CN105264163A - 冲击凿岩钻头 - Google Patents

Abstract

一种冲击凿岩钻头，其包括头部，该头部被设置在向后突出的裙部的一端上。该头部包括外领部，该外领部部分地限定出在所述头部的最前方区域中形成的向后突出的凹部。外周标准球齿被设置在所述领部处，以围绕在所述头部的凹部处形成的侧面面向球齿和前面面向球齿。所述钻头有效地提供稳定的切割，以使侧向偏移最小化。

Description

冲击凿岩钻头

技术领域

本发明涉及一种冲击凿岩钻头，并且特别地，但不唯一地，涉及一种形成有安装多个外周标准球齿和前球齿的切割头的钻头，这些球齿被构造用以经由导向锥作用来切割材料，以优化岩石的破碎和切割操作。

背景技术

冲击钻头在硬质岩石中钻较浅孔和产生深钻孔方面都有广泛的应用。在后一种应用中，典型地使用了钻柱，其中随着钻孔深度的增加，经由联接套筒将多个钻杆增加到钻柱。地面机器可操作用来将组合的冲击和旋转驱动运动传递到钻柱上端，同时位于下端的钻头可操作用来破碎岩石和形成钻孔。流体典型地流经钻柱并经由钻头头部的一些孔洞而在钻孔的底部处离开，从而将来自钻孔区域的钻屑冲刷走，以通过钻柱外侧周围的孔向后和向上搬运。通常对井眼的要求是尽量保持笔直，尤其是钻井涉及地下预定目标深度的地方。这通常涉及穿过许多不同类型的岩石地层的钻头。示例冲击钻头被公开在专利US3,388,756、US3,357,507、US2008/0087473和WO2009/067073中。

钻头通常包括一个安装有多个坚硬的切割镶嵌件的钻头头部，镶嵌件通常被称为球齿。这些球齿包括硬质合金基材料，从而提高钻头的使用寿命。特别地，专利WO2006/033606公开了一种凿岩钻头，其头部带有被周向地分布在钻头头部的外周界上多个外周标准球齿。标准球齿构造成接合待被破碎的材料并且决定钻孔的直径。钻头头部还安装有设置在钻头头部的下凹的前面的多个前球齿，用于接合在钻头正前方的轴向区域上的待被粉碎的材料。

然而，传统钻头容易受由于例如诸如裂纹、裂缝以及岩石结构和类型的突然变化的岩石结构的异常导致的偏斜和非均匀的孔产生的影响。因此，需要一种改进的解决这些问题的冲击钻头。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击凿岩钻头，其被构造成经由组合的冲击和旋转运动强力地破碎穿过地下地层材料，包括典型的岩石和矿物。特别地，其具体目的是提供一种钻头，其经由切割作用冲击穿越岩石中的断层和裂缝，在切割作用中，钻头经由在岩石中产生的形状轮廓在旋转期间自行稳定。

通过提供一种具有多个切割镶嵌件的钻头头部来实现，所述多个切割镶嵌件被整齐排列和定位在切割头的不同区域，以执行不同功能，并且特别地，当钻头头部被旋转和向前通过地层材料时，使钻头稳定。特别地，发明人确定的优势在于，提供的钻头头部具有外周标准球齿，这些标准球齿从钻头的中心纵向轴线向外倾斜，并轴向地定位于钻头头部的其它任何组件的最前端。此外，钻头头部，在一个面向前方的区域，包括一个向后突的腔体或凹部，在腔体中安装有前球齿(位于腔体中最低的区域)，侧球齿(位于周向腔体侧并处在标准球齿的径向内侧)。当钻头旋转和前进时，腔体中的前球齿和侧球齿在岩石中有效地产生“锥形”突出部。锥形的形态是由前球齿和侧球齿的相对尺寸和方位产生的。特别地，侧球齿径向向内朝向轴线倾斜，使得球齿的尖端(或前端切割刃)比嵌入在钻头头部中的球齿的基部更接近于轴线。此外，外周标准球齿有利地径向向外倾斜，使得其尖端(或前端切割刃)相比于嵌入在钻头头部中的基部在径向上距离轴线最远。

本发明的进一步优势在于，外周标准球齿在旋转期间有效地在岩石中形成环形凹槽，该环形凹槽包围导向锥。发明人确定在旋转和推进期间，该环形凹槽有效地进一步稳定钻头。这得以实现部分地是由于标准球齿的相对轴向定位处于侧球齿和前球齿的轴向最前。

