CN112004985A - 具有耐磨保护件的钻头 - Google Patents

Abstract

本公开涉及包含PCD柱钉和表面硬化材料的冲击钻头，其中所述表面硬化材料的战略性位置设置将柱钉突出和表面硬化材料的用量降到最低。

Description

具有耐磨保护件的钻头

技术领域

本发明涉及用于采矿、油气开采、以及建筑施工的钻头，尤其涉及一种潜孔(DTH)钻头或顶锤(TH)钻头，其为特定类型的、主要利用冲击作用的钻头，但不限于此。

背景技术

冲击钻井用于广泛的各种岩石类型的钻井。例如，在油气开采业中，冲击钻井用于深井钻井。冲击钻井还用于建筑业以进行打桩和基脚施工。冲击钻井也用于采矿作业，钻井以填充炸药，随后引爆炸药，以获取岩层中的矿石。

冲击锤部和钻头是岩石钻井的最快方式之一。锤部与小型气锤类似。其为空气驱动，循环速率高，并结合了快速锤和旋转钻井动作。这种组合动作使得凿状尖端旋转钻入岩层，将岩层破碎成岩块和岩屑。因其为气动锤部，具有将岩块和岩屑从钻井中吹出的排气装置。

钻头安装在钻柱的下端。锤部也称为冲击机构，若为DTH冲击钻井，其直接位于钻头后方；若为TH冲击钻井，其位于地面上方。与钻柱连接的钻杆，用于向锤部和钻头传递必要的进给力和压缩空气，并旋转锤部和钻头。随着钻井不断深入，要相继增加额外的钻杆。

冲击钻头在极端条件下工作，并且像设备的任何其他部件一样受到磨损。一旦钻头磨损太严重，无法以足够的速率钻井或钻井直径不足，就必须停止作业以更换钻头。

图1示出了磨损的现有技术冲击钻头，在本文中一般用附图标记10表示。为延长钻头10的使用寿命，钻头冲击面14上设置了由耐磨烧结碳化物制成的镶齿12。但是，相对于镶齿12，钻头钢体16已过早磨损，且因通常称为“镶齿突出(button pop-out)”的故障而缺失两个镶齿12。该两个缺失的镶齿的位置用附图标记18表示。因此，镶齿12的优点并未充分发挥。

本发明的一个目的是提供一种钻头，其具有优化的钻速和更长的使用寿命。

发明内容

根据本发明，提供一种钻头，该钻头包括具有冲击面的钻头本体，该钻头本体具有旋转纵轴、用于向冲击面供应高压流体的内导管、位于冲击面上并与该内导管流体连通的至少一个排气口、以及与每个排气口相邻的耐磨保护件，其中耐磨保护件仅位于每个排气口的尾端并相对于旋转方向限定。

耐磨保护件对“钻体冲蚀(body wash)”提供了针对性保护。钻体冲蚀通常是指钻头本体随时间推移的逐渐磨损。耐磨保护件位于冲击面上最易受磨损的位置。在运行过程中，来自锤部操作排出的空气从排气口排出，并吹刷冲击面上的岩层岩块和岩屑。在钻头旋转时，岩屑以与钻头旋转方向相反的方向流动。因此，钻头本体的钻体冲蚀被认为是在排气口“后方”(根据钻头旋转的方向)和附近产生的。通过仅专门针对该区域(或多个区域，因为根据排气口的数量将有多个不同的区域)提供最需要的增强磨损保护，额外耐磨材料的成本得以降低。随着时间的推移，钻体冲蚀可能还会波及到冲击面上的其他地方，但跟没有耐磨保护件的情形相比，会发生得晚些(在多次钻井之后)。

本发明的优选和/或可选特征包含在权利要求2至14中。

附图说明

通过结合附图参考以下描述，可以获得对本实施例及其优点的更全面和彻底的理解，在附图中，相同的附图标记表示相同的特征，其中:

图1是磨损的现有技术钻头；

图2是根据本发明的部分组装的钻头的俯视图；

图3是图2的钻头的侧视图；以及

图4是根据本发明的完全组装的钻头的示意性透视图。

具体实施方式

参照图2、3和4，根据本发明的钻头总体上用附图标记100来表示。钻头100可以传统方式连接至冲击机构和钻柱。钻头100是本发明的发明点。

钻头100包括钻头本体102，该钻头本体102具有冲击面104以及从冲击面104延伸的用于设定钻井期望直径的保径壁106。钻头100还包括用于向冲击面104供应高压空气的内导管108、位于冲击面104上的并与内导管108流体连通的三个排气口110、以及仅邻近每个排气口110设置的耐磨保护件112。

术语“仅”旨在将本发明与具有覆盖全部或大部分冲击面的硬质表面的钻头区分开来。耐磨保护件112相对于该或每个排气口110的具体位置有重要意义。

在该实施例中，冲击面104是平面的(即平坦的或基本平坦的)。具体地，冲击面104包括两个平面部分，即主平面部分104a和辅平面部分104b。主平面部分104a在垂直于钻头本体102的旋转轴线的平面内延伸，而辅平面部分104b以一定角度从主平面部分104a的周缘下垂，使得其径向向外倾斜并远离主平面部分104a。

