CN102168526A - 带切削刃的柱齿及其钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带切削刃的柱齿及其钻头，适用于制造用于取水、采矿、石油及天然气钻探与开采、地质钻探等钻井作业和各种土建施工的凿岩等用的带切削刃的柱齿及其钻头，例如以碾压方式工作的牙轮钻头，以旋冲方式工作的潜孔钻头与柱齿钎头等。柱齿包含了切削刃，除在增加了边侧部位的切削刃的同时，基本保持了柱齿头部原有的旋转体结构，因而保持了原有的抗冲击强度。采用了本发明的钻头，基本克服了柱齿球面刮削岩石，易于磨损的缺陷。

Description

带切削刃的柱齿及其钻头

技术领域

本发明涉及一种带切削刃的柱齿及其钻头，适用于制造用于取水、采矿、石油及天然气钻探与开采、地质钻探等钻井作业和各种土建施工的凿岩等用的钻头，该钻头上采用带切削刃的柱齿。钻头包括以碾压方式工作的牙轮钻头，以旋冲方式工作的潜孔钻头与柱齿钎头等。

背景技术

从来的潜孔钻头、柱齿钎头与牙轮钻头上使用的柱齿，按头部几何形状分：旋转体的半球形柱齿、锥形柱齿、抛物线形柱齿等，非旋转体的如楔形柱齿、勺形柱齿等。其中在旋转体的基础上去掉一部分材料而形成的变形柱齿如尖爪柱齿，或楔形柱齿的楔形面凹陷而形成的勺形柱齿等。旋转体柱齿完全没有切削刃，但其变形如尖爪柱齿可以说具有切削刃，因结构上从旋转体中去除了一部分材料，其抗冲击的能力下降了，故很少应用于需要承受较大冲击的潜孔钻头上，虽然有专利号为：US5881828和US6119798的美国专利公开了这样的设计。楔形柱齿具有不锋利的切削刃，有一定的切削能力，但其抗冲击的能力也比旋转体的柱齿要低，它们较多地应用于牙轮钻头等，参见专利号为：US4598779和US6145605的美国专利。与本发明最接近的对比文件是专利号为004607712的美国专利，它的合金柱齿刃口凸出球面，并径向朝外分布，工作时它的刃口以既剪切又冲击的方式破岩工作，因而容易在冲击时破损，寿命不长。

镶有柱齿的钻头例如潜孔钻头与牙轮钻头等在工作时，柱齿特别是周边的柱齿或称边齿在破岩过程中既有对孔底部岩石的冲击，又有较多的对孔底，特别是对孔底部壁面岩石的切削。而要求柱齿同时满足既能冲击又能切削，也即要求柱齿材料同时具有极高的硬度与冲击韧性这个存在一定程度矛盾的要求，一直是技术上的一个难题。而头部是球形的柱齿在理论上就完全不适合切削岩石，特别是它的球头在岩石上作切向运动切削岩石的同时，在垂直于剪切运动的方向对岩石施加了很大的压力，大幅提高了岩石的抗剪切强度，不仅增加了切削阻力及摩擦功耗，消耗更多的钻机机械动力，还加快了柱齿的磨损速度。同时，现有的潜孔钻头上的柱齿也是安装成垂直于钻头头部旋转面的，因为边齿的紧固问题也是首先必须保证，所以难以在其起切削作用的柱齿前沿安排排渣槽或起排渣或暂存石渣作用的空间，因而该处的钢胎体容易在钻头旋转时被堆积的石渣磨损，形成边齿紧固圈的缺损，造成边齿的早期脱落。再加上边齿侧面对孔壁起切削作用的部位磨损后，所钻孔孔径缩小，造成排渣困难，使得钻进速度降低的同时加剧磨损钻头钢胎体，进一步加速了钻头的失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种带切削刃的柱齿及其钻头，与常规方式相比，钻头柱齿的头部在与孔底面岩石接触承受冲击负荷处基本保持现有设计所采用的球形或其它如子弹头形等，而在柱齿头部与孔壁面接触并且刮削孔壁的柱齿头部侧面位置，则设计带有切削刃。

