CN107075913B - 带有凹陷的切削面的钻头 - Google Patents

Abstract

一种冲击凿岩钻头，具有头部100，该头部100包括环形的保径套圈部101和中心的岛部104。环形切削通道105被限定在所述套圈部101和所述岛部104之间，使得具体定位的切削球齿112/115能够在切削的岩石面中有效地产生具有减小的岩石破碎阻力的环形脊部，从而提高凿钻速率并且/或者减小所需的功率消耗。

Description

带有凹陷的切削面的钻头

技术领域

本发明涉及一种冲击凿岩钻头，该冲击凿岩钻头具有头部，所述头部被设置在钻柄处并且被构造有凹陷的破碎面，该破碎面被构造用以在切削期间在岩石中产生脊部，从而减小岩石破碎阻力。

背景技术

冲击钻头被广泛地用于在坚硬岩石中的凿钻相对浅的孔以及用于产生深的钻孔。在后一种应用中，随着孔的深度增加，通常使用钻柱，其中多个钻杆通过螺纹接头而端对端联接起来。地面钻机(terrestrial machine)操作用以将结合的冲击与旋转驱动运动传递到钻柱的上端，同时位于下端处的钻头操作用来破碎岩石并形成钻孔。WO2006/033606公开了一种常用的钻头，该钻头包括安装有多个坚硬切削刀片的凿钻头部，该切削刀片通常被称为球齿。这种球齿包括硬质合金基材料，以提高钻头的寿命。

通常，流体冲洗穿过钻柱并通过凿钻头部中的孔而在钻孔的基底处离开，从而从钻孔区域冲洗岩石碎屑，以通过绕钻柱外部的孔向后运送出去。冲击钻头的进一步示例在US3,388,756；GB692,373；RU2019674；US2002/0153174；US3,357,507；US2008/0087473，US4,113,037；GB2011286；US5,890,551；DE2856205以及WO2009/067073中公开。

钻头对岩石中进行钻孔的效果取决于岩石破碎阻力，可以认为岩石破碎阻力包括施加到地下深度中的岩石上的竖直应力与水平应力。凿钻头部设计与构造通常是最大化钻头操作寿命和最大化轴向向前切削性能之间的折衷。钻头还必须有利于钻孔中的岩石碎块的向后运送，否则的话，该岩石碎块会减弱向前切削。因此，需要的是一种钻头，特别是被优化以满足上述考虑的钻头头部。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种钻头，特别是一种用于冲击凿岩的钻头头部，该钻头头部被构造用以在岩石中产生显著减小岩石破碎阻力并因此提高凿钻性能和效率的特定形态。本发明的进一步具体目的是提供一种被构造用以在凿钻期间自导向的钻头头部。本发明的再进一步的目的是提供一种钻头头部，该钻头头部有效地显著有利于从岩石面轴向向后运送岩石碎块。

这些目的通过提供一种具有凹陷的破碎面的钻头头部来实现，所述破碎面被径向定位于周界保径套圈部和中心岛部之间。特别地，切削球齿被具体地定位在破碎面和从破碎面轴向向前延伸的相应剪切面上。本构造能有效地在岩石中产生特定的脊形形态，该脊形形态非常容易破碎和破裂，从而显著减小岩石破碎阻力。特别地，本钻头头部被构造用以在紧挨头部的破碎面的前面的岩石面处产生单独的环形脊部，从而在被安装有球齿的破碎面冲击时增加在该脊部处的岩石的可用破裂方向。

所形成的岩石脊部还有效地辅助稳定与引导钻头头部，从而减小由于诸如在岩石结构中存在的裂缝的异常(anonalies)而导致的侧向偏移。

本钻头头部还被构造有径向和周向延伸的冲刷槽，该冲刷槽截断保径套圈部，以允许径向向外并且轴向向后运送冲刷物和碎屑。为了优化的沿着钻孔的轴向向后的运送，在钻头头部中凹陷的本环形通道或环形沟槽有效地引导冲刷碎块穿过保径套圈部中的凹口。

