CN105829633A - 具有优化的保径球齿的冲击岩石钻头 - Google Patents

Abstract

一种冲击岩石钻头(100)，具有多个周边保径球齿(115)，所述保径球齿在钻头头部(101)处绕着轴向最前部的轴环周向地分布。保径球齿成对分组，使得邻近的保径球齿的中心轴线(121)基本相互平行地对准并且不对中在钻头的纵向轴线(119)上。扩大的冲洗槽(113)设置在环形的所述轴环上，以提供分段的轴环结构，该结构被优化，以将切削下来的材料从钻头向后冲洗。

Description

具有优化的保径球齿的冲击岩石钻头

技术领域

本发明涉及一种冲击岩石钻头，且具体地(但是不排他地)涉及一种形成有切削头部的钻头，所述切削头部安装多个周边保径球齿，其中邻近的保径球齿包括平行的中心轴线，从而优化用来进行钻孔并且将破碎的材料从钻头头部向后冲洗出来的切削头部的结构。

背景技术

冲击钻头广泛地用来在硬的岩石中钻出相对较浅的孔，并且用来形成深的钻孔。就第二种应用而言，典型地使用钻柱，其中当孔的深度增加时，多个钻杆通过联接套管被添加到该钻柱中。可操纵陆用机器来把组合的冲击和旋转驱动运动传递到钻柱的上端，同时设置在下端处的钻头可操纵用来使岩石破碎并且形成钻孔。在钻孔的基部处，流体典型地经由钻头头部中的孔通过钻柱被冲走并且离开，以冲洗来自钻孔区域的钻屑，将其向后并向上绕钻柱的外侧输送通过孔。在US3,388,756、GB692,373、RU2019674、US2002/0153174、US3,357,507、US2008/0087473和WO2009/067073中公开了示例性冲击钻头。

钻头通常包括钻头头部，该头部安装多个硬的切削刀片(cuttinginsert)，通常称为球齿。这些球齿包括碳化物的材料，从而提高钻头的使用寿命。具体地，WO2006/033606公开了一种岩石钻头，其具有多个沿着周向分布在钻头头部的外周界上的周边保径球齿。保径球齿被构造用以接合要被破碎的材料并且确定钻孔的直径。该头部还安装多个前部球齿，这些球齿设置在钻头头部的凹入的前面处，用于接合紧挨地处于钻头前部的轴向区域的要被破碎的材料。

WO2008/066445、US3,955,635和WO2012/174607也公开了一种钻头，其具有多个沿着周向分布在头部的外周界上的周边保径球齿，且多个前部球齿分布在前面上。

通常，多个冲洗通道或者槽凹入到钻头头部中，以允许从钻头通过冲洗流体向后冲洗破碎的材料。但是，传统的钻头头部的缺点在于，在不用钻头头部进一步破碎的情况下，从矿层切削下来的较大块的材料不能通过冲洗槽。这降低了切削头进行破碎和进一步穿过岩石或者矿层面的效率。因此，需要的是一种改进型冲击钻头，该钻头被优化，以允许相对较大块的切削材料从钻头头部向后通过，同时使切削动作最大。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击岩石钻头，它被构造成通过组合的冲击和旋转运动猛烈地击碎和破碎地下材料，该地下材料具体包括岩石和矿石。另一个具体目的是提供一种钻头，该钻头包括多个布置在钻头头部的切削刀片(或者球齿)，以在材料被切削时优化切削作用并且使材料的破碎最大化，从而有利于从钻头头部向后冲洗材料。另一个具体目的是构造该钻头，以在不损害切削性能的情况下，能够提高沿着向后方向从钻头头部进行冲洗的速度。

