CN101006247A - 一种岩石钻头和一种螺纹接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冲击岩石钻孔的钻头。该钻头(10)形成为通过将冲洗介质沿着朝杆(11)的方向引导，以减少在冲击钻孔中空化的起源。钻头(10)包括至少一个用于传输例如水的冲洗介质的通道。所述钻头(10)具有前表面(29)和第一端面(26)，该前表面设有限定最大的第一外径(D0)的球齿(31)，而在该第一端面中，带有例如圆螺纹或梯形螺纹的内螺纹(24)的凹座退出，用于冲击钻孔。凹座具有深度(L0)。裙座(13)的外表面(28)包括圆锥形部分(15)。圆锥形部分(15)具有大于凹座深度(L0)八分之一等分，但小于该凹座深度(L0)的轴向延伸。本发明还涉及一种用于冲击岩石钻孔的螺纹接头。

Description

一种岩石钻头和一种螺纹接头

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求1前序部分的用于冲击岩石钻孔的岩石钻头。本发明还涉及一种用于冲击岩石钻孔的螺纹接头。

背景技术

在冲击式的顶锤钻孔(top hammer drilling)中，钻柱用来将来自顶锤的冲击能量传送到位于钻柱的自由端处的、设有硬质合金的钻头，钻柱中的螺纹接头受到巨大的应力。通常，单独的钻杆在其一端具有内螺纹以接纳位于另一钻杆的相对端的外螺纹。通常使用可能带有一些例如改善润滑的添加剂的水作为与钻孔有关的冲洗介质，以部分地从孔中去掉钻屑并部分地润滑和冷却钻头。钻钢，也就是钻头、杆、管、套和钻机钎尾中的材料，在钻孔期间暴露在磨损作用和腐蚀作用中。这特别适用于地下钻孔，在那里水用作冲洗介质并且环境通常是潮湿的。这些作用在直径较小的部分处特别严重，也就是在螺纹端或螺纹间隙处。

WO-Al-03042493已设法对付在冲击钻孔中空化效应。这已通过用钻头裙座覆盖钻杆的细长部分而完成。从而空化不会到达所述细长部分，而是朝接头较粗直径处被引导。尽管现有解决方案已改善了这些产品的性能，但在杆已经钻孔到较远的距离，例如10000米时，掘进钎杆(drifter rod)正好在裙座下的杆表面往往受到损坏。损坏是很局部的并且具有基本围绕整个杆圆周的切口的形式。于是，当杆受到猛烈弯曲时，该损坏起裂纹萌生点的作用。

发明内容

本发明目的在于缓和上述问题并产生用于冲击岩石钻孔的改良的螺纹接头，该螺纹接头进一步提高现代开采中的效率。

本发明的另一个目的在于提供一种在冲击钻孔中减少空化形成的钻头。

本发明的又一个目的在于提供一种钻头，在该钻头中，来自于外部冲洗介质的爆炸波效应和腐蚀减小。

本发明的又一个目的在于提供一种钻头，在该钻头中，延长了细长尺寸的岩石钻杆的寿命。

根据本发明，这些目的通过如独立权利要求的特征部分所公开的特征实现。根据本发明的钻头和螺纹接头的有利实施例在从属权利要求中限定。

附图说明

图1示出根据本发明的螺纹接头的纵向剖视图；

图2示出根据图1的线II-II的横截面；和

图3示出图1的螺纹接头的放大部分。

具体实施方式

本发明涉及一种用于冲击式岩石钻孔的钻头10。图1示出第一钻杆11连接到与钻头10一体成型的裙座(skirt)13。裙座13具有至少部分圆锥形的外表面28，该外表面包括圆锥部分15。钻头10包括前表面29，该前表面具有多个前部球齿(button)30和周边球齿31，其中图1仅仅示出四个球齿。这些周边球齿31以常规方式限定所钻出的孔的直径。