可替代地，冲击面104可以是曲面的。若为曲面，其可以为凹面或凸面。凹面通常被认为具有优异的全能性，其在钻非常直的井孔时，在大多数情况下用作通用钻头。凸面兼具速度和使用寿命。平面最适合松软或已破碎地面以及坚硬岩层。

每个排气口110包括通孔114，通孔114的一端连接至内导管108，另一端连接到大体细长形的冲刷槽116。冲刷槽116远离通孔112径向延伸。冲刷槽116从主平面部分104a的大致中心位置延伸到辅平面部分104b的周缘。可以设置任何数量的排气口110，而非上述的三个，例如2、3、4、5或6个。

另外，钻头100包括柄部118，柄部118包括用于连接到锤部(未示出)的多个花键120，以及冲击面104内的多个镶齿122。

柄部118与钻头本体102邻接。钻头本体102和柄部118通常由钢或合金制成。钻头本体102和柄部118通常为圆柱形。保径壁106的外径可以为大约140毫米，但可根据钻井操作的需要使用任何尺寸的直径。柄部118的外径小于保径壁106的外径以使钻头100具有操作灵活性。钻头本体102具有旋转纵轴(图3显示最为清楚)，并且耐磨保护件112位于冲击面104内并沿旋转方向(如图2箭头A所示)位于每个排气口110的后方。换句话说，耐磨保护件112位于排气口110的尾端。

耐磨保护件112包括冲击面104上的凹槽124，凹槽124填充有表面硬化元件126。该表面硬化元件126是比钻头本体102的基体材料更为耐磨的填充材料。该表面硬化元件126优选地包括低熔点碳化物(LMC)材料，其以铁基为特征。示例性材料参见美国专利8,968,834、8,846,207和8,753,755中所描述。可选地，表面硬化元件126可以包括烧结碳化物或多晶金刚石(PCD)材料或其他耐磨材料。

凹槽124是细长形的，并与排气口110并排延伸。耐磨保护件112邻接冲刷槽114。具体地，凹槽124在冲刷槽114侧开口。更具体地，凹槽124通常为矩形，并具有内圆角。凹槽124的精确尺寸将取决于钻头的尺寸，但凹槽124的深度通常进入冲击面约5毫米。

耐磨保护件112进一步包括冲击面104上的第二凹槽128，该第二凹槽128也填充有表面硬化元件126。当第二凹槽128填充有表面硬化元件126时，该第二凹槽128的目的是限制磨痕的进一步扩大，这些磨痕被认为是邻近排气口110的过度磨损区域的成因。

第二凹槽128邻接第一上述凹槽124。第二凹槽128通常沿周向远离第一凹槽124延伸。第二凹槽128也是细长形的，并且连接至接近排气口110通孔112的第一凹槽124。第二凹槽128在钻头旋转方向上旋转地位于第一凹槽124的后方。

包括通孔112和冲刷槽116的排气口110和包括第一凹槽和第二凹槽的耐磨保护件112为一组，其在冲击面上与另外两组同样的部件间隔设置。可选地，钻头100可以包括两组、四组或五组同样的部件。

可选地，耐磨保护件112可以施加在冲击面104的表面上，而非用作凹槽124内的填充材料126。在该实施例中，耐磨保护件112构成了限定区域，该限定区域邻近冲击面104表面并在冲击面104表面的上部并与其接合。

通过选择性地将耐磨保护件112设置在排气口110附近，耐磨保护件112设置在最需要它的部位(尽管不一定是可能需要它的唯一部位)，从而使材料成本降至最低。

镶齿122是耐磨柱钉。当冲击岩层时，与冲击面104的平坦表面相比，柱钉122的较小面积(相对于钻头本体)可更好地将应力集中在岩块上。

每个镶齿122位于冲击面104上的相应形状的凹槽中。通过钎焊将柱钉122固定到本体上，但是替代地，也可以使用压合、热装、胶合或任何其他接合方式。

在该实施例中，钻头本体上设置有十九个镶齿122。然而，可以使用任何数量的镶齿122。优选地，使用8至20个镶齿122。在该十九个镶齿122中，九个位于主平面部分104a上，十个位于辅平面部分104b上。镶齿122可以仅位于主平面部分104a内、仅位于辅平面部分104b内、或者位于两者内。

典型地，每个镶齿122的直径为12毫米至20毫米，长度为10毫米至40毫米。可以使用其他直径，例如，6毫米至30毫米。主平面部分104a上使用的镶齿122的直径可以不同于辅平面部分104b上使用的镶齿122的直径。

镶齿122包括与表面硬化元件126不同的材料。镶齿122优选地包括烧结碳化物或多晶金刚石(PCD)材料。可以替代地使用其他耐磨材料。

镶齿122可以是球形、半球形、弹道形或圆顶形柱钉，并且可以使用这些形状的任意组合。此外，位于主平面部分104a上的镶齿122的形状可以不同于位于辅平面部分104b上的镶齿122的形状。