本发明的目的是这样实现的：根据钻头包括潜孔钻头与牙轮钻头磨损最快的柱齿是边齿，并且其柱齿头部承受冲击的部位与负担主要切削任务的部位大致上垂直只有少量重叠，而将主要承受冲击并且最先与井底接触的柱齿头部部位基本保持现有设计的球头状或子弹头状等，与负担井壁切削任务并且只与井壁接触的柱齿边侧设计为带有切削刃，并且切削刃结构是从承受井底冲击的柱齿头部附近连续过渡到主要负担井壁切削任务的柱齿边侧时切削刃的刃前面与刃后面尺寸为最大的。与从旋转体中去掉了一部分材料形成的尖爪柱齿和楔形柱齿的楔形面凹陷而形成的勺形柱齿等不同，本发明的柱齿在采用了垂直于头部受冲击表面的切削刃设计的同时，基本保持了柱齿头部原有的旋转体结构，并且它的冲击与切削工作部位是独立分开的。对潜孔钻头而言，冲击工作与切削工作也在时间上分开。因而既保持了原有的抗冲击强度，切削刃也有较长的寿命。

由于采用上述方案，可以方便地构成具有较好制造经济性与较长使用寿命的带切削刃的柱齿及其钻头，包括潜孔钻头、柱齿钎头与牙轮钻头，而潜孔钻头也包括液动与气动的潜孔钻头及其派生的变形如扩孔钻头、取心钻头等。

附图说明

图1是本发明的带大切削刃口的球头柱齿轴侧视图；图2是本发明的带小切削刃口的球头柱齿轴侧视图；图3是本发明的带小切削刃口的锥形柱齿轴侧视图；图4是本发明的带小切削刃口的曲线形柱齿轴侧视图；图5是本发明的带小凸切削刃口的球头柱齿主视图；图6是本发明的带小切削刃口的球头柱齿主视图；图7是图5的A-A处剖视图；图8是图5的B-B处剖视图；图9是图5的C-C处剖视图；图10是图6的A-A处剖视图；图11是图6的B-B处剖视图；图12是图6的C-C处剖视图；图13是图6的A-A处剖视图；图14是图6的B-B处剖视图；图15是图6的C-C处剖视图；图16是本发明的带双重切削刃口的柱齿剖视图；图17是本发明的潜孔钻头头部的轴侧视图；图18是本发明的牙轮钻头的牙轮壳示意图；图19是本发明的凸面潜孔钻头头部的示意图；图20是本发明的取心潜孔钻头头部俯视示意图；图21是本发明的偏心扩孔套示意图。

图中1.柱齿2.冲击头3.切削刃4.刃前面5.刃后面6.刃前辅面7.潜孔钻头头部8.边齿主台面9.边齿副台面10.牙轮壳11.凸面潜孔钻头头部12.取心潜孔钻头头部13.偏心扩孔套

具体实施方式

如图1所示为本发明的带大切削刃口的球头柱齿轴侧视图，它的摆放方位与它在潜孔钻头上的安装方位大致相同，即冲击头2朝上，刃前面4面向读者，下同，可以参见图17。其中1为柱齿，它的根部形状是圆柱体；2为冲击头，该部位在潜孔钻头上冲击工作时最先直接接触井底并以冲击方式破岩；3为切削刃，该部位在潜孔钻头上旋转工作时直接接触井壁突出边角并以切削方式破岩；4为刃前面；5为刃后面；6为刃前辅面，在本图中它就是球头的球面。与通常柱齿半球形头部有差别的是它设有相对柱齿旋转体外表面母线逐渐凸起的刃前面4与刃后面5以及由此形成的切削刃3；在图1中，刃前面4与刃后面5是两相交的的圆柱面，刃后面5的半径与球头半径相同，刃前面4的半径更大，其交线即为切削刃3。两相交的圆柱面之间的夹角即为刃角，它可以是直角，也可以是钝角，用于软岩时甚至也可以是锐角。当然，刃前面4或刃后面5也可以是近似柱面的其它曲面，例如椭圆柱面、环面等，也可以由多块小平面或曲面组合而成，但它们实际上是非常接近柱面的。甚至包括冲击头2在理论上也可以采用多面体来趋近常规的球体，例如采用多块曲面或平面的组合来组合也是可以的，但这些变形并不会获得什么特别的益处，因为棱角很快会被磨圆或磨平。如果需要的话，靠所钻孔的孔壁侧的部分刃后面5可以是平面或环面，以获得较直的切削刃3，切出较平滑的孔壁等，不赘述。当然，该块刃后面5的小平面实际上也可以是由柱面的刃后面5经过一段时间的使用磨损后近似地获得。另外，因为刃前面4特别是离开冲击头2一段距离的起主要切削作用处并不直接与岩石发生正面冲击，冲击工作与切削工作在柱齿头部上的功能与部位分离，是本发明的基本特征。