根据本发明的第一方面，提供一种冲击凿岩钻头，包括：头部，该头部被联接到向后突出的裙部，纵向轴线延伸穿过头部和裙部；该头部具有前面和外领部，该外领部凸起并在轴向上在前面的前方突出，该领部具有内倾斜表面，该内倾斜表面相对于轴线倾斜并且在径向上朝向内侧，使得前面和倾斜表面在钻头的向前区域中限定出一个向后突出的腔体；多个标准球齿，该多个标准球齿被分布在领部上并在头部上被安装成从轴线径向向外倾斜；多个前球齿，该多个前球齿被分布在前面上；其特征在于：多个侧球齿，该多个侧球齿被分布在领部的内倾斜表面上，其中，每个标准球齿的至少一部分定位于每个侧球齿的轴向最前。

优选地，每个侧球齿在头部被安装成径向朝内倾斜朝向轴线。

说明书中关于“球齿”的参考包含镶嵌件，其尤其适于与包括钻头头部的钻头主体(通常是钢)相比更加坚硬。切割镶嵌件可以典型地包括诸如例如硬质合金或碳化钨的碳化物基材料。

可选地，标准球齿的直径或宽度大于侧球齿的直径或宽度。可选地，标准球齿的直径或宽度大于前球齿的直径或宽度。

可选地，标准球齿相对轴线径向朝外倾斜，其倾斜角度的范围是30至50°、30至45°、35至45°。可选地，侧球齿相对轴线径向朝内倾斜，倾斜角度的范围是30至50°、30至45°、35至45°。优选地，标准球齿以大体上40°的角度相对轴线径向上朝外倾斜，侧球齿以大体上40°的角度径向朝着轴线倾斜。

优选地，领部包括一个外周表面，其围绕内倾斜表面延伸并且被定向成相对于轴线倾斜而径向向外朝向，标准球齿从标准表面突出。

优选地，钻头进一步包括轴向突出的通道，其从钻头头部的外周区域并沿着裙部的长度延伸。可选地，钻头头部进一步包括在外周领部中形成的径向延伸的凹槽。优选地，钻头进一步包括被设置在轴向后端处的环形凸缘，该凸缘包括具有切割区域的多个朝后面向齿，用以当钻头为了从钻孔中抽出而转动时提供切割作用。

优选地，钻头进一步包括至少一个流体供应导管，该流体供应导管形成于钻头内部并且从切割头并且特别是从前面轴向向后延伸。优选地，钻头进一步包括轴向内孔，该轴向内孔在钻头的主体内部纵向延伸，以将钻头安装在地面机器的轴上，以施加冲击和旋转运动。

优选地，标准球齿、前球齿和/或侧球齿包含下列项中任意一个或者组合：穹顶形结构；圆化形结构；锥形结构；弹道形结构；半球形结构；平端结构。优选地，这些球齿(可选为车削的硬化镶嵌件)经由本领域技术人员所知的常规制造方法镶嵌在切割头中。

可选地，钻头包括八个标准球齿。可选地，钻头包括六个侧球齿。可选地，钻头包括四个前球齿。

优选地，领部包括至少一个在端部外周表面与前面之间轴向延伸的凹槽。可选地，领部包括至少一个从端部外周表面轴向朝向前面延伸的通道。

附图说明

现在将参照所附的附图，仅通过举例方式描述本发明的具体实施：

图1是根据本发明的具体实施的具有裙部和安装多个切割镶嵌件(球齿)的钻头头部的冲击凿岩钻头的上侧透视图，；

图2是图1的钻头的下侧透视图；

图3是图2的钻头的头部区域的平面图；

图4是图2的钻头的外侧立面图；

图5是图4的A-A的剖面侧视图；

图6是安装在图5的钻头头部的镶嵌件的放大视图。

具体实施方式

参见图1至4，钻头100包括形成于大体上的伸长轴108的一端处的钻头头部101。轴108的相反端径向向外扩张形成有一个环形状凸缘109。轴108和凸缘109共同形成裙部102，当钻头100经由主钻头头部101推进穿过岩石或地层材料时，该裙部102表现为钻头100的尾端区域。多个轴向延伸的通道111下凹到裙部101的外表面中并且几乎在整个钻头100的轴向长度上延伸。通道111在头部区域101终止，以创造凹陷114，凹陷114由钻头头部101的径向最外侧的外周边缘120径向向内朝向中心纵向轴线119(延伸穿过钻头100)延伸。在周向上彼此间隔开的沟槽111限定出中间轴向延伸的脊部110，脊部110也被设置在钻头100的大体整个轴向长度上。

多个切割齿112被设置在裙部102上并且尤其是环形凸缘109的轴向后侧部分121处。切割齿112包括一个轴向向后面向的切割面200，切割面200被构造成便于钻头100向后收缩穿过由推进钻头头部101创造的井眼。切割齿112被形成在每个脊部110的端部区域。