根据本发明的第一方面，提供了一种冲击凿岩钻头头部，所述冲击凿岩钻头头部被设置在伸长的钻柄的一端处，钻柄具有从钻柄的一端向头部轴向延伸的内部孔，该头部包括：轴向面向前的环形破碎面；大致环形的保径套圈部，所述保径套圈部从头部的周界处的破碎面轴向向前突出并且具有被轴向定位于破碎面的前面处的保径面；中心岛部，所述中心岛部从破碎面轴向升高并且具有被轴向定位于破碎面的前面处的前面；大致环形的第一和第二剪切面，所述第一和第二剪切面分别在破碎面和保径面之间以及破碎面和前面之间轴向延伸；至少一个设置在破碎面的切削球齿、至少一个设置在保径面的切削球齿、至少一个设置在环形前面的切削球齿、至少一个设置在第一剪切面的切削球齿、和至少一个设置在第二剪切面的切削球齿；冲刷槽，所述冲刷槽与内部孔连通，并且从岛部向着保径套圈部且穿过保径套圈部径向向外延伸，从而将保径套圈部分隔成多个套圈部分段；以及环形通道，所述环形通道被限定在岛部和保径套圈部之间，所述环形通道被构造用以在岩石中产生环形脊部并且因此减小岩石破碎阻力。

本钻头被构造成产生包括搁架部(shelves)和脊部的孔形态，该搁架部和脊部具有较低的k值(岩石破碎阻力)，使得安装在破碎面上的切削球齿与凿钻头部的其它球齿相比具有显著减小的k值。由于在切削期间分别位于具有相互协同作用的保径面，前面，破碎面以及剪切面上的切削球齿的特定组合以及定位，本钻头头部的总体k值比现有钻头的k值显著得低(大约20％以下)。因此，通过减小岩石k值，本钻头头部被构造用以相对于已知钻头利用较低的功率消耗(或者使用相同功率而时间更少)来凿钻更大直径的钻孔。

可选地，破碎面基本是平面的或者相对于垂直于钻柄的纵向轴线延伸的平面凹进。凹进的破碎面有利于进一步增加凹槽的轴向深度并且因此提高在岩石中所形成的环形脊部的轴向高度，以减小岩石破碎阻力。

优选地，冲刷槽在岛部的区域内径向向内延伸。此外，并且优选地，冲刷槽凹陷进破碎面中。因此，产生了从头部的中心区域至头部周界的用于冲刷流体的期望的流动通道，以夹带岩石颗粒和碎屑从头部径向向外并且轴向向后流动。在岛部和套圈部处的各种凹口极大促进了冲刷并且防止冲刷泥浆围绕头部沿着周向方向上的延伸的流动通道流动。

优选地，前面被轴向定位于保径面的前面处。这种布置有利于稳定向前凿钻并且最大化由岩石形成的环形脊部的轴向长度，从而产生岩石破碎阻力。

优选地，前面包括轴向凹陷部，以提供在冲刷槽的径向内侧区域之间的流动通道。因此，该轴向凹陷提供了用于冲刷流体的流动的凹陷的凹座，以促进从头部的中心径向向外并且轴向向后运送岩石碎屑。

优选地，头部包括冲刷孔，所述冲刷孔与内部孔连通并且延伸穿过保径套圈部，从而在保径面处开口。套圈部中的冲刷孔用作进一步促进径向向外并且轴向向后冲刷，这有益于最大化破碎性能和效率。

可选地，第一和第二剪切面倾斜成横向于钻柄的纵向轴线延伸。可选地，第一和第二剪切面可与纵向轴线平行地对齐，或包括与该轴线平行地对齐的环形区域，而其它环形区域横向于该轴线对齐。即，第一和第二剪切面可各自包括多个相对于彼此成角度布置的面。剪切面被构造用以在切削的岩石中产生具有容易被破碎的不稳定脊部的期望的形态。

第一和/或第二剪切面相对于轴线倾斜的情况下，第一剪切面相对于轴线倾斜的角度可以在1°至20°的范围内。可选地，第二剪切面相对于轴线倾斜的角度可以在20°至40°的范围内。

可选地，从头部的中心沿着半径延伸至径向最外周界，在第一剪切面上的切削球齿的径向最内部分与在第二剪切面上的最近的切削球齿的径向最外部分之间的分隔距离在头部的半径的10％至30％的范围内。可选地，该范围为15％至25％，或者更优选地为18％至22％。

可选地，限定在第一和第二剪切面之间的破碎面的径向距离是头部的半径的5％至20％，该头部的半径被限定在头部的中心和保径套圈部上的切削球齿的径向最外周界部分之间。可选地，该范围为10％至15％，并且更优选地为11％至14％。

可选地，前面和破碎面之间的轴向分隔距离在头部的轴向长度的25％至45％的范围内，该头部轴向长度被限定在前面上的切削球齿的轴向最前部分和裙边的轴向最后部分之间，裙边指的是从钻柄直接延伸的保径套圈部的轴向最后部分。优选地，该范围为30％至40％，并且更优选地为33％至38％。