镶齿122以非对称的形式围绕旋转轴排列。部分镶齿122以成组旋转地方式布置在每个排气口的“后方”。耐磨保护件112的第二凹槽128在两个镶齿122之间延伸。耐磨保护件112相对于镶齿122的位置很重要，因为耐磨保护件112进一步延长了镶齿122提供的保护，从而提高了钻头100的使用寿命。

耐磨保护件112减缓了钻头本体102遭受的钻体冲蚀，从而可以更长时间的利用镶齿122提供的有益效果。耐磨保护件112显著推迟了镶齿突出的发生。耐磨保护件112有效地弥合了钢体102的较低耐磨性和镶齿122的较高耐磨性之间的差异。

钻头100还包括用于保护钻头本体102侧面的保径器130。保径器130包括另外的表面硬化元件126，该表面硬化元件126将G区内因其他原因减少的钻头直径补足至钻头100的初始全直径。保径器130使钻头100的全直径保持更长时间。

附加地或替代地，保径器130可以包括填充有表面硬化元件126的凹槽。

因钻速提升和钻头寿命延长，本文描述的钻头100提高了价值定位、降低了每米钻井成本。

虽然已经参照实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由后附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

花键120不构成本发明的一部分，并且可以使用与锤部连接的替代方式。

类似地，镶齿122非必要元件，其可以省略。

尽管冲刷介质已被描述为作为锤击作用附带效应的高压空气，但从排气口排出的高压流体也可以是液体。

钻头既可用于旋转钻井和冲击钻井，或者实际上用于需要在冲击面上设置排气口的任何类型的钻井。

本文使用的某些标准术语和概念将在下面简要解释。

如本文所用，多晶金刚石(PCD)材料包括多个金刚石颗粒，其中相当多的颗粒彼此直接相互结合，并且其中金刚石的含量为材料的至少约80体积％。金刚石颗粒之间的间隙可以基本上是空的，或者可以至少部分地填充有基体填充材料，或者它们可以基本上是空的。基体填充材料可以包括烧结催化材料。

多晶立方氮化硼(PCBN)材料包括分散在包含金属、半金属和/或陶瓷材料的基质中的立方氮化硼(cBN)颗粒。例如，PCBN材料可包含至少约30体积％的分散在粘合剂基质材料中的cBN颗粒，该粘合剂基质材料包含含钛化合物(例如碳氮化钛)和/或含铝化合物(例如氮化铝)，和/或含金属化合物(例如Co和/或W)。PCBN材料的一些版本(或“品级”)可包含至少约80体积％或甚至至少约85体积％的cBN颗粒。

Claims (14)

1.一种钻头，其包括：

-具有冲击面的钻头本体，所述钻头本体具有旋转纵轴；

-用于向所述冲击面供应高压流体的内导管；

-位于所述冲击面上并与所述内导管流体连通的至少一个排气口；以及

-与每个所述排气口相邻的耐磨保护件，其中所述耐磨保护件仅位于每个所述排气口的尾端并相对于所述旋转方向限定。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中所述或每个排气口包括通孔，所述通孔与所述冲击面上的大体细长形的冲刷槽邻接，所述冲刷槽远离所述通孔径向延伸。

3.根据权利要求1或2所述的钻头，其中所述耐磨保护件包括位于所述冲击面上、填充有表面硬化元件的凹槽。

4.根据权利要求3所述的钻头，其中所述凹槽为细长形且与每个所述排气口并排径向延伸。

5.根据权利要求4所述的钻头，其中所述凹槽与所述排气口的至少一个冲刷槽邻接。

6.根据权利要求3、4或5所述的钻头，其中所述耐磨保护件进一步包括位于所述冲击面上、也填充有表面硬化元件的第二凹槽，所述第二凹槽从第一凹槽延伸并与其连接。

7.根据权利要求6所述的钻头，其中所述第二凹槽在大体沿周向远离所述第一凹槽延伸。

8.根据权利要求7所述的钻头，其中所述第一凹槽具有第一端和第二端，所述第一端接近所述排气口的所述通孔，所述第二凹槽延伸远离所述第一凹槽的所述第一端。

9.根据前述任一项权利要求所述的钻头，进一步包括多个耐磨柱钉，每个所述耐磨柱钉位于所述冲击面上对应形状的凹槽内。

10.根据权利要求9所述的钻头，其中部分所述耐磨柱钉以成组的形式靠近所述或每个耐磨保护件设置。

11.根据权利要求10所述的钻头，其中所述耐磨保护件至少部分地在两个或多个所述耐磨柱钉之间延伸。

12.根据权利要求9至11任一项所述的钻头，其中所述耐磨柱钉包括多晶金刚石PCD。

13.根据前述任一项权利要求所述的钻头，进一步包括用于保护钻头本体侧部的保径器。

14.根据权利要求13所述的钻头，其中所述保径器还包括表面硬化元件。

Images