通过特定排列和分布位于钻头头部的轴向最前部及周边区域处的切削球齿来实现这些目的，这些切削球齿典型地称为保径球齿。具体地，本发明的保径球齿成组、尤其成对地绕钻头头部周向地布置，并且在头部的最前部周界区域处对准，使得每对球齿中的每一个球齿的中心轴线相互平行地对准。即，本发明的保径球齿的中心轴线不对中在钻头的中央纵向轴线上，而是在纵向轴线的任一侧延伸。这有利于允许保径球齿对设置成相互更加靠近，继而在头部为相对于传统钻头较大的冲洗槽创造空间。因此，不需要进一步破碎起初已经破碎的材料，因为较大块的破碎材料容易被冲洗通过扩大的冲洗槽。本发明的钻头因此针对轴向向前前进被优化。

把周边保径球齿成对分组或者成三元或者四元分组的另一个优点是，有利于把一个或者更多个“前部”球齿紧挨地设置在保径球齿对的径向内侧。相应地，该至少一个前部球齿和紧密设置的保径球齿对能够作为一组球齿起作用，从而通过协作的破碎作用进行优化，以产生相对较小的材料碎片，而避免由于低效而不期望的重新破碎或者研磨。

根据本发明第一方面，提供了一种冲击岩石钻头，包括：头部，该头部被联接到向后突出的裙座，纵向轴线延伸通过头部和裙座；该头部具有由外轴环包围的前面；轴环被多个槽被分成多个周向隔开的轴环段，所述槽从头部径向向内且轴向延伸，所述轴环段从前面轴向向前升高并且突出，且每个轴环段均具有径向外周边表面，该外周边表面相对于所述轴线倾斜成径向面向外；多个保径球齿，所述保径球齿绕着轴环被隔开并且从每个轴环段的周边表面突出，以从所述轴线径向向外倾斜；保径球齿成对地布置在每个轴环段处，且每对保径球齿中的每个球齿并排设置并且包括相应的中心轴线，这些中心轴线相互平行或者近似平行，使得保径球齿的中心轴线不对中在纵向轴线上；其特征在于，多个径向最外部前部球齿，至少一个前部球齿径向向内且周向紧挨地设置在每个相应的保径球齿对中的两个保径球齿之间，以形成相应的球齿簇。

本发明说明书内参考“多个轴环段”包括一个环形轴环在周向上绕钻头的中心纵向轴线的多个不连续段。具体地，对轴环的参考应被认为是对集合的多个轴环段的参考。轴环段的一些部分或者区域可以是连续的，使得至少一部分轴环连续地延伸通过360度。可替代地，轴环绕着轴线在周向上完全断开，使得轴环包括多个沿着周向绕着轴环进行交替的槽和轴环段。

优选地，每对球齿中的两个球齿之间的隔开距离小于绕轴环在周向方向上定位在邻近的轴环段处的邻近的保径球齿对之间的隔开距离。这有利于使球齿对中的邻近球齿之间的隔开距离最小化，以在钻头头部处为相对扩大的冲洗槽创造空间，所述冲洗槽沿着周向设置在保径球齿对中的每个球齿中间。冲洗槽包括优化的径向深度和周向长度，从而当钻头轴向前进时，有利于冲洗从岩石或者矿石中切削下来的较大块的材料。

优选地，这些中心轴线在相应的平行平面中对准并且平行地设置，并且设置到纵向轴线的平面的一侧。这有利于允许前部球齿紧紧靠近相应的保径球齿对设置，以形成密排的球齿组，当钻头头部旋转时，所述球齿组能够协作地进行破碎。

优选地，每个轴环段包括至少一个内倾斜表面，该内倾斜表面相对于轴线倾斜并且径向面向内，使得前面和每个倾斜表面在钻头的向前区域内限定出向后突出的空腔，且钻头还包括多个前部球齿，所述前部球齿分布在前面上和/或倾斜表面内侧。

优选地，这些槽绕着轴环分布并且被间隔开，每个槽从周边表面径向向内延伸，并且从头部轴向且沿着至少一部分裙座延伸，以将轴环分成多个轴环段。这种结构非常有利于从切削头部轴向向后传递冲洗的材料。优选地，每个槽在垂直于纵向轴线地对准的平面中具有V形轮廓。每个槽的径向最外部因此宽于径向最内部，从而有利于冲洗碎片材料。根据优选实施例，每个槽的径向长度不小于或者大于中心轴线和周边表面的径向最外部之间的径向距离的一半。这有利于从钻头头部排出碎片物质并且避免切削下来的碎片材料聚集在凹入的空腔中，碎片材料的聚集可能会防止钻头的轴向前进。

