CN109989714B - 一种深部硬地层超高转速钻进用钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深部地质勘探取芯用工具，尤其涉及一种深部硬地层超高转速钻进用钻头。本发明提供的深部硬地层超高转速钻进用钻头包括钻头体，钻头体一端固连有接头、另一端固设有若干个沿圆周均匀分布的钻头胎体，相邻的两个钻头胎体之间具有间隔，钻头胎体的工作面上固设有加强型聚晶金刚石切削齿；还包括若干个与钻头胎体的侧壁及转头体的侧壁固连的保径，若干个保径与若干个钻头胎体一一对应，保径的顶端与钻头胎体的工作面平齐，相邻两个保径之间具有间隔，保径上还设置有分流水道，分流水道的顶端与保径的顶端平齐。本发明提供的深部硬地层超高转速钻进用钻头散热快、排粉快、振动小、防粘滑。
Description
技术领域
本发明涉及深部地质勘探取芯用工具，尤其涉及一种深部硬地层超高转速钻进用钻头。
背景技术
在进行深部勘探时，国内外研究学者常采用耐高温的高速涡轮钻具(2000rpm，线速度达2.5m/s)搭配孕镶金刚石钻头进行破岩，但由于钻压难以有效加载，实际效果有限。在这个基础上，国内外研究者开始采用超高转速(8000rpm，线速度达10m/s)的破岩方式，改善了低钻压难以吃入地层的问题，大幅度提高破岩效率，在实验室取得了良好的效果。
现有的孕镶金刚石钻头在钻头胎体中加入均匀的金刚石颗粒，其实质是小颗粒金刚石作为切削原件，在常规硬地层中寿命较长、进尺较多。因此，孕镶齿布局在刀翼上只能靠磨削的方式破坏岩石，高转速作业条件下岩屑排泄不畅；且深部地层环境温度过高，由于地温梯度的存在，深部地层(尤其是地温异常区域)往往具有240℃以上的高温，环境高温与钻头高速旋转磨削岩石产生的热量共同作用，常规人造金刚石在该温度下难以保持常温下的力学性质，脆性明显增加，钻头使用寿命缩短；由于深部硬地层钻探中钻杆过长难以有效加载钻压，钻头破岩能力不足，超高转速条件下仍然会出现粘滑现象，降低机械钻速；此外，由于超高转速技术的运用，钻头容易出现跳钻现象，现有孕镶金刚石钻头的抗冲击性不足。这些因素严重制约了常规孕镶金刚石钻头对深部地质资源的高效开发。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术存在的问题，提供一种散热快、排粉快、振动小、防粘滑的深部硬地层超高转速钻进用钻头。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种深部硬地层超高转速钻进用钻头，包括钻头体，所述钻头体一端固连有接头、另一端固设有若干个沿圆周均匀分布的钻头胎体，相邻的两个所述钻头胎体之间具有间隔，所述钻头胎体的工作面上固设有加强型聚晶金刚石切削齿；还包括若干个与所述钻头胎体的侧壁及钻头体的侧壁固连的保径，若干个所述保径与若干个所述钻头胎体一一对应，所述保径的顶端与所述钻头胎体的工作面平齐，相邻两个所述保径之间具有间隔，所述保径上还设置有分流水道，所述分流水道的顶端与所述保径的顶端平齐。
优选的，每个所述钻头胎体的工作面上固设有一个加强型聚晶金刚石切削齿，所述钻头胎体为八个，八个所述加强型聚晶金刚石切削齿的朝向均相同且分布在三个半径大小不同的同心圆的圆周上。
优选的，所述分流水道为设置在所述保径的侧壁上的通槽。
优选的，所述分流水道包括竖直部和弯折部，所述竖直部的顶端与所述保径的顶端平齐，所述竖直部的底端与所述弯折部的顶端相连通，所述弯折部向下倾斜且朝向另一个所述保径。
优选的，若干个所述分流水道中的所述弯折部的朝向均相同。
