CN101481993B

CN101481993B - 一种高尾矿坝超深钻探钻头装置

Info

Publication number: CN101481993B
Application number: CN2009100606006A
Authority: CN
Inventors: 张超; 杨春和; 王光进; 冒海军
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101481993A

Abstract

本发明公开了一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，其特征在于：在胎体底唇面上对称的开了四对V型凹槽，V型槽的尺寸应与硬质合金底部直径相匹配；在胎体侧面的V型凹槽中轴线上设置四组圆形槽，圆形槽的尺寸与表镶合金的直径相匹配；在胎体侧底面开水口；在钻头上部攻丝。在胎体底唇面上设置硬质合金，在胎体侧面设置表镶合金。硬质合金镶焊到钻头底唇面上的V型凹槽中，硬质合金设置内出刃；表镶合金镶焊到胎体侧面的圆形槽中。该装置不仅结构简单，使用方便，而且该钻头实施于尾矿坝的深井钻探中，大大减小了钻进中产生的阻力、避免了钻进和提钻时卡钻、使钻井液快速顺畅的循环、加快了钻进速度和防止钻进中胎体的磨损。

Description

一种高尾矿坝超深钻探钻头装置

技术领域

本发明涉及钻探施工技术领域，更具体涉及一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，该发明适用于尾矿坝的深井钻探和取样。通过在常规合金钻头的钢制胎体侧面增加表镶合金，以扩大钻孔孔径，防止在深井钻孔中卡钻和保证钻井液顺畅的循环，最终保证钻进的正常进行。另外，硬质合金设置内出刃，以防止钻进中对胎体的磨损。

背景技术

尾矿是矿山选矿生产中通过对矿石的破碎、磨细、分选，然后提取有用矿物后所剩余的废弃物。据统计我国现有尾矿库近万座，形成一定规模(库容大于100万方)的约1500余座，其中最大尾矿库库容有8亿方之多。截止到2005年，国内尾矿坝的最大设计坝高为260m，超过100m的有26座。随着国家经济发展和对矿产资源需求量的增加，尾矿的排放量将不断增大。同时，随着征地成本的不断上升，矿山企业为了减少占用土地面积及降低采矿附加成本，高尾矿坝将成为我国矿山尾矿坝发展的必然趋势。同时，在对尾矿坝进行稳定性分析时，必需对尾矿坝进行工程勘探及取样，因此高尾矿坝勘探技术是尾矿坝工程勘探方面的发展方向。然而，采用普通钻头对尾矿坝进行钻孔勘探时，当钻进达到一定深度时就会发生卡钻，其原因在于尾矿坝中的横向应力随着深度的增加而增加，达到一定深度后，作用在钻头及岩芯管上的压力所产生的摩擦力就会大于钻机能够提供的最大拉力，此时就会发生卡钻现象。

目前，常见的钻头都是针对可钻中硬-硬和有硬岩夹层的地层，如PDC钻头及其改进的新型钻头。近年来，也有针对卵砾岩层硬度大、可钻性级别高、卵砾石砾径大小不等及形状不规则等特点研发了一些抗冲击性能较强新型取芯钻头，如QTQ型钻头、STS型钻头、金刚石-硬质合金复合齿钻头、四翼式取砂硬质合金钻头等。实践证明，目前已有的钻头均不适用于尾矿坝的深部勘探及取样。因此，此发明针对尾矿材料特性，提出了一种改进的新型钻头设计，此钻头能有效降低及解除钻头和岩芯管所受的侧限压力，减小钻进和提钻过程中的阻力，防止卡钻。该新型钻头已在江西铜业公司德兴铜矿4号尾矿坝的勘察及取样中使用，效果良好，最大钻进深度达到140m。然而，采用常规钻头钻进至60-70m时基本都会出现卡钻现象。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，该钻头结构简单，使用方便。该钻头主要实施于尾矿坝的深井钻探中，避免了钻进和提钻时卡钻、保证钻井液顺畅循环、加快了钻进速度和防止钻进中胎体的磨损。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