优选地，每个槽在周向上在相应的侧壁之间的最大长度落入每个轴环段在周向上在所述侧壁之间的最大长度的50-75％的范围内，所述侧壁限定出每个槽和每个段。更加优选地，这个范围为60-70％并且可以约为65％。

优选地，每个轴环段包括通道，该通道从每个相应的轴环段轴向向后并且沿着至少一部分裙座延伸，从而至少部分地周向分隔开每个轴环段，其中在一个轴环段内的每个相应的通道的任一侧设置有至少一个保径球齿。所述槽和径向较短的通道的组合有利于方便碎片冲洗并且优化“成组”保径球齿和前部球齿的破碎效率。具体地，破碎的材料通过设置在邻近的保径球齿之间的通道可以离开由周边轴环限定的凹入的空腔。因此，迫使较大块的破碎材料通过较大的槽，并且这个组合作用提供了一种钻头，所述钻头针对被钻头接触的材料的破碎和冲洗被优化。

优选地，前部球齿中的一个球齿径向定位在并排的邻近保径球齿的内侧并且在该通道径向内侧的区域处设置在每个邻近的保径球齿之间，从而限定出球齿组，使得该球齿组中的每个球齿之间的隔开距离大体相等。

任选地，球齿组中的每个球齿的直径大体相等。这有利于优化保径球齿和前部球齿的协作破碎并且有利于允许破碎的材料理想地流动，以经由通道和槽离开钻头头部。

优选地，钻头还包括多个内前部球齿，所述内前部球齿径向设置在被包括在每个球齿组内的前部球齿内侧，且内前部球齿的直径小于每个球齿组中的前部球齿的直径。

优选地，每个通道的径向深度小于每个槽的径向深度。优选地，通道任一侧的每一半相应轴环段内的周边表面形成角度，以朝着通道向内倾斜。

附图说明

现在仅通过实例并且参照附图来描述本发明的具体实施例，在附图中：

图1是根据本发明具体实施例的冲击岩石钻头的上部透视图，该冲击岩石钻头具有裙座和安装多个切削刀片(球齿)的钻头头部；

图2是图1的钻头的下部透视图；

图3是图2的钻头的头部区域的平面视图；

图4是图2的钻头的外侧立面视图；

图5是通过图4的钻头中心所截取的横截面侧视图。

具体实施方式

参见图1至5，钻头100包括钻头头部101，该头部101形成在大体伸长的轴108的一端上。轴108的相反端径向地向外张开，以提供环形凸缘109。轴108和凸缘109共同限定裙座102，该裙座102表示当钻头100经由引导钻头头部101前进通过岩石或者地下材料时钻头100的尾部区域。多个轴向延伸的裙座通道114凹入到裙座102的外表面中，并且几乎在钻头100的整个轴向长度上延伸。裙座通道114延伸到头部区域101中，以产生凹陷部或者短头部通道111，这些凹陷部或者短头部通道111从头部101的径向最外周边边缘120径向向内地朝(延伸通过钻头100的)中心纵向轴线119延伸。周向隔开的头部通道111限定出中间的、轴向延伸的隆起部110，这些隆起部也在钻头100的大体整个轴向长度上延伸。

多个切削齿112设置在裙座102的轴向向后的区域处，并且尤其设置在环形凸缘109中。齿112包括轴向面向后的切削面125，该切削面被构造用以有利于向后抽出钻头100通过钻孔，该钻孔由前进的头部101来形成。齿112形成在每个隆起部110的端部区域。