优选的，所述弯折部的宽度大于所述竖直部的宽度。
优选的，所述接头呈倒锥形，且所述接头的侧壁上设置有外螺纹。
优选的，若干个所述钻头胎体的大小相等。
优选的，所述钻头胎体内包括主磨料、辅磨料和填充材料。
优选的，所述主磨料为TSP材料；所述辅磨料包括碳化硅、碳化钨、氮化硅、刚玉和碳化硼；所述填充材料为塞隆系列陶瓷材料。
本发明提供了一种深部硬地层超高转速钻进用钻头，该钻头具有散热快、排粉快、振动小和防粘滑的优点。本发明提供的深部硬地层超高转速钻进用钻头通过设置加强型聚晶金刚石切削齿，改善了钻头攻入岩石的性能，能够在钻头钻进时形成犁沟，起到一定的支撑作用，同时保证排粉和钻井液通过，解决坚硬致密地层钻进时的打滑问题；有序的聚晶金刚石切削齿排列可以使钻头更平缓地切入岩石，并起到支撑作用有助于钻井液循环，岩屑排出；各钻头胎体工作面嵌入的加强型聚晶金刚石切削齿，按一定水平、竖直位置进行分布，保证钻头有持续切削岩石能力并能平稳过度，减小钻头振动频率，保证排粉和钻井液通过，防止粘滑。本发明提供的深部硬地层超高转速钻进用钻头通过设置保径能够使钻头适应深部硬地层的应力，防止钻头缩径。当钻头在超高转速运动时，钻头与岩石摩擦会带来大量热的问题，通过加强型聚晶金刚石切削齿的支撑和分流水道的设计，促进了钻井液循环，能够快速带走热量。本发明通过加强型聚晶金刚石切削齿以及钻头胎体中主磨料、辅磨料和填充材料的搭配，能够使得主磨料、辅磨料适时出露，保持钻头自锐性，提高钻进效率。
附图说明
图1为本发明深部硬地层超高转速钻进用钻头实施例一的结构示意图；
图2为本发明深部硬地层超高转速钻进用钻头实施例一中切削齿的排布示意图；
图3为本发明深部硬地层超高转速钻进用钻头实施例二的结构示意图；
其中，1-钻头体，2-接头，3-钻头胎体，4-加强型聚晶金刚石切削齿，5-保径，6-分流水道，61-竖直部，62-弯折部。
具体实施方式
本发明提供了一种深部硬地层超高转速钻进用钻头，包括钻头体，所述钻头体一端固连有接头、另一端固设有若干个沿圆周均匀分布的钻头胎体，相邻的两个所述钻头胎体之间具有间隔，所述钻头胎体的工作面上固设有加强型聚晶金刚石切削齿；还包括若干个与所述钻头胎体的侧壁及钻头体的侧壁固连的保径，若干个所述保径与若干个所述钻头胎体一一对应，所述保径的顶端与所述钻头胎体的工作面平齐，相邻两个所述保径之间具有间隔，所述保径上还设置有分流水道，所述分流水道的顶端与所述保径的顶端平齐。
作为本发明的一个实施例，每个所述钻头胎体的工作面上固设有一个加强型聚晶金刚石切削齿，所述钻头胎体为八个，八个所述加强型聚晶金刚石切削齿的朝向均相同且分布在三个半径大小不同的同心圆的圆周上。
作为本发明的一个实施例，所述分流水道为设置在所述保径的侧壁上的通槽。
作为本发明的一个实施例，所述分流水道包括竖直部和弯折部，所述竖直部的顶端与所述保径的顶端平齐，所述竖直部的底端与所述弯折部的顶端相连通，所述弯折部向下倾斜且朝向另一个所述保径。
作为本发明的一个实施例，若干个所述分流水道中的所述弯折部的朝向均相同。
作为本发明的一个实施例，所述弯折部的宽度大于所述竖直部的宽度。
作为本发明的一个实施例，所述接头呈倒锥形，且所述接头的侧壁上设置有外螺纹。
作为本发明的一个实施例，若干个所述钻头胎体的大小相等。在本发明中，所述钻头胎体内优选包括主磨料、辅磨料和填充材料。在本发明中，所述主磨料优选为TSP材料(热稳定聚晶金刚石)；所述TSP材料的粒径优选为0.42～0.9mm，具有锥角的任意形状。本发明使用的TSP材料能够适用于超高转速技术在深部硬岩地层的工作需求，充分发挥TSP材料良好的耐热性和高韧性，可用于磨削破碎硬岩地层。本发明对所述TSP材料的来源没有特殊的限制，选用本领域技术人员熟知来源的TSP材料即可，具体的如市售TSP材料。
