柱的柔性，井场工作人员很难准确地判断钻头在井下的磨损状况，尤其在深井和小井眼钻井中更是如此。为了避免掉牙轮事故发生，实际钻井作业中只好按保守的方法粗略估计钻头的寿命，提前起出钻头。这种做法虽然可以减小牙轮脱落的可能性，但却是以钻头工作能力的牺牲或浪费为代价的(大量的钻头起出后仍有相当高的新度)。尽管如此，由于钻头制造质量的不稳定或其它原因，牙轮脱落事故仍然时有发生。具有关资料统计，国外钻井行业平均的牙轮脱落比率(即发生牙轮脱落的钻头占使用钻头总数的比例)约为1.5％。国内虽无类似统计数字，但“掉牙轮”现象的确是牙轮钻头使用过程中存在的一个严重问题。因此，如何使地面操作人员比较准确地判断牙轮牙爪轴承副的磨损是否达到危险界限，以便适时地起出钻头，防止牙轮脱落，这是国内外钻头设计与制造者们所关注的问题。

迄今为止，国外企业在提高牙轮防脱落能力方面进行过研究并见诸报道的，主要有美国的REED钻头制造公司的专利(美国专利号5383525)和RBI钻头制造公司的专利(美国专利号4730681)。REED公司采用的是“丝扣环”牙轮锁定装置，即用两瓣对开的丝扣环代替钢球或卡簧，据介绍，该结构可以显著提高钻头防止牙轮脱落的能力(其牙轮脱落率仅为常规轴承钻头的1/3)。但该技术只是提高了锁定装置的承载能力，仍然存在无法对牙轮脱落进行预警(即在牙轮脱落前向地面发出报警信号)的缺点。RBI公司采用的技术是在钢球锁定装置的滚道边缘增加了一个斜槽，利用轴承过量磨损时锁定钢球在槽内的憋卡现象进行预警。这种技术存在的问题是，由于锁定钢球与斜槽以及牙轮内孔的接触均为点接触，故在大钻压条件下工作时，钢球可能无法将牙轮完全卡死，从而导致预警功能不能可靠地实现。除了上述技术外，国外专利文献中与牙轮锁定技术相关的还有美国专利4596472、4538928、4161343、5586611、5383525、4506997、4491428、4444518、4730681、5024539、4181377、4874047、5853245等，这些技术基本上未在实际的钻头产品中得到应用。国内虽然也曾有人在牙轮防脱落技术方面做过研究工作，但至今未见切实有效的新技术。

为了能在牙轮脱落之前向地面发出可靠的报警信号，以便井场地面工作人员及时起出钻头，我们在专利01206344.4中，提出了在牙爪轴颈上设置一个防止牙轮脱落的预警装置。该装置由牙爪轴颈上深度渐浅的滚道槽和置于该槽内的滚动体组成，滚道槽深度渐浅的方向与牙轮绕牙爪轴颈转动的方向一致。在钻头工作过程中，随着轴承副磨损量逐渐增大，轴承副之间的间隙越来越大，当磨损量达到一定限度时，滚动体便沿滚道槽滚动。由于滚道槽的深度是渐浅的，且滚道槽各处均满足摩擦自锁条件，因而，随着滚动体沿滚道的滚动，其承受的压力和摩擦力会越大，最终将牙轮憋死在轴颈上，使牙轮不再绕牙爪轴颈转动。此时钻头的工作扭矩急剧增大，机械钻速急剧下降，钻台工作人员即可根据此报警信号判定钻头轴承已临近失效，应该及时起出钻头。实践证明，上述装置具有良好的自启动性能，一般情况下能起到有效的预警作用，但由于滚动体与滚道及牙轮内孔的接触为线接触或点接触，因而滚动体的承载能力较低，在大钻压条件下不能充分满足卡死牙轮的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头，该钻头能够在大钻压等各种工作条件下具有防牙轮脱落的预警功能，当轴承磨损量达到预定的危险界限时，预警装置启动并向地面发出“报警”信号，地面工作人员可以据此作出钻头已接近失效的判断，及时起出钻头，从而防止牙轮脱落情况的发生，提高钻井效率，降低钻井成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