附图说明

现在将仅通过示例并参见以下附图描述本发明的具体实施方式，其中：

图1是根据本发明的具体实施方式的冲击凿岩钻头的外部透视图，该冲击凿岩钻头具有头部和钻柄，且有多个安装在头部上的切削球齿。

图2是图1的钻头头部的俯视图。

图3是图1的钻头头部的进一步的透视图。

图4是图1的钻头头部的透视截面图。

图5是图1的钻头头部的侧视截面图。

图6是图1的钻头头部的一部分的放大截面图。

图7是图1的钻头头部的一部分的放大俯视图。

具体实施方式

参见图1至图4，冲击钻头包括伸长的钻柄120，钻柄120具有设置在一端处的头部100。头部100通常从钻柄120径向向外扩展，并包括形成在周界处的保径套圈部101和通常使用附图标记104表示的升高的中心岛部，从而限定径向定位于套圈部101和岛部104之间的环形通道(通常用附图标记105表示)。

保径套圈部101包括裙边117，裙边117从钻柄120径向向外扩展，从而形成头部100和钻柄120之间的环形连接部。套圈部101包括面向前的保径面121，保径面121下倾成远离延伸穿过钻柄120和头部100的中心纵向轴线119向下倾斜。套圈部101在周向方向上被划分为通过通常v形的凹口108分隔的三个弧形的套圈部分段，所述凹口108从保径面121向着钻柄120轴向向后突出。多个保径球齿112分布在每个套圈部分段的保径面121上并且被定向为从轴线119径向向外倾斜。多个泥浆槽207也凹陷到套圈部101的周界中，以促进从岩石面切削的碎屑的向后输送。保径面121的径向最内侧被第一剪切面109终止，第一剪切面109与保径面121横向对齐并且通常倾斜成从轴线119向上倾斜。第一剪切面109从基本平面的通常由附图标记102表示的破碎面轴向向前延伸。破碎面102通常为环形的并且围绕中心岛部104周向延伸，从而表示的是被径向限定在岛部104和套圈部101之间的凹陷的环形通道105的谷底或基底。多个破碎球齿118周向地分布在破碎面102上。破碎面102在其径向最内端被从面102轴向向前延伸第二剪切面110终止，从而限定岛部104的周界。第一和第二剪切面109、110在径向上彼此相对置地定位并且共同地限定出通道105，使得通道105包括近似等于套圈部101和岛部104的轴向高度的轴向深度。然而，根据具体实施方式，岛部104的轴向高度大于套圈部101从破碎面102向前延伸的轴向距离。

第一和第二剪切面109、110中的每一个都包括相应的剪切球齿组113、114。第二剪切面110也横向对齐轴线119，使得相对置的剪切面109、110限定出通常v形的周向延伸的通道的至少部分。因此，相应的第一与第二组剪切球齿113、114被定向为分别相对于轴线119在轴向上向内倾斜与向外倾斜。

岛部104包括在垂直于轴线119的平面中的通常圆形的构造，该构造具有在延伸穿过头部100的轴向平面中的通常圆顶形状的轮廓。第二剪切面110的轴向最前端通过环形前面103终止，该前面103通常是平面的并且垂直于轴线119定位并且与破碎面102平行地对齐。凹陷111回缩进前面103中，其定位于头部100的中心，使得中心岛部104在其轴向最前顶点区域上包括轻微凹陷的空腔。多个前球齿115被布置在前面103上并且一单独的前球齿116被安装成从凹陷111的基底突出。

多个凹口106在通常径向方向上延伸，从而在周向上分隔开的位置处在岛部104中凹陷。每个凹口106包括径向最内的第一端202，该第一端202在凹陷111的区域处终止，而径向最外部分210在破碎面102的径向最内端处终止。通常由附图标记107表示的多个弯曲的槽在径向和周向方向两个方向上延伸，从而在破碎面102中凹陷。每个槽107包括径向最内的第一端200和径向最外的第二端201。第一端200被定位于相应的岛部凹口106中，而第二端201被定位于保径套圈部101处的相应的v形凹口108中。因此，凹口106、108以及槽107共同地限定出冲刷槽，从而促进在凿钻期间轴向以及径向向后输送产生的岩石碎块和碎屑。每个岛部凹口106在其径向最内端处通过轴向突出的孔401终止，该孔401被设置成与更大的轴向延伸穿过钻柄120的中心孔400流体连通。因此，冲刷流体(通常为空气)通过孔400、401而被供应至头部100，从而在岛部凹口106处排出。因此，流体被构造用以在通道105(以及槽107)内循环，从而与所夹带的岩石碎块一起通过v形凹口108离开头部100。