在本发明中，所述辅磨料优选包括碳化硅、碳化钨、氮化硅、刚玉和碳化硼；本发明利用辅磨料实现钻头的自锐性，使得主磨料容易出露，配合TSP进行磨削工作。在本发明中，所述辅磨料的主体材料优选为碳化硅，所述辅磨料的辅助材料优选包括碳化钨、氮化硅、刚玉和碳化硼。本发明对所述辅助材料的添加量不作特殊限定，以碳化硅为辅磨料的主体材料即可。
本发明所述主磨料和辅磨料贯穿钻头胎体的整个工作层，通过主磨料和辅磨料的配合，能够提高钻头胎体的耐磨性和耐温性，进而使钻头胎体与岩石摩擦生热，弱化岩石，降低岩石性能，提升攻入能力，满足低钻压作用要求。
在本发明中，所述填充材料优选为塞隆系列陶瓷材料，更优选为Si2N2O和Al2O3形成的固溶体材料。本发明对所述塞隆系列陶瓷材料中Si2N2O与Al2O3的比例没有特殊要求，选用本领域技术人员熟知的市售材料即可。本发明利用所述填充材料的高耐磨性和高韧性，能够避免烧钻，减小跳钻对钻头的影响，提升钻头胎体的耐温性，保证深部高温硬地层正常磨损，并且保证磨料正常出露，避免主磨料提前脱落而失效。
本发明中所述钻头胎体为主磨料、辅磨料和填充材料的有机结合，本发明所述组成的钻头胎体不仅能够改善钻头的热稳定性和抗冲击性，还能够辅助改善钻头钻入深部硬地层可能存在的打滑问题，符合超高转速钻进技术的需求。
在本发明中，若无特殊说明，所有材料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-2所示，本实施例深部硬地层超高转速钻进用钻头包括钻头体1，钻头体1底端固连有接头2、顶端固设有八个沿圆周均匀分布的、大小相等的钻头胎体3，相邻的两个钻头胎体3之间具有间隔，每个钻头胎体3的工作面上固设有一个加强型聚晶金刚石切削齿4；八个加强型聚晶金刚石切削齿4的朝向均相同且分布在三个半径大小不同的同心圆的圆周上，参照图2，左侧三个加强型聚晶金刚石切削齿4分布在半径较大的同心圆的圆周上，中间两个加强型聚晶金刚石切削齿4分布在半径居中的同心圆的圆周上，右侧三个加强型聚晶金刚石切削齿4分布在半径较小的同心圆的圆周上，其中三个同心圆的半径依次相差0.5mm，如此设置八个加强型聚晶金刚石切削齿4能够增加钻头钻进时的犁沟的宽度。通过设置加强型聚晶金刚石切削齿4，改善了钻头攻入岩石的性能，能够在钻头钻进时在岩石上形成犁沟，加强型聚晶金刚石切削齿4起到一定的支撑作用，同时能够保证排粉和钻井液通过，解决坚硬致密地层钻进时的打滑问题；各钻头胎体3工作面嵌入的加强型聚晶金刚石切削齿4，按一定水平、竖直位置进行分布，保证钻头有持续切削岩石能力并能平稳过度，减小钻头振动频率，保证排粉和钻井液通过，防止粘滑。
本实施例深部硬地层超高转速钻进用钻头还包括八个保径5，每个保径5均与钻头胎体3的侧壁及钻头体的侧壁固连，八个保径5与八个钻头胎体3一一对应，保径5的顶端与钻头胎体3的工作面平齐，相邻两个保径5之间具有间隔。保径5能够使钻头适应深部硬地层的应力，防止钻头缩径。
每个保径5上均设置有分流水道6，分流水道6的顶端与保径5的顶端平齐。在本实施例中，分流水道6为设置在保径5的侧壁上的通槽。分流水道6包括竖直部61和弯折部62，竖直部61的顶端与保径5的顶端平齐，竖直部61的底端与弯折部62的顶端相连通，弯折部62向下倾斜且朝向另一个保径5。且八个分流水道6中的弯折部62的朝向均相同，在同一个分流水道6中弯折部62的宽度大于竖直部61的宽度。