该钻头包括钢制胎体，第一、第二、第三、第四组硬质合金，第一、第二、第三、第四组表镶合金，第一、第二、第三、第四水口，丝扣。其特征在于：钻头胎体底唇面的第一、第二、第三、第四组V型凹槽分别镶焊第一、第二、第三、第四组硬质合金，其作用在于保持镶焊后钻头的整体性和整体强度、降低钻头在钻进中的切屑阻力，以便提高钻进速率、降低钻孔成本；胎体侧面的第一、第二、第三、第四组圆形槽分别镶焊第一、第二、第三、第四组表镶合金，其作用在于保持钻头焊接后的整体性和强度、提高钻井液的循环速度、减小钻进中侧壁摩擦阻力、从而改善钻孔条件、提高钻进速率和防止卡钻现象；胎体侧底面设置第一、第二、第三、第四水口，其作用在于保证钻井液顺畅循环，以便带出钻头钻进中产生的热量和钻屑，防止烧钻和保证钻孔的顺利；在钻头的上部设置丝扣，此丝扣能把钻头牢固的连接在岩芯管上。第一、第二、第三、第四组硬质合金分别镶焊到第一、第二、第三、第四组V型凹槽中；第一、第二、第三、第四组表镶合金分别镶焊到第一、第二、第三、第四组圆形槽中。在钻头底唇面上设置硬质合金，硬质合金的底部直径与V型槽的底部尺寸相匹配，第一、第二、第三、第四组硬质合金需设置内出刃；在钻头侧面设置第一、第二、第三、第四组表镶合金，第一、第二、第三、第四组表镶合金的底部半径分别与胎体侧面的第一、第二、第三、第四组圆形槽半径相匹配。(在钢制胎体上开V型凹槽，把硬质合金放置于V型凹槽中，放置时需保证硬质合金凸出胎体的内表面(即内出刃)，然后把硬质合金焊接在胎体上；在胎体侧面开圆形卡槽、此卡槽与表镶合金底面尺寸相匹配，然后把表镶合金镶焊到圆形卡槽里；在胎体侧面开U型水槽，此U型口是用来保证钻进液循环的通道，即水口。)

为了防止深井钻孔中的卡钻现象，并且保证钻井液顺畅循环，本发明在胎体侧面镶焊合金，以增大钻进中的孔径。

为了最大限度地减小钻进过程中的阻力，本发明在硬质合金和表镶合金的端部采用刃口结构，使其减小钻头和钻具与孔壁的接触面积，从而达到减小钻进阻力，加快钻进速率的作用。

为了增加表镶合金在钻进中的耐磨性，本发明采用在表面增加表镶合金的个数。本发明在钻头表面总计设置四组(16个)表镶合金。

为了防止在钻进中胎体内表面的磨损，本发明的硬质合金设置内出刃，使其在钻进中磨损硬质合金的表面，而减少对胎体的磨损。

为了增加钻井液的循环速度，本发明在胎体侧面开U型水口，以及时排出尾矿坝钻进中产生的大量尾砂粉和热量，以防治烧钻和提高钻进速度。

本发明的主要优点有：

1)能预防深度钻进和提钻中的卡钻现象，保证钻进正常进行

2)能减小钻进阻力，增大钻进速率

3)能保证钻井液循环顺畅，减小烧钻和埋钻的可能性

4)能防止胎体的磨损。

5)易于加工，且可重复使用

6)时效高、成本低。

附图说明

图1为一种高尾矿坝超深钻探钻头装置的三维拆分示意图。

图2为一种高尾矿坝超深钻探钻头装置的结构示意图。

图3为一种高尾矿坝超深钻探钻头装置的平面主视图。

图4为一种高尾矿坝超深钻探钻头装置的平面俯视图。

图中标号对应的名称为：

1-硬质合金、2-水口、3-硬质合金、4-硬质合金、5-表镶合金、6-水口、7-丝扣、8-表镶合金、9-水口、10-硬质合金、11-表镶合金、12-水口、13-胎体、14-表镶合金。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述：