为了促进向后运送冲刷物，多个钻孔205被设置成穿过头部100，从而在中心孔400之间延伸，并且出现在保径面121上。冲刷流体的向后以及径向向外输送也可通过空腔206而被促进，该空腔206形成于每个v形凹口108的谷底区域208上。每个凹口108进一步通过一对相对置并且轴向会聚的侧面209限定。

第一和第二剪切面109、110中的每一个都包括相应的在尾端(trailing)的环形端面203和204。每个端面203、204形成破碎面102和倾斜的剪切面109、110中的每一个之间的轴向连接部。端面203、204与轴线119平行地对齐并且通常与破碎面102垂直，从而与破碎面102一起限定出通道105的轴向最下侧的谷底区域。

参见图5至图7，头部100的轴向最前区域通过从前面103突出的前球齿115的相应的顶端区域500限定。此外，头部100的径向最外周界通过每个保径球齿112的径向最外区域502限定。保径球齿区域502径向突出超过保径套圈部101的径向最外周界边缘501，使得在切削期间，保径球齿112决定钻孔的直径。因此，在中心轴线119和头部100的周界之间的头部100的径向长度(如由保径球齿区域502所确定的)由附图标记E表示。

参见图6，由附图标记D表示的轴向长度与每个前球齿115的轴向最前区域500与设置在与钻柄120的轴向连接部处的裙边117的轴向最后区域600之间的分隔距离一致。此外，前面103和破碎面102之间的轴向分隔距离由附图标记C表示。此外，相对置的平行的第一和第二端面203、204之间的径向分隔距离由附图标记A表示，其与破碎面102的径向长度一致。

参见图7，径向分隔距离(由附图标记B所示)与第一剪切球齿113的径向最内部分702和最靠近该参照第一剪切球齿113定位的第二剪切球齿114的径向最外部分703之间的径向分隔距离一致。分隔距离B落在径向线段700上，该线段700是头部100的轴线中心701与由保径球齿区域502限定的头部径向最外周界之间的直线。由于球齿113和114没有落在相同的径向线段上，故而可以认为分隔距离B的径向最内点通过从如图7所示的第二剪切球齿114的部分703延伸的假想弧线限定。

根据具体实施方式，径向距离A大约为径向距离E的11％至14％并且径向距离B大约等于径向距离E的18％至22％。此外，轴向长度C大约等于轴向长度D的34％至37％。

此外，根据具体实施方式，头部100包括三个套圈部分段，每个套圈部分段包括三个保径球齿112和两个第一剪切球齿113。第二剪切面包括六个第二剪切球齿114，而破碎面102包括三个破碎球齿118。此外，环形前面103包括带有凹陷111的三个前球齿115，凹陷111包括一单独的前球齿116。保径球齿112通常大于破碎球齿118，破碎球齿118则大于第一和第二剪切球齿113、114。此外，前球齿115、116通常小于第一和第二剪切球齿113、114。

在使用中，头部100绕着轴线119旋转并且轴向向前前进，以切入岩石结构。在向前前进期间，通过相对置的第一和第二剪切球齿113、114之间的合作在岩石中产生脊部，其中脊部被限定在保径套圈部101和中心岛部104之间的环形通道105中。由于头部100中的轮廓而在岩石面处产生的特定形态，本头部100通过可观地减小岩石破碎阻力(k-值)而有利于提高向前凿钻的速率并且/或者最小化功耗。即，破碎球齿118和剪切球齿113、114的具体的定位和定向在岩石处产生不稳定的环形脊部，当通过破碎球齿118接触时，该环形脊部展示了至少四个方向的破碎。应当理解，环形脊部的具体形态可以通过破碎球齿102和剪切球齿113、114的尺寸和位置的变化并且因此通过破碎面102和第一及第二剪切面109、110之间的几何关系的变化而被选择性地调整。

Claims (14)

1.一种冲击凿岩钻头头部(100)，所述头部(100)被设置在伸长的钻柄(120)的一端处，所述钻柄(120)具有从所述钻柄(120)的一端向着所述头部(100)沿所述钻柄(120)的纵向轴线(119)轴向延伸的内部孔(400)，所述头部(100)包括：

