近年来的钻井工程实践表明,在高温钻井(特别是高温地热钻井)条件下,原本制造质量优良的牙轮钻头常常会发生普遍的严重掉齿现象,钻头寿命缩短,保径能力降低,从而严重影响整体钻井效率。这说明:井底温度是一个对镶齿牙轮钻头的固齿强度具有显著影响的因素,应该深入研究其作用机理,并研究行之有效的固齿技术改进方法。本文提出了一种具有倒锥结构的新型牙齿及固齿原理,理论上可以有效防止掉齿现象的发生。常规的牙轮钻头使用的都是圆柱形硬质合金齿,以过盈配合方式镶嵌于圆柱形齿孔中。这种镶齿方法以齿孔产生的过盈变形所产生的应力将牙齿抱紧,产生固齿力。新型倒锥齿的固齿面为上小下大的圆锥面,与其配套的齿孔固齿面同样为齿孔孔口直径小于齿根直径的倒锥面。二者使用热镶或冷镶的方法进行过盈配合装配。当固齿力相同时,倒锥齿结构的过盈量小于常规圆柱齿结构,孔口应力较低,承载能力更强,同时,当处于高温状态下,得益于二者的倒锥形结构,牙齿齿根最大横截面尺寸大于齿孔横截面尺寸,这样在受热膨胀的情况下也可以产生很好的固齿效果,从而有效减少钻头掉齿现象,提高钻进效率。本文主要研究工作包括:(1)对高温环境下牙轮钻头掉齿原因进行调研和分析,研究高温钻井条件下造成钻头牙齿脱落现象的原因;(2)针对牙轮钻头固齿强度进行理论计算,对牙轮钻头固齿条件、孔口处压力以及温度对材料影响规律给出了具体分析结果;(3)提出一种具有倒锥形的牙轮钻头牙齿与相应齿孔结构,为高温条件下牙轮钻头固齿提供了新的思路和解决方法;(4)提出了以热镶或冷镶方法镶入齿孔的镶齿工艺方法,并开展了热镶和冷镶条件下,不同锥度的固齿结构在镶齿过程中的孔口应力研究;(5)以单齿模型为例,使用Abaqus有限元分析软件对其在不同条件下压入、拔出及施加侧向载荷的过程进行仿真模拟,并与同条件下常规圆柱齿的仿真结果进了对比;(6)对牙齿与齿孔不等锥度的情况进行了简要说明和分析,对等锥度与不等锥度的几种条件下固齿强度进行了对比;(7)设计了对不同锥度倒锥齿在常温下的镶固强度测试实验,通过对比分析验证了仿真分析的结果;研究结果表明:在高温工作条件下,倒锥齿压入齿孔后固齿力更大,相比于常规圆柱齿更不易发生脱落,施加一定载荷后对齿孔保护作用更佳,其性能表现优于常规圆柱齿;通过热镶(加热牙轮)或冷镶(冷却牙齿)工艺,能够在牙轮齿孔不塑变的同时实现倒锥牙齿的镶固。本文关于高温下牙轮钻头牙齿固齿强度及固齿新方法的的研究工作,对改善牙轮钻头镶装结构和提高固齿强度,增强牙轮钻头在高温环境下的适应能力具有一定的实际意义,为提高高温环境下牙轮钻头的工作性能提供了一种新思路。