牙轮钻头的组成部件与现有牙轮钻头的组成部件相同，主要由钻头体(1)和牙轮(4)组成，牙轮(4)上有牙齿(5)，牙轮(4)的内孔安装在钻头体(1)的牙爪轴颈(2)上，且相互配合构成牙轮牙爪轴承副，牙轮牙爪轴承副之间有密封圈(3)及起定位、防脱作用的锁定装置(6)。其特征在于：在牙爪轴颈(2)上设置了一个防止牙轮脱落的预警装置，该装置由牙爪轴颈(2)上一个深度渐浅的周向轨道槽(11)和置于该槽内的滚动体(7)及锁楔(8)组成。轨道槽(11)深度渐浅的方向与牙轮(4)绕轴颈(2)转动的方向一致。槽(11)的起始深度小于滚动体(7)的直径，在槽(11)底部的起始端沿平行于轴颈轴心线的方向开有一个滚动体初装槽(10)，滚动体(7)装在初装槽(10)中。在预警装置启动之前，滚动体(7)不对轴承副的运转产生任何影响。在与槽(11)起始端相距适当距离处安装锁楔(8)，它由定位件(9)固定在初始位置上，也可以通过粘结或低强度焊接等方式固定在初始位置上。锁楔(8)是一个从一端至另一端厚度逐渐变小的曲面楔形物。锁楔(8)装入轨道槽(11)后，其底面(即下部工作面)与轨道槽(11)的底面相接触。在预警装置启动之前，锁楔(8)不对轴承副的运转产生任何影响。

当钻头处于工作状态时，牙轮内孔、牙爪轴颈轴承副相互接触，在牙轮内孔与轨道(11)底面之间形成了一个深度沿牙轮绕轴颈转动方向逐渐变浅的曲面楔槽。轨道槽(11)的工作曲面(即槽的底面)可以是使锁楔(8)在该曲面楔槽中满足摩擦自锁条件的任意曲面，即当向牙轮施加垂直于锁楔工作面的径向载荷时，轨道槽中与牙轮内孔和轨道底面同时接触的锁楔，其工作面静摩擦力应不小于使锁楔向槽较深的方向滑出的力，以使锁楔保持原位，不会向外滑出。

初装槽(10)的宽度(2b)以及滚动体半径(r)的设计准则是，在确定了轨道(11)的起始深度以及轴承副的最大允许间隙(δmax)后，滚动体(7)的半径(r)与初装槽(10)的宽度(2b)的匹配应满足以下准则：当滚动体(7)与轨道起始点(C)以及磨损后的牙轮内孔同时接触时，二接触点连线(BC)与接触点法线(BO₀、CO₀)之间的夹角为接触副的静摩擦角(α₀)。其中，O₀为滚动体(7)的中心点(参看图7)。

轴承副允许的最大间隙(δ_max)也即预警间隙，它是轴承副的最大允许磨损量(包括牙轮内孔的磨损量与牙爪轴颈磨损量)与轴承初始间隙之和。因为轴承副的最大允许磨损量一般远大于轴承的初始间隙，故也可近似认为最大允许间隙(δ_max)就是最大允许磨损量。

锁楔(8)上部工作面的形状与牙轮内孔表面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，上部工作面应是外凸的；下部工作面的形状与轨道槽(11)底面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，下部工作面应是内凹的。上部工作面可以是光滑曲面，也可以是粗糙曲面(如滚花加工面等)，还可以加工成有若干个齿的表面。当上部工作面是非光滑面时，其外缘尖点包络面的形状与牙轮内孔表面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，该包络面应是外凸的。锁楔(8)的上部工作面与牙轮内孔之间的摩擦系数大于锁楔(8)的下部工作面与轨道(11)底面之间的摩擦系数。