头部101相对于轴108径向向外展开，并且包括一个近似等于凸缘109的直径的最大直径，以形成一个由附图标记107表示的凸起的外领部。领部107形成了腔体103的周界，该腔体103从领部107的最前方环形边缘122轴向向后突出。腔体103被部分地由从轴线119径向朝外倾斜的倾斜侧表面105所限定。倾斜的侧表面105被环形边缘122在上端处终止，并被前表面106在下端处终止。前表面106被对齐成基本上垂直于轴线119，并且包括大体的圆形的结构。

领部107部分地进一步被外周表面104限定，该外周表面104周向和径向朝外延伸到边缘122以外。外周表面104被径向最外侧的棱边120终止。表面104从轴线119径向朝外倾斜，以便大体向外面向，同时腔体的侧表面105被定向成大体向内面对轴线119。钻头头部的尾端表面123在外周表面104轴向向后延伸，并且也被定向成横向于轴线119，以便朝着轴108的直径减小领部107的直径。根据钻头头部101的轮廓和结构，并且特别是外周凸起的领部107，腔体区域103包含大体上的碗状或碟状结构，在该结构中，碗的侧面由倾斜表面105限定并且碗的底部由前表面106限定。一对在直径方向相对的凹槽113形成于领部107中，凹槽113由轴向方向最前的边缘122延伸至与前面106对齐的轴向深度。每个凹槽113包括一个大体的V形结构，在该结构中，凹槽在其下侧区域(与前面106对应)的宽度小于上侧区域(与边缘122对应)的对应宽度。一些通道111终止于头部101，以形成凹陷114，凹陷114轴向下凹并且在径向上从边缘122延伸穿过领部107的最前区域。凹陷114和凹槽113允许碎屑材料由腔体103径向向外穿过到达钻头100的外侧区域。此外，一些通道111终止于钻头头部101，以在领部107的径向方向最外侧区域120中形成缺口124，其中这些缺口124没有径向延伸穿过领部的壁而出现在腔体103处。

钻头头部101包括三种硬质切割镶嵌件(这里为球齿)。第一组球齿115被设置在外周表面104处，并被构成为标准球齿，用以决定和保持钻孔形成的预定直径。标准球齿115径向向外倾斜，以便大体倾斜并且与外周表面104一样从轴线119向外面向。标准球齿115被嵌入并被分布周向围绕在领部107的周界区域，以向边缘122的轴向向前突出并且一起代表钻头100的轴向最前端的切割刃。第二组球齿117镶嵌在腔体103底部区域的前表面106上。球齿117与轴线119大体对齐。第三组球齿116镶嵌在向内面向的倾斜表面105处的领部侧壁上。球齿116位于径向外侧的外周标准球齿115与径向内侧的前球齿117之间的径向中间区域。侧球齿116被安装在领部的壁区域上，以径向向内朝向轴线119倾斜，具有与标准球齿115的倾斜角度相反的倾斜角度。侧球齿116在倾斜表面105的不同轴向高度上安装，使得：至少一个球齿被安装在轴向较低的位置(接近于前表面106)；至少一个球齿116被定位在轴向较高的位置(接近于外周边缘122)；以及至少一个球齿116定位在上述两个较高球齿116与较低球齿116的轴向之间。因此，球齿116在表面105上的相对位置保证了在边缘122与前面106之间的倾斜表面105的整个轴向长度上形成了连续的切割刃。此外，参见附图3，每个标准球齿115包括径向向外延伸到领部107的最外侧棱边120以外的区域300。

参见附图5和附图6，三种切割球齿115、116、117中的每个球齿包含被设置在大体伸长的主体的一端处的基本穹顶状切割表面。每个球齿115、116、117的主体被嵌入在钻头头部101中，使得只有穹顶状的表面突出，作为半球形的切割面。外侧标准球齿115包括穹顶状的端部，该端部直径大于侧球齿116和前球齿117的端部的直径。侧球齿116和前球齿117所包含的穹顶状部分直径大致相等。标准球齿115的伸长主体相对于轴线119径向向外倾斜，如附图标记502所示。其倾斜角度α通常在30至45°之间，并且大体上为40°。因此，穹顶头部表面115从轴线119大体径向向外突出。此外，侧球齿116的每个伸长主体被安装在头部101处，以朝向轴线119倾斜，大体向内面向。侧球齿116的倾斜角度β使用附图标记503表示，并且相对于轴线119通常在30至45°之间，大体上为40°。如附图5所示，前球齿117包括大体对齐平行于轴线119的主体，如参考标记504所指示。

钻头100包括一个伸长的中心孔200，中心孔200从轴向向后区域121向头部101延伸。孔200的开口501径向向外延伸并且与孔200的相对应的最内部区域500也径向向外延伸，以与被联接到地面机器的驱动工具接合和配合，，以向钻头100施加类似锤击的撞击力和旋转运动。多个流体导管118从孔200延伸到前表面106，以提供流体流动路径。因此，可以向钻头100提供流体，流动经过孔200和导管118直到腔体区域103。这样切割碎屑能够经由凹槽113和凹陷114从钻头头部101被冲刷走，以被向后携带穿过通道111。