根据图1、图2、图3、图4可知，该装置包括硬质合金1、3、4、10、表镶合金5、8、11、 14、水口2、6、9、12、胎体13、丝扣7。其连接关系和作用是：

一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，它包括第一、第二、第三、第四硬质合金1、3、4、10、第一、第二、第三、第四表镶合金5、8、11、14、第一、第二、第三、第四水口2、6、9、12、丝扣7，其特征在于：在胎体13底唇面上对称的开了第一、第二、第三、第四组V型凹槽，第一、第二、第三、第四组V型槽的尺寸应与第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10底部直径相匹配；在胎体13侧面的V型凹槽中轴线上设置第一、第二、第三、第四组圆形槽，第一、第二、第三、第四组圆形槽的尺寸与第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14的直径相匹配；在胎体13侧底面开第一、第二、第三、第四水口2、6、9、12。第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10分别镶焊到钻头底唇面上的第一、第二、第三、第四组V型凹槽中，其作用在于保持镶焊后钻头的整体性和整体强度、降低钻头在钻进中的切屑阻力，以提高钻进速率、降低钻孔成本；第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14分别镶焊到胎体侧面的第一、第二、第三、第四组圆形槽中，其作用在于保持钻头焊接后的整体性和强度、提高钻井液的循环速度、减小钻孔中侧壁产生的摩擦阻力，从而改善钻孔条件、提高钻进速率和防止卡钻现象；在胎体侧底面的第一、第二、第三、第四水口2、6、9、12，其作用在于保证钻井液能顺利的带出钻进中产生的热量和碎屑，从而防止烧钻和保证钻进的顺畅进行；在钻头的上部设置丝扣，丝扣的作用在于使钻头牢固的连接在岩芯管上。第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10分别镶焊到第一、第二、第三、第四组V型凹槽中；第一、第二、第三、第四表镶合金5、8、11、14分别镶焊到第一、第二、第三、第四组圆形槽中。在胎体13底唇面上设置第一、第二、第三、第四组硬质合金，硬质合金的底部直径与V型槽的底部尺寸相匹配，第一、第二、第三、第四组硬质合金需设置内出刃；在钻头侧面设置第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14，第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14的底部半径与圆形槽半径相匹配。(在胎体13底唇面上，对称的开了第一、第二、第三、第四组V型凹槽，第一、第二、第三、第四组V型槽的尺寸应与第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10底部直径相匹配，原则是第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10能顺利放入槽口里；在胎体13的侧面，在每对V型凹槽的中轴线上设置第一、第二、第三、第四组圆形槽，第一、第二、第三、第四组圆形槽的尺寸与第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14的直径相匹配；在胎体13侧面开第一、第二、第三、第四组水口2、6、9、12，第一、第二、第三、第四组水口2、6、9、12呈U型、尺寸以能保证钻井液顺畅循环为基准；在钻头底部攻丝。)

圆形胎体底唇面开V型凹槽：在胎体13底唇面开出第一、第二、第三、第四组对称的V型凹槽，槽的位置以保证钻头的整体性和便于在胎体13侧面开水口(U型凹槽)为宜；第一、第二、第三、第四组V型槽的高度以便于镶焊和保证第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10能牢固焊接在胎体13上为宜。前侧的V型槽与第三组硬质合金4相匹配，后侧V型槽与第一组硬质合金1相匹配，左侧的V型槽与第二组硬质合金3相匹配，右侧的V型槽与第四组硬质合金10相匹配；开槽的目的是保证第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10能牢固的焊接在胎体13的底唇面上，并保证镶焊第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10后钻头的稳定性。第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10的底出刃尺寸在3.5～4mm，以便减少钻进中的切削阻力；第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10的内出刃尺寸在1.0～1.5mm，防止钻进中对胎体内表面的磨损。

胎体13侧面开圆形槽：槽的位置在第一、第二、第三、第四组V型槽的中轴线位置，设置第一、第二、第三、第四组对称的圆形槽，每组圆形槽平均垂直布设于胎体13侧面。左侧的圆型槽应与第一表镶合金5相匹配，前侧的圆形槽与第二表镶合金8相匹配，右侧的圆型槽与第三表镶合金11相匹配，后侧的圆型槽与第四表镶合金14相匹配。在侧面开圆型槽的目的是使表镶合金能牢固的镶焊于胎体13的侧面，保证钻头具有良好的整体性。同时，第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14的出刃长度为2～3mm为宜，目的是保证钻头增大钻孔孔径的、减小钻进中侧面的阻力。