钻杆11以及螺纹接头包括至少一个用于传输例如水的冲洗介质的通道14。所述通道14至少连接到钻头10中的一个通道。钻杆11具有圆形的径向截面并且包括第一外表面16。该第一外表面16沿轴向方向具有基本不变的第一外径D3。钻杆11具有设有例如圆螺纹或梯形螺纹的外螺纹的第一端17或插端，用于冲击钻孔。该外螺纹可包括凹入的螺纹入口(entrance)或螺纹开端和凹入的螺纹出口(exit)或螺纹末端。第一端17包括第一端面21。第一钻杆11包括第二外表面22，其具有优选地大于直径D3的直径。钻头10的裙座13包括具有内螺纹24和内邻接面25的凹座。凹座23连接到裙座的第二端面26。凹座最小直径大体上等于直径D3。第二端面26大体上为环形。当插端17拧入凹座直到第一端面21抵靠内邻接面25时，螺纹接头安装好。

如上所述，损坏往往出现在正好在裙座下的杆表面(见图1中位置16)。损坏是很局部的并且具有基本围绕整个圆周的“切口”形。于是，当杆受到猛烈弯曲时该损坏起裂纹发生点的作用。本发明企图抵抗的是，当冲洗水通过传统钻头的端部时出现的湍流所引起的腐蚀和空化腐蚀。根据本发明的钻头10包括至少部分圆锥形的裙座13。通过适当地设计的裙座，冲洗水将连续地沿着该裙座的形状前进，从而基本避免空化或空化大大地减少。在这一点上，正确的设计意味着面积沿裙座逐渐改变，并且在裙座的端部26处面积变化比较平缓。

首先参考图2，钻头的尺寸根据以下的式子选择：1＜A3/A2＜1.6，其中A2是在从端面26起的轴向距离L2处的裙座13的直径D2与钻头最大直径D0之间的径向横截面中的假想面积，也就是A2＝π/4*(D0²-D2²)，并且A3是凹座的最小直径D3与钻头最大直径D0之间的径向横截面中的假想面积，也就是A3＝π/4*(D0²-D3²)。比率A3/A2优选地存在于1.30与1.60之间。如图3所示，沿平行于中心线CL方向从端面26到一特定点测得轴向距离L2，该特定点由从裙座13的第二端面26与内径D3之间的交点伸出的、具有角度β(例如45°)的线限定。圆锥形部分15的长度L1大于凹座深度L0的八分之一等分，但小于凹座的深度L0。圆锥形部分15的假想顶点设置在从端面26起的轴向距离大于凹座深度L0的四分之一的位置。钻头的最大直径D0存在于30到50毫米的区间内。这种尺寸的钻头连接到较细长的钻杆，这些钻杆由于有害的圆周切口而可能断裂。钻头的尺寸还满足条件：

${D3}^2<D{2}^2<\frac{1}{1.6}$ ${D3}^2+\frac{0.6}{1.6}{D0}^2$

与最大直径D0处相比，在端面26处，冲洗水在孔与裙座之间通过的顺从区域(amenable area)增加达60％。

在所示的实施例中，裙座13的外表面28由圆柱形外表面12和圆锥形部分15构成。通过圆柱形外表面的布置，钻头的壁厚度保持接近邻接表面21和25，这样提供耐久的钻头。圆锥形部分15与钻头的中心线CL形成角度α。该角度α最大值15°，也就是0＜α≤15°，优选地在2与5°之间。角度α的条件如下：

$0<\frac{\frac{1}{2}(D1-D2)}{(L1-L2)}\&le;0.27$

tanα＝(D1-D2)/2/(L1-l2)，其中tan0°＝0，tan15°≈0.27

其中L1是圆锥形部分15的长度或凹座深度L0一半，而L2＝h＝(D2-D3)/2，因此未考虑在端面26处的斜角。从端面26起的轴向距离L2大于凹座深度L0的八分之一等分。

D3等于由钻头中螺纹牙顶限定的内径。如图3所示，L2可由从裙座的端面26与内径D3之间的交点伸出的具有角度45°的直线确定。圆锥形部分15的假想延伸线X与钻杆的第一外表面16相交，该交点与端面26的轴向距离大于凹座深度L0的八分之一等分。圆柱形外表面12具有从内邻接面25的平面向后的轴向延伸，该轴向延伸最大值是凹座深度L0的7/8。

