一种套管损坏井修复用长寿命复合钻头

摘要

本发明涉及一种套管损坏井修复用长寿命复合钻头，主要由多排齿、滚滑复合轴承、密封组合、牙掌体、水孔等组成，滚滑复合轴承下部采用空心滚子结构，具有散热能力较强，且能高速运转；橡胶滑块磨损速度较慢，且有利于减少轴颈上的接触压力；密封组合具有旋转密封和轴向、径向密封的优点；能承受高转速和较高的负载，并具备较强的抗冲击性能，保证了复合钻头在高转速和中高钻压条件下的轴承寿命；提高了复合钻头的转速；旋转密封和轴向、径向密封效果出色；在动态载荷下寿命较轴承最大载荷能力强，相比同类修井用复合钻头设有橡胶滑块，防止轴承的快速磨损。

说明书

技术领域

本发明涉及钻井装备技术领域，特别涉及一种套管损坏井修复用长寿命复合钻头。

背景技术

目前国内很多油井采油已进入中后期，由于套管长期受到地层的挤压，流体介质的侵蚀，特别是一些增产措施如注气、注水、酸化压裂、蒸汽吞吐的应用，加速了套管的损坏:如套管缩径变形、套管破裂或套管错断等现象，严重影响了油水井的正常生产。当套管出现严重变形、破裂或错断后，常规的磨鞋、铣锥等磨铣工具经常出现磨偏导致磨出套管的现象，增加了下一步施工的难度，严重的还会导致油水井报废，严重延误了修井周期，增加了修井成本，影响了原油的产量。套管变形破裂、甚至断开，虽然用磨鞋磨铣时易开窗，形成套管外通道，但磨铣工具存在强度不足、磨铣点少的缺点，容易造成卡钻工程重大事故，且弯曲套管是一段变形，很容易铣掉大面积套管，造成井壁坍塌，正常循环洗井建不起来，造成修井失败，针对存在的问题，需要进行了磨铣工具、磨铣工艺和临时防砂工艺研究。

对于铣锥、磨鞋等磨铣工具的结构设计和工艺制造，而多刃平底磨鞋在进行套管损坏井作业，容易打刀，磨损速度快，使用寿命短，增加起下钻作业次数，大大降低了作业效率。

上述现有修井用复合钻头存在下述问题：滑动轴承不能承受高转速，而滚动轴承难以承受高修井钻压，因此轴承寿命显著降低；高转速钻井同时要配合较高的钻压，牙齿所受的冲击相对明显增大，钻头横向和纵向振动更严重，因而牙齿磨损快，容易发生牙齿折断，从而降低钻进效率，和常规铣锥、磨鞋等磨铣工具类似，常规修井用复合钻头也不可避免与套管内壁发生摩擦作用，损伤套管内壁面。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种套管损坏井修复用长寿命复合钻头，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种套管损坏井修复用长寿命复合钻头，包括：牙轮轴承1、锁紧钢球2、一排齿3、滚柱4、空心滚柱5、背锥齿6、密封组合7、牙掌体8、牙掌轴承9、橡胶滑块10、塞销孔11、进油孔12、水孔13、二排齿14、三排齿15、四排齿16和五排齿17；

所述牙轮轴承1、牙掌轴承9、小滚柱4、空心滚柱5和橡胶滑块10组成滚滑复合轴承，牙掌轴承9表面围绕多个橡胶滑块10和空心滚柱5，以两块橡胶滑块10之间设置一根空心滚柱5的方式排列；小滚柱4安装在在牙轮轴承1和牙掌轴承9的形成的上部环形空隙位置，空心滚柱5安装在在牙轮轴承1和牙掌轴承9的形成的下部环形空隙位置；

所述橡胶滑块10的外圆弧面直径与牙轮轴承1内孔直径相同，长度与空心滚柱5相同，径向厚度与空心滚柱5直径相同，橡胶滑块10节圆弧长小于的空心滚柱5直径，橡胶滑块10两侧侧面相平行。

牙掌轴承1上设置牙轮，牙轮上布设梯度合金齿，梯度合金齿有五排，包括：一排齿3、二排齿14、三排齿15、四排齿16和五排齿17。

所述牙掌体8经过锻造成型，利用五轴联动组合铣床进行塞销孔11、进油孔12、水孔13的钻孔加工；塞销孔11设在牙掌体8掌背上部，进油孔12设在牙掌体8下部的凹槽位置，水孔13在牙掌体8凸出部位。