预警装置的工作原理是：在新钻头开始工作时，轴承间隙很小，随着钻头的振动，滚动体(7)会上下左右微幅跳动。在滚动体(7)的跳动过程中，有可能出现滚动体(7)与轨道槽(11)的起始点C以及牙轮(4)内孔同时接触的情况，但此时接触状况不满足摩擦自锁条件，滚动体(7)会很快脱离此状况回到初装槽(10)中。随着轴承副磨损量的逐步增大，轴承副之间的间隙越来越大，滚动体(7)的跳动幅度也随之增加。当磨损量达到一定限值(预警磨损量)时，一旦滚动体(7)运动到与滚道(11)的起始点C以及牙轮内孔同时接触的位置时，摩擦自锁条件成立，滚动体(7)将无法回到初装槽(10)，而是进入轨道槽(11)并沿轨道(11)滚动。滚动体(7)运动至与锁楔(8)相接触时，施加在锁楔(8)上的力逐渐增大，直至使定位件(9)或其它初始定位方式失效，滚动体(7)推动锁楔(8)沿轨道(11)滑动，使锁楔(8)的上部表面与牙轮内孔相接触。由于轨道(11)的深度是逐渐变浅的，轨道(11)各处均满足摩擦自锁条件，且锁楔(8)的上部工作面与牙轮内孔之间的摩擦阻力大于锁楔(8)的下部工作面与轨道底面之间的摩擦阻力，故锁楔(8)将在牙轮(4)与轴颈(2)的相对转动过程中随牙轮一起运动。随着锁楔(8)向轨道槽狭窄方向的运动，锁楔(8)与牙轮内孔以及轨道槽(11)之间的作用力逐渐增加，锁楔(8)的上部工作面将逐渐吃入牙轮孔壁(参看图9)，牙轮转动的阻力也越来越大，最终牙轮(4)将被卡死在轴颈(2)上，不再绕轴颈(2)转动。此时，轴承副的磨损随之停止，同时钻头的工作扭矩急剧增大，机械钻速急剧降低，钻台工作人员即可根据此报警信号判定钻头轴承已失效，应该即时起出钻头。

本发明的优点是：

(1)防牙轮脱落预警装置(以下简称预警装置)中的滚动体能够在轴承副磨损量达到一定限值时适时启动，继而推动锁楔沿轨道槽运动，由于锁楔与牙轮内孔及轨道槽的接触均为面接触，承载能力大大加强，因而能够在各种工作条件(特别是大钻压)下将牙轮卡死在轴颈上，使钻头的工作扭矩急剧增大，机械钻速急剧降低，钻台工作人员即可根据这一报警信号判定轴承已失效，应该及时起出钻头。这样，既防止了牙轮脱落，又避免了过早起出钻头，从而使钻头充分发挥破岩的潜能，减少不必要的起、下钻，有利于降低钻井成本。

(2)能够控制轴承的最大允许磨损量，当轴承的磨损量达到此限值时，预警装置启动，牙轮被憋卡在轴颈上，不再绕轴颈转动，因此可以有效地避免轴承的进一步磨损。由于轴承的最大允许磨损量小于可能使锁定钢球脱出的轴承间隙，故原有的锁定钢球可以保证牙轮不脱落。

(3)由于预警装置限制了轴承副的最大磨损量，故原有的锁定钢球的直径可以减小，相应地，轴颈滚珠槽及牙轮滚珠槽的宽度和深度均可减小，有利于增大轴承的承载面积，提高牙轮壳体的强度。

附图说明

图1是牙轮钻头示意图。

图2是设置有防牙轮脱预警装置的牙爪轴颈与牙轮的装配示意图。

图3为图2在预警装置位置的剖视图。

图4为图3的局部放大图。

图5是预警装置中的锁楔采用弹簧——钢球定位结构示意图(图4的局部剖视图)。

图6是预警装置中的锁楔采用销定位结构示意图(图4的局部剖视图)。

图7是滚动体启动状态示意图。

图8是预警装置的滚动体与轨道槽、牙轮内孔及锁楔同时接触情况示意图。

图9是预警装置中的锁楔吃入牙轮内孔壁的示意图。

图10、图11是预警装置中的锁楔结构示意图。

图12、图13、图14分别是预警装置中的预警滚动体为螺旋弹性滚动体、空心弹性滚动体以及实心弹性滚动体时的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图说明本发明的具体实施方式。