钻头体1和接头2起连接作用，接头2呈倒锥形，且接头2的侧壁上设置有外螺纹。
当钻头在超高转速运动时，钻头与岩石摩擦会带来大量热的问题，通过加强型聚晶金刚石切削齿4的支撑和分流水道6的设计，促进了钻井液循环，钻井液能够通过分流水道6快速流动，从而提高了钻头的散热能力。
实施例二
本实施例提供一种深部硬地层超高转速钻进用钻头，在实施例一的基础上，本实施例的深部硬地层超高转速钻进用钻头还具有以下特点：如图3所示，本实施例中钻头胎体3的数量为四个，每个钻头胎体3的工作面上均匀固设有三个加强型聚晶金刚石切削齿4；12个加强型聚晶金刚石切削齿4的朝向均相同且分布在同一个圆周上。在本实施例中也包括八个保径5，区别在于每个胎体的侧壁连接有两个间隔设置的保径5。本实施例通过减少钻头胎体3的数量、增加加强型聚晶金刚石切削齿4的数量，相对实施例一，在牺牲了少量散热能力的基础上，极大提高了钻头的攻入性能，本实施例深部硬地层超高转速钻进用钻头适合钻进硬度更高的地层。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：包括钻头体，所述钻头体一端固连有接头、另一端固设有若干个沿圆周均匀分布的钻头胎体，相邻的两个所述钻头胎体之间具有间隔，所述钻头胎体的工作面上固设有加强型聚晶金刚石切削齿；还包括若干个与所述钻头胎体的侧壁及钻头体的侧壁固连的保径，若干个所述保径与若干个所述钻头胎体一一对应，所述保径的顶端与所述钻头胎体的工作面平齐，相邻两个所述保径之间具有间隔，所述保径上还设置有分流水道，所述分流水道的顶端与所述保径的顶端平齐；
每个所述钻头胎体的工作面上固设有一个加强型聚晶金刚石切削齿，所述钻头胎体为八个，八个所述加强型聚晶金刚石切削齿的朝向均相同且分布在三个半径大小不同的同心圆的圆周上；
所述钻头胎体内包括主磨料、辅磨料和填充材料，所述填充材料为塞隆系列陶瓷材料中Si2N2O和Al2O3形成的固溶体材料。
2.根据权利要求1所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：所述分流水道为设置在所述保径的侧壁上的通槽。
3.根据权利要求2所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：所述分流水道包括竖直部和弯折部，所述竖直部的顶端与所述保径的顶端平齐，所述竖直部的底端与所述弯折部的顶端相连通，所述弯折部向下倾斜且朝向另一个所述保径。
4.根据权利要求3所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：若干个所述分流水道中的所述弯折部的朝向均相同。
5.根据权利要求4所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：所述弯折部的宽度大于所述竖直部的宽度。
6.根据权利要求5所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：所述接头呈倒锥形，且所述接头的侧壁上设置有外螺纹。
7.根据权利要求1所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：若干个所述钻头胎体的大小相等。
8.根据权利要求1所述的深部硬地层超高转速钻进用钻头，其特征在于：所述主磨料为TSP材料；所述辅磨料包括碳化硅、碳化钨、氮化硅、刚玉和碳化硼。
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