选择的尺寸在部件11与10之间给出较小的几何过渡以减小空化的程度，从而减小钻屑和侵蚀性水对延长接头的影响。冲洗介质可替代地由空气和水的混合物构成。

从而本发明涉及仅用于冲击岩石钻孔，优选地用于顶锤钻孔的钻头。钻头10形成为使得通过将冲洗介质沿着朝钻杆11的方向引导，以减少在冲击钻孔中空化的起源。

Claims (10)

1.一种用于冲击岩石钻孔的钻头，包括与该钻头(10)形成一体的裙座(13)，所述钻头(10)包括至少一个用于传输例如水的冲洗介质的通道，所述钻头(10)具有前表面(29)和第一端面(26)，该前表面设有限定最大第一外径(D0)的球齿(31)，而在该第一端面中，设有例如圆螺纹或梯形螺纹的内螺纹(24)的凹座退出，用于冲击钻孔，所述凹座具有深度(L0)，其特征在于所述裙座(13)的外表面(28)包括圆锥形部分(15)，所述圆锥形部分(15)的轴向延伸大于所述凹座深度(L0)八分之一等分，但小于所述凹座深度(L0)。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，圆柱形外表面(12)围绕所述钻头(10)的内邻接面(25)，并且所述圆柱形外表面(12)具有从所述内邻接表面(25)向后的轴向延伸，该轴向延伸的最大值是所述凹座深度(L0)的7/8。

3.根据权利要求1或2所述的钻头，其特征在于，所述圆锥形部分(15)与所述钻头的中心线(CL)形成角度(α)，所述角度(α)大于0°且最大值15°。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的钻头，其特征在于，所述钻头(10)的尺寸根据以下式子选择：

$D{3}^2<D{2}^2<\frac{1}{1.6}D{3}^2+\frac{0.6}{1.6}D{0}^2$

其中D2是所述裙座(13)在从所述端面(26)起的轴向距离(L2)处的直径，D3是凹座的最小直径且D0是所述钻头的最大直径。

5.根据权利要求4所述的钻头，其特征在于，所述钻头的尺寸满足条件：

$D{3}^2<D{2}^2<\frac{1}{1.6}D{3}^2+\frac{0.6}{1.6}D{0}^2$

6.根据权利要求1至5中任一项所述的钻头，其特征在于，所述圆锥形部分(15)的假想顶点设置在从所述端面(26)起的轴向距离大于所述凹座深度(L0)的四分之一的位置。

7.一种用于冲击岩石钻孔、在第一钻杆与裙座(13)之间的螺纹接头，该裙座与钻头(10)形成一体，所述钻头(10)包括至少一个用于传输例如水的冲洗介质的通道，所述钻头(10)具有前表面(29)和第一端面(26)，该前表面设有限定最大第一外径(D0)的球齿，而在该第一端面中，设有例如圆螺纹或梯形螺纹的内螺纹(24)的凹座退出，用于冲击钻孔，所述凹座具有深度(L0)，其特征在于所述裙座(13)的外表面(28)包括圆锥形部分(15)，所述圆锥形部分(15)的轴向延伸大于所述凹座深度(L0)八分之一等分，但小于所述凹座深度(L0)。

8.根据权利要求7所述的螺纹接头，其特征在于，圆柱形外表面(12)围绕所述钻头(10)的内邻接面(25)，并且所述圆柱形外表面(12)具有从所述内邻接表面(25)向后的轴向延伸，该轴向延伸的最大值是所述凹座深度(L0)的7/8。

9.根据权利要求7和8所述的螺纹接头，其特征在于，所述圆锥形部分(15)与所述钻头的中心线(CL)形成角度(α)，所述角度(α)大于0°且最大值15°。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的螺纹接头，其特征在于，所述螺纹接头的尺寸根据以下式子选择：

1＜A3/A2＜1.6

其中A2是所述裙座(13)在从所述端面(26)起的轴向距离(L2)处的直径D2与所述钻头最大直径(D0)之间的径向横截面中的假想面积，并且A3是所述凹座的最小直径(D3)与所述钻头最大直径(D0)之间的径向横截面中的假想面积。

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