头部101相对于轴108径向向外张开，并且具有与凸缘109的外径几乎相等的外径，从而形成向外凸起的轴环，该轴环整体上用标号107来表示。轴环107形成了空腔103的周界，其从轴环107的最前方的环形边沿122轴向向后凸出。空腔103还部分地由多个倾斜侧表面105限定，该倾斜侧表面105与轴线119向上形成角度。倾斜侧表面105被断开的环形边沿122终止于各自最前面的端部处并且被面向前的表面106终止于各自向后的端部处。前表面106大体垂直于轴线119地设置并且整体上是平坦的。

由周边表面104进一步部分地限定出轴环107，该周边表面104周向且径向向外延伸超过边沿122。由径向最外部的边缘120来限定出周边表面104，并且该周边表面104与轴线119径向向下形成角度，从而径向面向外，同时空腔侧表面105被定向成大体上向内面向轴线119。头部的尾部表面123从周边表面104的后部轴向延伸，并且也定向成横向于轴向119，从而使轴环107的直径向着轴108的直径减小。根据头部101(并且尤其是周边凸出的轴环107)的形状轮廓和构造，空腔区域103包括大体上呈碗形或者盘形的构造，在该构造中，碗的侧部由倾斜表面105限定，而碗的基部由前表面106限定。两对直径方向相对的槽113形成在轴环107内，每个槽113轴向向下延伸到最前面的边沿122并且从周边外边缘120径向向内延伸，从而断开或者中断轴环107，该轴环107绕轴线119沿着周向是不连续的，使得轴环107由多个周向延伸的短区段形成。每个槽113包括大体上呈V形的结构，在该结构中，槽在其径向最内部的区域(对应于前面106)处的宽度小于在径向外区域处(对应于边沿122)的相应宽度。每个槽113从头部101轴向向后延伸，从而产生了伸长的裙座凹槽124，该凹槽凹入到轴108中并且在齿112处终止于钻头100的轴向后端处。槽113、124和通道111、114允许碎片材料从空腔103径向向外通过并且随后轴向向后通过头部101。

钻头头部101包括三种硬化的切削刀片(cuttinginsert)(在这里称为球齿(button))。第一组球齿115设置在周边表面104上并且被构造为保径球齿，用以确定和保持钻孔形成的预定直径。保径球齿115径向向外倾斜，从而大体上是倾斜的并且与周边表面104相一致从轴线119面向外。保径球齿115被嵌入到轴环107的周边区域(轴环段)内并且绕着其周向分布，从而从边沿122轴向向前凸出并且共同表示钻头100的轴向最前方的切削刃。此外，每个保径球齿115包括径向向外延伸超过轴环107的最外边缘120的区域，以便限定钻头100的径向外切削刃。第二组球齿117在空腔103的径向内部区域处嵌入到面向前的表面106内。内前部球齿117大体上与轴线119相对准。第三组球齿116设置在前表面106的径向外区域处，刚好在轴环107内侧。外前部球齿116也大体上与轴线119相对准。径向外前部球齿116相对于径向内前部球齿117被扩大并且其直径大体等于保径球齿115的直径。

多个冲洗孔118从前面106轴向向后延伸并且联接到内部流体输送导管，从而允许冲洗流体在头部101处进行分配并且从空腔13通过槽113和通道111径向向外排出破碎的材料。然后，从头部101并沿轴向槽和通道124、114轴向地向后冲洗出破碎的材料和粉末。根据具体实施例，头部101包括两个径向相对的冲洗孔118，每个冲洗孔定位在两个相应槽113的径向最内部的区域处。这四个头部槽113围绕轴线119周向隔开，从而把轴环107分成四个轴环段。每个轴环段至少部分地在其径向最外部区域处被一个相应的通道111分开。每个轴环段包括一对保径球齿115，且每一对球齿115在周向上被通道111分开。因此，每一对保径球齿115在周向上通过每个相应的槽113与邻近的一对保径球齿115分开。每个槽113和每个轴环段由槽侧壁126限定，这些槽侧壁126从头部最外部的边缘120朝轴线119径向向内延伸。