所述牙轮轴承1内孔部位加工有密封环槽，密封组合7安装在牙轮轴承1的密封环槽中，且牙轮轴承1、牙掌体8和空心滚柱5装配后将密封组合7压紧，形成高可靠性密封结构。

进一步地，所述一排齿3、二排齿14形状为前部呈圆弧状，圆弧状部位为陶瓷/金属功能梯度合金齿，三排齿、四排齿前端部位为锥形并为金刚石焊接层，五排齿为整体硬质合金结构，背锥齿6镶嵌压入在牙轮45度斜面位置，背锥齿6为金刚石与硬质合金结合结构。

进一步的，所述滚滑复合轴承的小滚柱4和空心滚柱5的材料为60Si2Mn，硬度HRC55～58，弧形橡胶滑块材料为W6Mo5Cr4V2，硬度HRC56～60。

进一步的，所述密封组合7由O型密封圈座701和O型密封圈702组成，O型密封圈702镶嵌在O型密封圈座701的槽中，轴承密封部分选用密封组合7的O型密封圈座701,O型密封圈702为适应高转速密封圈采用大截面，小压缩量设计,密封组合7的O型密封圈座701由四氟乙烯制成，O型密封圈702由派克N制成。

进一步的，橡胶滑块10宽度应为空心滚柱5直径的1.5～1.8倍，空心滚柱5直径可比橡胶滑块厚度小0.005～0.01mm，总径向间隙应在0.15～0.20mm之间。

与现有技术相比本发明的优点在于：1、滚滑复合轴承能承受高转速和较高的负载，并具备较强的抗冲击性能，因而保证了复合钻头在高转速和中高钻压条件下的轴承寿命；2、在滚滑复合轴承与牙轮轴承之间设置橡胶滑块有助于复合钻头转速的进一步提高；3、改进的密封组合结合了O型密封圈、K型密封圈、扁平密封圈的结构演变形成，具有旋转密封和轴向、径向密封的优点，这些结构滚滑复合轴承比滚动轴承有更大的承载能力，使滚滑复合动轴承既有高速特性，又有较高承载能力，本发明的复合钻头适合高转速、中高钻压使用条件，具有较高的冲砂、除垢和套管磨铣等修井效率和使用寿命；4、经过对滚滑复合轴承咬合载荷实验，发现橡胶滑块滑动摩擦减少，滑动阻力小，滑动平稳，高转速下的咬合载荷降低，摩擦产生的温度也相应减小；5、滚滑复合轴承在动态载荷下寿命较轴承最大载荷能力强，相比同类修井用复合钻头设有橡胶滑块，防止轴承的快速磨损；6、带橡胶滑块滚滑复合轴承不仅橡胶滑块能够顺畅地运动，磨损程度也远小于不带滑套的滚滑复合轴承，带橡胶滑块滚滑复合轴承比不带滑套滚滑复合轴承具有更大优势，能明显减轻轴的磨损，改善轴承的综合性能，橡胶滑块两侧平面宽度要加大，径向间隙要严格控制，提高密封可靠性。7、将功能梯度材料用作涂层能够提高接触表面抵抗接触变形和损伤的能力，而这种效果是常规均匀材料所无法达到的。8、陶瓷/金属功能梯度合金齿能与均匀材料相比，复合梯度材料合金齿在相同的法向载荷作用下能有效地抑制表面圆锥裂纹的出现，与套管内壁接触摩擦，热量会很快发散，不会损伤套管表面，通过设计梯度变化特征可以满足不同的性能要求，与套管接触的表面增加一层功能复合材料涂层，且一、二排齿前端大外径部位合金齿的弹性模量比套管材料要小一些，硬度也相应减小，在磨削下部堵塞物的同时，与套管内壁接触，可以防止对套管内壁的损伤作用，相对来说，根据布齿的特点，小外径的三、四、五排齿硬度较高，有利于清理套管损坏区域。