轴向面向前的环形破碎面(102)；

环形的保径套圈部(101)，所述保径套圈部(101)在所述头部(100)的周界处从所述破碎面(102)轴向向前突出，并且具有被轴向定位于所述破碎面(102)的前面的保径面(121)；

中心岛部(104)，所述中心岛部(104)从所述破碎面(102)轴向升高，并且具有被轴向定位于所述破碎面(102)的前面的环形前面(103)；

环形的第一剪切面(109)和第二剪切面(110)，所述第一剪切面(109)和第二剪切面(110)分别在所述破碎面(102)和所述保径面(121)之间以及在所述破碎面(102)和所述环形前面(103)之间轴向延伸，其中所述第一剪切面(109)和所述第二剪切面(110)分别以第一角度和第二角度倾斜成横向于所述纵向轴线(119)延伸；

至少一个设置在所述破碎面(102)的切削球齿(118)、至少一个设置在所述保径面(121)的切削球齿(112)、至少一个设置在所述环形前面(103)的切削球齿(115)、至少一个设置在所述第一剪切面(109)的切削球齿(113)、和至少一个设置在所述第二剪切面(110)的切削球齿(114)；

多个弯曲的冲刷槽(107)，所述多个弯曲的冲刷槽(107)与所述内部孔(400)连通，并且所述多个弯曲的冲刷槽(107)从所述中心岛部(104)向着所述保径套圈部(101)且穿过所述保径套圈部(101)径向向外延伸，从而将所述保径套圈部(101)分隔成多个套圈部分段；以及

环形通道(105)，所述环形通道(105)被限定在所述中心岛部(104)和所述保径套圈部(101)之间，所述环形通道(105)被构造用以在岩石中产生环形脊部并且因此减小岩石破碎阻力。

2.根据权利要求1所述的头部，其中所述破碎面(102)是平面的或相对于垂直于所述钻柄(120)的所述纵向轴线(119)延伸的平面凹进。

3.根据权利要求1或2所述的头部，其中所述多个弯曲的冲刷槽(107)在所述中心岛部(104)的区域(106)内径向向内延伸。

4.根据权利要求1所述的头部，其中所述多个弯曲的冲刷槽(107)凹陷到所述破碎面(102)中。

5.根据权利要求1所述的头部，其中所述环形前面(103)被轴向定位于所述保径面(121)的前面。

6.根据权利要求1所述的头部，其中所述环形前面(103)包括轴向凹陷部(111)，用以提供在所述多个弯曲的冲刷槽(107)的径向内侧区域(202)之间的流体流动通道。

7.根据权利要求1所述的头部，进一步包括多个冲刷孔(205)，所述多个冲刷孔(205)与所述内部孔(400)连通并且延伸穿过所述保径套圈部(101)，以在所述保径面(121)处开口。

8.根据权利要求1所述的头部，其中所述第一剪切面(109)相对于所述纵向轴线(119)倾斜的所述第一角度在1°至20°的范围内。

9.根据权利要求1所述的头部，其中所述第二剪切面(110)相对于所述纵向轴线(119)倾斜的所述第二角度在20°至40°的范围内。

10.根据权利要求1所述的头部，其中从所述头部(100)的中心(701)沿着半径(700)延伸至径向最外周界，所述第一剪切面(109)上的切削球齿(113)的径向最内部分(702)与所述第二剪切面(110)上的最近的切削球齿(114)的径向最外部分(703)之间的分隔距离(B)在所述半径(700)的10％至30％的范围内。

11.根据权利要求10所述的头部，其中所述范围为15％至25％。

12.根据权利要求1所述的头部，其中限定在所述第一剪切面(109)和第二剪切面(110)之间的所述破碎面(102)的径向距离(A)为所述头部(100)的半径(700)的5％至20％，所述头部(100)的所述半径(700)被限定在所述头部的中心(701)和位于所述保径面(121)的切削球齿(112)的径向最外周界部分(502)之间。

13.根据权利要求1所述的头部，其中所述环形前面(103)和所述破碎面(102)之间的轴向分隔距离(C)在所述头部(100)的轴向长度(D)的25％至45％范围内，所述头部(100)的所述轴向长度(D)被限定在位于所述环形前面(103)的切削球齿(115)的轴向最前部分(500)和裙边(117)的轴向最后部分(600)之间，所述裙边(117)表示的是从所述钻柄(120)直接延伸的所述保径套圈部(101)的轴向最后部分。

14.根据权利要求13所述的头部，其中所述范围为30％至40％。

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