每个保径球齿115大体上为弹头形状并且嵌入在头部101中，使得最前面的圆化端部从轴环段突出。每个保径球齿115还包括相对于轴线119倾斜或者偏转离开的中心轴线。具体地，保径球齿115对中的每一个包括中心轴线121，这些中心轴线相互平行地对准。该一对邻近的球齿115的这些轴线因此不对中在纵向轴线119处而是在轴线119的任一侧延伸。

参见图2，钻头100包括内部轴向延伸的孔200，该孔200形成在轴108内并且通过一个或者多个导管(未示出)在内部终止于头部101内，该一个或者多个导管作为冲洗孔118在前表面106处露出。因此，冲洗流体可以经由孔200被引导通过钻头100。

参见图3-5，钻头100包括四对保径球齿115，其中每对保径球齿设置在四个相应的轴环段上，这些轴环段通过径向突出的槽113而周向相互分开。因此，每个轴环段可以认为形成一个径向延伸的臂，其中一对保径球齿115代表了该臂的径向最外部和轴向最前部的区域。如在图3中所示，按照V形轮廓(在垂直于轴线119的平面内)，每个槽113从周边边缘120朝向中心轴线119径向向内地延伸。每个槽113的径向深度C被定义为在周边边缘120和槽113的径向最内部端部300之间的径向距离，该槽113的径向最内部端部终止于前表面106并且邻近轴线119。根据具体实施例，径向距离C大于在轴线119和环形边沿122之间的径向距离的一半，该环形边沿代表了周向表面104的径向最内部的区域。具体地，并且根据具体实施例，径向长度C大约为轴线119和边沿122之间的径向距离的65-75％。

每个槽113在周向上的宽度用标号G来表示，该G表示在一对槽侧壁126之间在周向上的最大分开距离。每个轴环段周向的长度总体上用附图标记S来表示，S表示位于邻近的槽113的相应侧壁126之间的、横跨轴环段(和保径球齿115)的距离。根据具体实施例，长度G是长度S的60-70％。如所示的那样，每个槽113的相对较大的周向长度G和径向长度C有利于方便冲洗较大的材料碎片，这优化了钻头轴向向前前进的钻进性能，而不需要像在传统钻头中常见的那样在冲洗之前二次粉碎较大的碎片。

图3示出了每一对保径球齿115与相应的径向最外部前部球齿116的布置，以形成三元(triad)布置。如所示的那样，保径球齿115的中心轴线平行对准允许前部球齿116周向紧密地设置在每一对保径球齿115的中间，从而形成了密排的球齿簇(两个保径球齿和一个前部球齿)，以在钻头轴向向前前进时优化破碎效率。此外，在一对保径球齿115的轴向中心121之间的隔开距离A大体等于(该一对中的)每个保径球齿115和相关的径向外前部球齿116之间的隔开距离B。如图4详细所示的那样，当从侧面观察时，保径球齿115的轴向中心121和前部球齿116之间的横向隔开距离B是距离A的一半，使得前部球齿116设置在一对保径球齿115之间的中点处。

还是参见图3，并且根据具体实施例，每个通道111从周边边缘120到径向最内部端部301的径向深度近似等于或者稍稍大于在周边边缘120和环形边沿122之间所限定出的周边表面104的径向长度。此外，每个槽113的径向最内部端部300径向设置在前部球齿116内侧并且设置在每个冲洗孔118相对于轴线119的近似径向位置上。

根据具体实施例，这多对保径球齿115围绕轴环107周向地布置，使得第一组两对保径球齿115设置成直径方向相对，且第二组两对保径球齿115设置成直径方向相对。因此，第一组的四个保径球齿115的中心轴线121在两个共同平面上对准，且类似地，第二组的四个保径球齿115的中心轴线121在两个共同平面上对准，且这四个平面中的每一个平面延伸到轴线119的一侧。

Claims (15)