牙轮钻头的组成部件与现有牙轮钻头的组成部件相同，主要由钻头体(1)和牙轮(4)组成，牙轮(4)上有牙齿(5)，牙轮(4)的内孔安装在钻头体(1)的牙爪轴颈(2)上，且相互配合构成牙轮牙爪轴承副。牙轮钻头可以是单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头或多牙轮钻头，图1所示为三牙轮钻头示意图。牙齿(5)可以是镶齿或铣齿。牙轮牙爪轴承副之间有密封圈(3)及起定位、防脱作用的锁定装置(6)，该锁定装置可以是钢球锁定装置，也可以是卡簧或其它种类的锁定装置，图2所示锁定装置(6)采用钢球锁定。在牙爪轴颈(2)上设置了一个预警装置，该装置由牙爪轴颈(2)上一个深度渐浅的周向轨道槽(11)和置于该槽内的滚动体(7)及锁楔(8)组成。轨道槽(11)深度渐浅的方向与牙轮(4)绕轴颈(2)转动的方向一致。轨道槽(11)的起始深度小于滚动体(7)的直径。当钻头处于工作状态时，牙轮内孔、牙爪轴颈轴承副相互接触，在牙轮内孔与轨道(11)底面之间形成了一个深度沿牙轮绕轴颈转动方向逐渐变浅的曲面楔槽。轨道槽(11)底曲面可以是使锁楔(8)在该曲面楔槽中满足摩擦自锁条件的任意曲面，即当向牙轮施加垂直于锁楔工作面的径向载荷时，轨道槽中与牙轮内孔和轨道底面同时接触的锁楔，其工作面静摩擦力应不小于使锁楔向槽较深的方向滑出的力，以使锁楔保持原位，不会向外滑出。在槽(11)底部的起始端沿轴颈轴心线的方向开有一个滚动体初装槽(10)，滚动体(7)装在初装槽(10)内。在预警装置启动之前，滚动体(7)不对轴承运转产生任何影响。初装槽(10)的形状可采用直边槽、曲边槽、圆孔或圆窝，其形状取决于滚动体(7)的形状。当采用图柱形滚子时，初装槽(10)为平行于牙爪轴颈轴线的直槽；当采用腰鼓形滚子时，初装槽(10)为与滚子母线轮廓相谐调的曲边槽；当采用球形滚珠时，初装槽(10)为圆孔或圆窝。图3、图4所示的初装槽(10)为平行于牙爪轴颈轴线的直边槽，滚动体(7)为圆柱形滚子。当滚动体(7)为圆柱形滚子时，可以是螺旋弹性滚子、空心弹性滚子或实心弹性滚子(如图12、图13、图14所示)。滚动体初装槽(10)的宽度以及滚动体的直径根据轴承副允许的最大磨损量确定，其设计准则是：在确定了滚道槽(11)的起始深度以及轴承副的最大允许间隙(δ_max)后，滚动体(7)的半径(r)与初装槽(10)的宽度(2b)的匹配应满足以下准则：当滚动体(7)与轨道起始点(C)以及磨损后的牙轮内孔同时接触时，二接触点连线(BC)与接触点法线(BO₀、CO₀)之间的夹角为接触副的静摩擦角α₀。其中，O₀为滚动体(7)的中心点(参看图7)。锁楔(8)安装于槽(11)内的适当位置处，用定位件(9)固定在初始位置上。定位件(9)可采用弹簧——钢球结构(如图5所示)或定位销(如图6所示)等机械式定位方法，也可以采用粘结或低强度焊接等定位方法。当预警装置启动后，滚动体(7)施加在锁楔(8)上的力达到一定程度时，定位结构失效。锁楔(8)是一个从一端至另一端厚度逐渐变小的曲面楔形物，其宽度小于轨道槽(11)的宽度。锁楔(8)装入轨道槽(11)后，其底面(即下部工作面)与轨道槽(11)的底面相接触。在预警装置启动之前，锁楔(8)不对轴承副的运转产生任何影响。锁楔(8)上部工作面的形状与牙轮内孔表面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，上部工作面应是外凸的；下部工作面的形状与轴颈轨道槽底面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，下部工作面应是内凹的。上部工作面可以是光滑曲面，也可以是粗糙曲面(如滚花加工面等)，还可以加工成有若干个齿的表面(如图10、图11所示)。当上部工作面是非光滑曲面时，其外缘尖点包络面的形状与牙轮内孔表面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，该包络面应是外凸的。