因为较大面积的柱面形刃后面5将降低对岩石的压应力密度，不利于钻进硬岩。因此应降低切削刃3相对球头的凸出量并为方便安排刃前面4，可以采用比刃后面5低的刃前辅面6。如图2所示为本发明的小切削刃口的柱齿轴侧视图，其中6为刃前辅面，其余同前述。刃后面5与刃前辅面6之间有相差的台阶形成刃前面4，即刃后面5、刃前面4与刃前辅面6三个面两两相交并形成阶梯形切削刃口。刃前辅面6与刃前面4直接或经圆角或倒角过渡连接。这也是本发明区别于现有柱齿形成切削刃口的基本特征之一，它是在形成切削刃口的同时总体上保持柱齿的旋转体特征的最有效方法。刃前辅面6与刃前面4的这条狭长的凹空间即是排渣槽。圆滑过渡的排渣槽使得切削刃3抗冲击强度较好，可以减小切削刃3被冲击破坏的可能性。刃前面4可以采用椭圆柱面或较大直径的柱、环面甚至平面等，使切削刃3中部较为平直，有效切削范围较大。现有的柱齿切削结构的基本特征是只有刃前面与刃后面，也即简单地用两个面相交形成切削刃，因为刃前面削去了柱齿头部旋转体的一部分，破坏了它的抗冲击性能良好的旋转体结构。实际上钻头例如潜孔钻头在冲击时，边齿已经在孔底边沿形成破碎坑，边齿对孔底壁面岩石突出小边角的切削余量比较小，较小的刃前面4已经足够满足切削的功能要求，同时基本保持了柱齿的旋转体结构。即使偶然遇到孔底壁面岩石突出较大边角，刃前辅面6或更靠前的头部旋转体部分会对突出较大边角的岩石形成现有钻头相同的刮切方式切除一部分，剩余部分被本发明的切削刃3切削。由于有切削刃3等组成的切削结构，它比球头更不易磨损，使得钻头的保径能力更好。

切削刃3直接接受冲击将会很快磨平，因此可以将切削刃3与刃前辅面6的起始点安排得适当远离冲击头2，使它的冲击头2保持了完整的球形。

如图3所示是本发明的带小切削刃口的锥形柱齿轴侧视图，锥形柱齿较少用于潜孔钻头的边齿。但在用于软岩层的钻头时，它的边齿外倾角很小。它可以有较浅的切削刃口也即尺寸较小的刃前面4的安排。

图4是本发明的带小切削刃口的曲线形柱齿轴侧视图，曲线形柱齿也较少用于潜孔钻头的边齿，但在用于软岩层的钻头时，它的边齿外倾角也很小。它也可以有浅的切削刃口也即尺寸较小的刃前面4的安排。其它齿形的情况类似，不赘述。

结合图5至图15，将采用剖视图详细描述柱齿的刃口切削结构：如图5所示为本发明的带小凸切削刃口的球头柱齿主视图，即如图2所示柱齿的主视图，它的刃后面5稍微凸出球头球面，切削刃3也稍微凸出球头球面并与球头柱齿旋转体的表面母线平行。当然，它们也可以是有一个小的夹角而不平行的，例如后文将会述及在潜孔钻头边齿采用矢量布齿时。

如图6所示为本发明的带小切削刃口的球头柱齿主视图，它的刃后面5与球头球面重合，切削刃3与球头柱齿旋转体的表面母线也重合，刃前面4稍微凹进球头球面。当然，它们也可以是有一个小的夹角而不重合的，例如后文将会述及在潜孔钻头边齿采用矢量布齿时。

图7是图5的A-A处剖视图，它接近冲击头2，只有很浅的切削刃口即刃前面4的尺寸很小，并且刃前面4与刃后面5和刃前辅面6已经接近平滑融合，基本没有切削作用。

图8是图5的B-B处剖视图，它稍微远离冲击头2，有一定的切削刃口即刃前面4的尺寸较大，有一定的切削作用。

图9是图5的C-C处剖视图，它远离冲击头2，在工作时主要接触井壁并切削井壁，具有最大的切削刃口即刃前面4的尺寸最大，该处切削刃3大致与冲击头2表面垂直，承担主要的切削工作。

图10是图6的A-A处剖视图；图11是图6的B-B处剖视图；图12是图6的C-C处剖视图；图13是图6的A-A处剖视图；图14是图6的B-B处剖视图；图15是图6的C-C处剖视图；图10、图11、图12与图13、图14、图15是两种相似的情形，也与图7、图8、图9相似。所不同的是图7、图8、图9的刃后面5是凸出柱齿头部球面的，刃前辅面6是在柱齿头部球面上。而图10、图11、图12与图13、图14、图15的刃后面5是在柱齿头部球面上，刃前辅面6是凹进柱齿头部球面的。其中图13、图14、图15的刃前辅面6是以圆柱面简单地切进柱齿头部球面的，当然刃前辅面6也可以采用圆环面更好地与头部球面过渡融合，不另绘图。当然，界于两种之间的安排即刃前辅面6稍微凹入，刃后面5稍微凸出柱齿头部球面的折中方案也是可以的。