1.一种冲击岩石钻头(100)，包括：

头部(101)，所述头部被联接到向后突出的裙座(102)，纵向轴线(119)延伸通过所述头部(101)和所述裙座(102)；

所述头部(101)具有由外轴环(107)包围的前面(106)；

所述轴环(107)被多个槽(113)分成多个周向隔开的轴环段，所述槽从所述头部(101)径向向内且轴向延伸，所述轴环段从所述前面(106)轴向向前升高并且突出，每个所述轴环段均具有径向外周边表面(104)，所述外周边表面相对于所述轴线(119)倾斜成径向面向外；

多个保径球齿(115)，所述保径球齿(115)绕着所述轴环(107)被隔开并且从每个轴环段的周边表面(104)突出，以从所述轴线(119)径向向外倾斜；

所述保径球齿(115)成对地布置在每个轴环段处，且每对保径球齿中的每个球齿并排设置并且包括相应的中心轴线(121)，所述中心轴线相互平行或者近似平行，使得所述保径球齿(115)的中心轴线(121)不对中在所述纵向轴线(119)上；

其特征在于：

多个径向最外部前部球齿(116)，至少一个所述前部球齿(116)径向向内且周向紧挨地设置在每对相应的保径球齿中的两个保径球齿(115)之间，以形成相应的球齿簇。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，每对球齿(115)中的两个球齿(115)之间的隔开距离小于绕所述轴环(107)在周向方向上定位于邻近的轴环段中的邻近的保径球齿(115)对之间的隔开距离。

3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于，所述中心轴线(121)在相应的平行平面中对准并且平行地设置，并且被设置到所述纵向轴线(119)的平面的一侧。

4.根据权利要求3所述的钻头，其特征在于，每个轴环段包括至少一个内倾斜表面(105)，所述内倾斜表面相对于所述轴线(119)倾斜并且径向面向内，使得所述前面(106)和每个倾斜表面(105)在所述钻头(100)的向前区域内限定出向后突出的空腔(103)，且所述钻头(100)还包括多个前部球齿(117、116)，所述前部球齿分布在所述前面(106)上和/或分布在所述倾斜表面(105)内侧。

5.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其中包括在每个球齿簇内的所述前部球齿(116)的直径等于或者近似等于所述保径球齿(115)的直径。

6.根据权利要求5所述的钻头，其中每个槽(113)在垂直于所述纵向轴线(119)对准的平面中具有V形轮廓。

7.根据权利要求6所述的钻头，其中每个槽的径向长度(C)不小于所述中心轴线(119)和所述周边表面(104)的径向最外部之间的径向距离的一半。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的钻头，其中每个槽(113)在周向上处在相应的侧壁(126)之间的最大长度(G)落入每个轴环段在周向上处在所述侧壁(126)之间的最大长度(S)的50-75％的范围内，所述侧壁限定了每个槽(113)和每个段。

9.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，包括单个径向最外的前部球齿(116)，所述前部球齿径向向内且周向紧挨地定位在每对相应的球齿(115)中的两个球齿(115)之间，以形成相应的三元球齿簇。

10.根据权利要求5-9中任一项所述的钻头，其中每个轴环段包括通道(111)，所述通道从每个相应轴环段轴向向后并且沿着所述裙座(102)的至少一部分延伸，从而至少部分地在周向上分隔开每个轴环段，其中在轴环段内，在每个相应的通道(111)的任一侧定位有至少一个保径球齿(115)。

11.根据权利要求10所述的钻头，其中每个三元球齿簇中的每个球齿(115、116)之间的隔开距离(A、B)相等或者几乎相等。

12.根据权利要求11所述的钻头，其中每个三元球齿簇中的每个球齿(115、116)的直径相等或者几乎相等。

13.根据权利要求12所述的钻头，包括多个内前部球齿(117)，所述内前部球齿径向设置在被包括在每个三元球齿簇内的每个外前部球齿(116)内侧，且所述内前部球齿(117)的直径小于每个三元球齿簇中的所述外前部球齿(116)的直径。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的钻头，其中每个通道的径向深度小于每个槽的径向深度。

15.根据权利要求10-14中任一项所述的钻头，其中所述通道(111)任一侧的每一半相应的轴环段内的周边表面(104)形成角度，以朝着所述通道(111)向内倾斜。