参见附图6，每个标准球齿115包含一个穹顶状切割表面的区域500，区域500在轴向上位于每个侧球齿116的穹顶状切割表面的相应区域501的前方。因此，标准球齿115的轴向最前端区域500在轴向上位于侧球齿116的轴向最前端区域501之前，其间距为d。根据具体的实施方式，间距d大体为0.3-1.5mm，并且特别是0.5mm或0.7mm。

在使用时，钻头100被构造成围绕轴线119旋转。因为标准球齿115位于轴向的最前端和径向的最外端，所以这些切割组件115提供了穿过岩石时的主要切割动作。特别地，标准球齿115的径向向外的倾斜方向使切割头部101在与钻头100最前端区域处的岩石中产生环形的凹槽。这种实时形成的凹槽能够在掘进时有效地稳定钻头100并防止钻头从轴线119出现侧向偏移。此外，侧球齿116和前球齿117(安装在腔体103中)的相关方向和结构在钻头100掘进时能够在岩石中有效产生“导向锥”。导向锥从边缘122向后突出进入腔体103，并且被由标准球齿115实时形成的凹槽围绕。导向锥的形成被向内面对朝向轴线119的侧球齿116的倾斜角度优化。标准球齿115在轴向上相对于侧球齿116的相对位置保证了前方的凹槽能够环绕着导向锥在周向上持续形成，以提供将钻头100锚定在钻孔中的组合方式。以上三种镶嵌部件115、116、117的结构使钻头100能够有效地强力破坏穿过岩石中的断层和裂缝。

本发明不限于上述实施例。可以使用不同的替换、修改和等同物。因此，上述实施例不应被认为限制本发明的范围，本发明的范围由本专利权利要求书所限定。

Claims (14)

1.一种冲击凿岩钻头(100)，包括：

头部(101)，所述头部(101)被联接到向后突出的裙部(102)，纵向轴线(119)延伸穿过所述头部(101)和所述裙部(102)；

所述头部(101)具有前面(106)以及外领部(107)，所述外领部(107)在所述前面(106)的轴向前方凸起并突出，所述领部(107)具有内倾斜表面(105)，所述内倾斜表面(105)相对于所述轴线(119)倾斜并且径向向内面向，使得所述前面(106)和所述倾斜表面(105)在所述钻头(100)的向前区域中限定出向后突出的腔体(103)；

多个标准球齿(115)，所述多个标准球齿(115)被分布在所述领部(107)上并且在所述头部(101)处被安装成从所述轴线(119)径向朝外倾斜；

多个前球齿(117)，所述多个前球齿(117)被分布在所述前面(106)上；

其特征在于：

多个侧球齿(116)，所述多个侧球齿被分布在所述领部(107)的所述内倾斜表面(105)上，其中，每个标准球齿(115)的至少一部分定位于每个侧球齿(116)的轴向最前。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中，每个侧球齿(116)在所述头部(101)处被安装成径向向内朝向所述轴线(119)倾斜。

3.根据权利要求1或2所述的钻头，其中，所述标准球齿(115)的直径或宽度大于所述侧球齿(116)的直径或宽度。

4.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述标准球齿(115)的直径或宽度大于所述前球齿(117)的直径或宽度。

5.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述标准球齿(115)以30°至45°范围中的角度从所述轴线(119)径向向外倾斜。

6.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述侧球齿(116)以30°至45°范围中的角度径向朝向所述轴线(119)倾斜。

7.根据权利要求5或6所述的钻头，其中，所述标准球齿(115)和所述侧球齿(116)以大体40°的角度倾斜。

8.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述领部(107)包括外周表面(104)，所述外周表面(104)围绕所述内倾斜表面(105)延伸并且被定向成相对于所述轴线(119)倾斜成径向向外面向，所述标准球齿(115)从所述外周表面(104)突出。

9.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述标准球齿(115)、前球齿(117)和/或侧球齿(116)包括以下项中的任意一项或组合：

·穹顶形结构

·圆化形结构

·锥形结构

·弹道形结构

·半球形结构

·平端结构。

10.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，包括8个标准球齿(115)。

11.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，包括6个侧球齿(116)。

12.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，包括4个前球齿(117)。

13.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述领部(107)包括至少一个凹槽(113)，所述至少一个凹槽(113)在端部外周表面(104)和所述前面(106)之间轴向延伸。

14.根据任意一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述领部(107)包括至少一个通道(114)，所述至少一个通道(114)从端部外周表面(104)轴向朝向所述前面(106)延伸。