如图16所示为本发明的带双重切削刃口的柱齿剖视示意图，也即相当于图9、图12或图15所示的C-C处的剖视图，其设计意图和思想与图1至图15所描述的相似故未绘出主视图。双重切削刃口在较大尺寸的钻头边齿上有运用价值，它可以延长切削刃的使用寿命。

在图1中，切削刃3是从出发自或延伸至冲击头2的顶点的。当然，切削刃3也可以是不从冲击头2的顶点出发的，例如图2所示。朝工作时的切削方向向前移等，可以方便地改变切削刃3在工作时与切削运动方向的夹角，以获得不同的切削特性等，这点将在图17中进一步描述，在此不赘述。

同样的设计原理，也完全适用于其它类型的柱齿如锥形齿、抛物线齿、半抛物线齿、曲线齿等上而形成相应的带切削刃柱齿。与球头带切削刃柱齿稍有差别的是它们的刃后面5可以是圆柱面或近似圆柱面，与该柱齿顶端的头部相切相交，或适当扩大到不仅与该柱齿顶端的球头相切相交，还可以其它曲面向下延伸到与球头下的锥面或抛物线旋转面相切相交，或者直接在旋转体表面采用刃前辅面6凹陷形成较长的切削刃3及刃前面4，以适应较软的岩石的钻孔操作。当然，刃前面4的设计相对自由些，也可以有排渣槽等，如前述。较小的刃前面4有磨损寿命较短的问题，实际使用时因刃后面5被磨损而导致刃前面4过小后可以采用修磨刃前辅面6的办法再造出刃前面4的。

如图17所示为本发明的钻头之一的潜孔钻头头部的轴侧视图，它的8个边齿采用如图2所示的带切削刃的柱齿，其中7为潜孔钻头头部，8为边齿台面，9为边齿副台面。图中可以明显看出工作时冲击头2将直接接触井底，切削刃3将直接接触井壁。与现有的潜孔钻头头部设计基本相同的是边齿轴线在潜孔钻头的径向向外倾斜离轴线大约35至45度左右或更宽范围，球头齿角度较大，其它比较尖的齿角度较小。但本发明潜孔钻头中的柱齿在切向也可以有一个朝运动方向倾斜的角度，有利于扩大刃后面5的尺寸从而提高切削刃3的使用寿命，以及由边齿台面8与边齿副台面9成角形凹陷形成的蓄渣空间兼排渣通道，降低柱齿前端的钢胎体磨损带来掉边齿的倾向。该切向倾斜角度在图17所示中大约是10度，它可以大致在0度至30度之间的范围选取，与边齿排布的间隔或密度以及排渣槽宽度有关，间隔较大并且排渣槽宽度较窄时，钻头头部的固齿能力较强，切向倾斜的角度也可以较大，以取得较好的强化切削刃的效果以及充足的蓄渣空间兼排渣通道，反之取值较小，也可以采用现有的布齿方法。具有切向倾斜角的布齿方法可以被称为矢量布齿法。请注意边齿在运用矢量布齿法时，切削刃3就会与柱齿母线有相应的夹角了，其所在的平面就会应该与柱齿母线或柱齿中心轴线有夹角以保持切削刃3的方向适合切削。矢量布齿法不仅适用于边齿，中间齿也同样适用，差别仅仅是越靠近中心，切向倾斜角取值越小。实际上矢量布齿法也同样适用于采用没有带切削刃的现有的柱齿的潜孔钻头和柱齿钎头，并能取得相对现有的垂直布齿较好的防止柱齿早期脱落的使用效果。当然，如果为了简化加工工艺，也可以保持现有的潜孔钻头边齿没有切向倾斜角度的设计。同样的设计完全适用于液动潜孔钻头，以及中心排渣钻头如反循环式潜孔钻头等，它也都是按照旋冲方式工作的，其边齿的工作情况与现有的常规气动潜孔钻头情况完全相同。至于柱齿钎头，它的头部基本上就是一个小潜孔钻头的头部，设计原理完全相同，不赘述。