胎体13侧底面开U型水口：在胎体V型槽之间设置第一、第二、第三、第四U型水口2、6、9、12，由于尾矿坝钻井中的排粉量大，所以快速循环的钻井液是保证钻进顺畅进行的前提。因此，第一、第二、第三、第四水口2、6、9、12的设置要保证钻头良好的整体钢性和保证钻井液能快速、顺畅循环为宜。第一、第二、第三、第四U型水口2、6、9、12的目的是使钻井液顺畅循环，以便降低钻进中产生的高温和带出钻进中产生的碎屑。

在钻头底部设置丝扣7，其目的是保证钻头能牢固的连接到岩芯管上。

为了防止卡钻(主要针对尾矿坝)，本发明在钻头的侧面镶焊了第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14、，以便增大钻进中的口径，大大减少卡钻的可能性；另外，增加表镶合金还能降低钻进中产生的侧面阻力、提高钻削生产率，保证钻井液的顺畅循环。

下面依据图2、图3和图4说明各个部件的连接方式及其作用：

将第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10放入钻头底唇面上的第一、第二、第三、第四组V型槽里，调整合适的位置，然后把第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10牢固的焊接在钻头上。第一、第二、第三、第四组V型槽的作用是保证硬质合金能牢固焊接在钻头上，保持钻头的整体性。第一、第二、第三、第四组硬质合金1、3、4、10的作用是降低钻进中的切屑阻力，以便提高钻进速率、降低钻孔成本。

将第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14先放入钻头侧面的第一、第二、第三、第四组圆形槽中，然后通过焊接的方式把第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14固定在钻头的侧表面上。第一、第二、第三、第四组圆形槽的作用是固定第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14，使其更好的固定在钻头侧面上。第一、第二、第三、第四组表镶合金5、8、11、14的作用是增大钻进中的孔径，保证钻井液的循环，以防止在深井钻孔中卡钻。

在钻头侧底面的第一、第二、第三、第四组U型水口2、6、9、12，其原则是能使钻井液在钻进中快速、顺畅的循环，其作用是保证钻井液的循环，以便带出钻进中产生的热量和钻屑。

在钻头底部设置丝扣7，其作用是保证钻头能牢固的连接到岩芯管上。

Claims

1.一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，它包括第一、第二、第三、第四组硬质合金(1、3、4、10)、第一、第二、第三、第四组表镶合金(5、8、11、14)、第一、第二、第三、第四水口(2、6、9、12)、丝扣(7)，其特征在于：在胎体(13)底唇面上对称的开了第一、第二、第三、第四组V型凹槽，第一、第二、第三、第四组V型凹槽的尺寸应与第一、第二、第三、第四组硬质合金(1、3、4、10)底部直径相匹配；在胎体(13)侧面的V型凹槽中轴线上设置第一、第二、第三、第四组圆形槽，第一、第二、第三、第四组圆形槽的尺寸与第一、第二、第三、第四组表镶合金(5、8、11、14)的直径相匹配；在胎体(13)侧底面开第一、第二、第三、第四水口(2、6、9、12)；在钻头上部设置丝扣，第一、第二、第三、第四组硬质合金(1、3、4、10)分别镶焊到钻头底唇面上的第一、第二、第三、第四组V型凹槽中，第一、第二、第三、第四组硬质合金(1、3、4、10)设置内出刃；第一、第二、第三、第四组表镶合金(5、8、11、14)分别镶焊到胎体侧面的第一、第二、第三、第四组圆形槽中。

2.根据权利要求1所述的一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，其特征在于：所述的第一、第二、第三、第四水口(2、6、9、12)呈U型。

3.根据权利要求1所述的一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，其特征在于：所述的胎体(13)底唇面开出第一、第二、第三、第四组对称的V型凹槽。

4.根据权利要求1所述的一种高尾矿坝超深钻探钻头装置，其特征在于：所述的第一、第二、第三、第四组圆形槽垂直布于胎体(13)侧面V型凹槽的中轴线上。