Claims (4)

1.一种具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头，主要由钻头体(1)和牙轮(4)组成，牙轮(4)上有牙齿(5)，牙轮(4)的内孔安装在钻头体(1)的牙爪轴颈(2)上，且相互配合构成牙轮牙爪轴承副，牙轮牙爪轴承副之间有密封圈(3)及起定位、防脱作用的锁定装置(6)，其特征在于：在牙爪轴颈(2)上设置了一个防止牙轮脱落的预警装置，该装置由牙爪轴颈(2)上一个深度渐浅的周向轨道槽(11)和置于该槽内的滚动体(7)及锁楔(8)组成，轨道槽(11)深度渐浅的方向与牙轮(4)绕轴颈(2)转动的方向一致，槽(11)的起始深度小于滚动体(7)的直径，在槽(11)底部的起始端沿平行于轴颈轴心线的方向开有一个滚动体初装槽(10)，滚动体(7)装于初装槽(10)内，在与槽(11)起始端相距适当距离处安装锁楔(8)，它由定位件(9)固定在初始位置上，也可以通过粘结或低强度焊接等方式固定在初始位置上，锁楔(8)是一个从一端至另一端厚度逐渐变小的曲面楔形物，锁楔(8)装入轨道槽(11)后，其底面与轨道槽(11)的底面相接触，在预警装置启动之前，锁楔(8)不对轴承副的运转产生任何影响。

2.根据权利要求1所述的具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头，其特征在于：轨道槽(11)的槽底曲面可以是使锁楔在牙轮内孔与轨道槽(11)底面之间形成的曲面楔槽中满足摩擦自锁条件的任意曲面，即当向牙轮施加垂直于锁楔工作面的径向载荷时，轨道槽中与牙轮内孔和轨道底面同时接触的锁楔，其工作面静摩擦力应不小于使锁楔向槽较深的方向滑出的力，以使锁楔(8)保持原位，不会向外滑出。

3.根据权利要求1所述的具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头，其特征在于：初装槽(10)的宽度(2b)以及滚动体的半径(r)的设计准则是，在确定了轨道槽(11)的起始深度以及轴承副的最大允许间隙(δ_max)后，滚动体半径(r)与初装槽(10)的宽度(2b)的匹配应满足：当滚动体(7)与轨道起始点(C)以及磨损后的牙轮内孔同时接触时，二接触点连线(BC)与接触点法线(BO₀、CO₀)之间的夹角为接触副的静摩擦角(α₀)。

4.根据权利要求1所述的具有防牙轮脱落预警装置的牙轮钻头，其特征在于：锁楔(8)上部工作面的形状与牙轮内孔表面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，上部工作面应是外凸的，下部工作面的形状与轨道槽(11)底面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，下部工作面应是内凹的，上部工作面可以是光滑曲面，也可以是粗糙曲面，还可以加工成有若干个齿的表面，当上部工作面是非光滑曲面时，其外缘尖点包络面的形状与牙轮内孔表面相适应，即在垂直于轴颈中心线的截面内，该包络面应是外凸的，锁楔(8)的上部工作面与牙轮内孔之间的摩擦系数大于锁楔(8)的下部工作面与轨道底面之间的摩擦系数。

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