如图18所示为本发明的牙轮钻头的牙轮壳示意图，其中10为牙轮壳，其余同前述。牙轮钻头工作时因为牙轮壳在孔底滚动的自转与公转的合成运动，同样也是在牙轮壳上的边齿，将与孔壁和孔底边沿发生切向相对滑动，即产生柱齿对孔底边沿岩石的碾压与切向切削作用和对孔壁岩石的单纯切向切削作用。并且对孔壁岩石的单纯切削作用主要发生在大致与柱齿对孔底边沿岩石的碾压作用相互垂直的位置，这点与潜孔钻头相似。当然，所谓的边齿也并不限于最外的一圈齿，较大的牙轮壳上会对孔壁起切削作用的边齿可以有多圈。因为同样的机理，在单牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮及其变形如牙轮滚轮组合钻头等在本发明中统称牙轮钻头也同样适用带切削刃的柱齿并能取得良好的效果。与前述的潜孔钻头相同，在牙轮钻头的牙轮壳上，也同样适用矢量布齿法，也即同样可以是朝切削运动方向前倾斜一个角度。

如图19所示为本发明的凸面潜孔钻头头部的示意图，其中11为凸面潜孔钻头头部，其余同前述。因为潜孔钻头的镶齿面是锥形的，实际上在锥面上的柱齿都会在冲击破岩时沿径向产生不圆整的破碎坑，导致凸面潜孔钻头旋转时柱齿会在外侧边同样有较多的切削工作，因此在钻头头部的锥面上也都可以布置本发明的带切削刃的柱齿，也可以采用矢量布齿法等。

如图20所示为本发明的取心潜孔钻头头部俯视示意图，其中12为取心潜孔钻头头部，其余同前述。理论上可以把被取心的岩石柱当成孔壁看待，它们的工作过程基本相同，内边齿也同样要切削岩石柱的柱面底部，也同样可以在内柱齿内侧布置切削刃即采用带切削刃的柱齿。但刃前面4的方向与外侧的带切削刃的柱齿的刃前面4的方向都是对着前进方向的，单独从柱齿看它们可以是近似轴对称的，而不是相同。

如图21所示为本发明的偏心扩孔套示意图，其中13为偏心扩孔套，跟管等没有绘出，其余同前述。它的一排或多排柱齿主要工作在孔壁附近作扩孔破岩，因此其布齿也可以采用带切削刃的柱齿。另外，同心式的跟管钻头钻具与常规的同心扩孔钻头也主要在孔壁附近破岩工作，与边齿工作的偏心扩孔套或潜孔钻头完全相同，也适用本发明的带切削刃的柱齿，不赘述。

本发明所称的潜孔钻头泛指以旋冲方式破岩的钻头，包括由潜孔冲击器驱动的钻头，包括气动潜孔钻头与液动潜孔钻头及其变形，例如扩孔钻头、跟管钻具的偏心或同心扩孔套、跟管钻头、中心孔排渣钻头如反循环潜孔钻头以及取心钻头等。也都同样适用矢量布齿法。本发明所称的牙轮钻头泛指以牙轮碾压破岩的钻头，包括单牙轮钻头、三牙轮钻头和多牙轮组合钻头及其变形如牙轮滚轮组合钻头等。

图2和图17为本发明的实施例。

Claims (8)

1.一种柱齿，适用于制造用于取水、采矿、石油及天然气钻探与开采、地质钻探等钻井作业和各种土建施工的凿岩等用的钻头，如牙轮钻头、潜孔钻头等，其特征在于柱齿头部侧面设有由刃后面、刃前面与刃前辅面三个面两两相交形成阶梯形的切削刃口结构，并且刃前面的最宽处远离柱齿的冲击头。

2.根据权利要求1所规定的发明，其特征在于切削刃接近柱齿表面的几何母线或与柱齿表面的几何母线重合。

3.根据权利要求1所规定的发明，其特征在于切削刃口的刃后面是或包含有与柱齿头部相切相交的圆柱面或环面或球面。

4.一种钻头，包括牙轮钻头、潜孔钻头等，适用于取水、采矿、石油及天然气钻探与开采、地质钻探等钻井作业和各种土建施工的凿岩等，其特征在于它们所安装的柱齿在与工作时所钻孔孔壁或锥形孔底接触处设有切削刃，并且刃前面的最宽处远离柱齿的冲击头。

5.根据权利要求4所规定的发明，其特征在于其钻头是以旋冲方式工作的钻头，包括但不限于潜孔钻头和柱齿钎头。

6.根据权利要求4所规定的发明，其特征在于其钻头是以碾压方式工作的钻头，如牙轮钻头及其变形等。

7.一种潜孔钻头、柱齿钎头等，适用于取水、采矿、石油及天然气钻探与开采、地质钻探等钻井作业和各种土建施工的凿岩等，其特征在于它们所安装的柱齿是按照矢量布齿法布齿的。

8.根据权利要求7所规定的发明，其特征在于它的边齿是按照矢量布齿法布齿的。

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