附图说明

图1为本发明实施例的结构图；

图2为本发明实施例牙掌体的立体图；

图3为本发明实施例滚滑复合轴承的A-A截面图；

图4为本发明实施例的密封组合的结构图；

图5为现有技术中的密封部件演化为本发明实施例中密封组合的示意图；

图6为本发明实施例的布齿结构图；

图7为本发明实施例的一、二排齿形结构图；

图8为本发明实施例的三、四排齿形结构图；

图9为本发明实施例的五排齿形结构图；

图10为本发明实施例的背锥齿形结构图。

附图标记说明：

图1中：1-牙轮轴承，2-锁紧钢球，3-一排齿，4-滚柱，5-空心滚柱，6-背锥齿，7-密封组合，8-牙掌体，11-塞销孔，12-进油孔，13-水孔，14-二排齿，15-三排齿，16-四排齿，17-五排齿；

图3中：1-牙轮轴承1，5-空心滚柱，9-牙掌轴承，10-橡胶滑块；

图4中：1-牙轮轴承1，5-空心滚柱，9-牙掌轴承，701-O型密封圈座，702-O型密封圈；

图5中：1-牙轮轴承1，5-空心滚柱，9-牙掌轴承，702-O型密封圈，703-扁平密封圈，704-K型密封圈。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1、2所示，一种套管损坏井修复用长寿命复合钻头，包括：牙轮轴承1、锁紧钢球2、一排齿3、滚柱4、空心滚柱5、背锥齿6、密封组合7、牙掌体8、牙掌轴承9、橡胶滑块10、塞销孔11、进油孔12、水孔13、二排齿14、三排齿15、四排齿16和五排齿17；

所述牙掌体8经过锻造成型，利用五轴联动组合铣床进行塞销孔11、进油孔12、水孔13的钻孔加工；塞销孔11设在牙掌体8掌背上部，进油孔12设在牙掌体8下部的凹槽位置，水孔13在牙掌体8凸出部位。

如图3所示，所述牙轮轴承1、牙掌轴承9、小滚柱4、空心滚柱5和橡胶滑块10组成滚滑复合轴承，牙掌轴承9表面围绕多个橡胶滑块10和空心滚柱5，以两块橡胶滑块10之间设置一根空心滚柱5的方式排列；小滚柱4安装在在牙轮轴承1和牙掌轴承9的形成的上部环形空隙位置，空心滚柱5安装在在牙轮轴承1和牙掌轴承9的形成的下部环形空隙位置；

所述滚滑复合轴承的小滚柱4和空心滚柱5的材料为60Si2Mn，硬度HRC55～58，弧形橡胶滑块材料为W6Mo5Cr4V2，硬度HRC56～60。

所述橡胶滑块10的外圆弧面直径与牙轮轴承1内孔直径相同，长度与空心滚柱5相同，径向厚度与空心滚柱5直径相同，橡胶滑块10节圆弧长小于的空心滚柱5直径，橡胶滑块10两侧侧面相平行。

橡胶滑块10宽度应为空心滚柱5直径的1.5～1.8倍，空心滚柱5直径可比橡胶滑块厚度小0.005～0.01mm，总径向间隙应在0.15～0.20mm之间。

如图4所示，所述牙轮轴承1内孔部位加工有密封环槽，密封组合7安装在牙轮轴承1的密封环槽中，且牙轮轴承1、牙掌体8和空心滚柱5装配后将密封组合7压紧，形成高可靠性密封结构。

所述密封组合7由O型密封圈座701和O型密封圈702组成，O型密封圈702镶嵌在O型密封圈座701的槽中，轴承密封部分选用密封组合7的O型密封圈座701,O型密封圈702为适应高转速密封圈采用大截面，小压缩量设计,密封组合7的O型密封圈座701由四氟乙烯制成，O型密封圈702由派克N制成。

如图5所示，现有技术中都是单独用O型密封圈702、扁平密封圈703和K型密封圈704的其中一种进行密封，本发明将三者的形状融合起来并组合形成密封组合7。

如图6所示，牙掌轴承1上设置牙轮，牙轮上布设梯度合金齿，梯度合金齿有五排，包括：一排齿3、二排齿14、三排齿15、四排齿16和五排齿17。

如图7至10所示，所述一排齿3、二排齿14形状为前部呈圆弧状，圆弧状部位为陶瓷/金属功能梯度合金齿，三排齿、四排齿前端部位为锥形并为金刚石焊接层，五排齿为整体硬质合金结构，背锥齿6镶嵌压入在牙轮45度斜面位置，背锥齿6为金刚石与硬质合金结合结构。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。