CN106103879B - 具有多组的前切削刀片的冲击钻头 - Google Patents

Abstract

一种冲击岩石钻头包括设置有伸长柄部的头部。多个前切削刀片分布在所述头部的前表面处并且被分为多个组，每个组定位于距中心轴线不同的径向距离处。每个组包括相同数目的刀片，从而最大化钻头的钻孔速率和使用寿命。

Description

具有多组的前切削刀片的冲击钻头

技术领域

本发明涉及一种冲击岩石钻头，并且具体地，但是不是专门地，涉及一种形成有安装多个前切削刀片的切削头部的钻头，所述多个前切削刀片布置成组，每个组分布在切削头部的前表面处不同的径向位置处。

背景技术

冲击钻头广泛用于在坚硬岩石中钻出相对浅的钻孔以及产生深钻孔两者。对于后者的应用，钻柱典型地被使用，其中多个钻杆相互连接起来，以使钻头前进并且增加孔的深度。在“顶锤钻孔”中，地上(terrestrial)机器操作用以向钻柱的上端传递组合的冲击和旋转驱动运动，同时定位于下端处的钻头操作用以破碎岩石并且形成钻孔。在“井下”钻孔中，冲击不是通过钻柱的上端传递，而是通过与孔内的钻头直接连接的锤传递。

钻头典型地包括钻头头部，该钻头头部安装通常称为球齿(button)的多个坚硬切削刀片。这些球齿包括碳化物基材，用来加强钻头的寿命。常规地，钻头包括多个保径球齿，所述多个保径球齿周向地分布在被构造用以接合待破碎的材料并且确定钻孔的直径的头部的外周界。头部还安装被设置在头部的前表面处的多个前球齿，用于在钻孔的轴向最前的区域处接合待被破碎的材料。示例冲击钻头公开在US3,357,507、US3,388,756、US3,955,635；US2008/0087473、US2008/0078584、WO2012/17460、WO2006/033606、WO2009/067073；US7,527,110、US7,392,863、EP2,592,216；WO2012/038428和EP2,383,420中。

通常地，切削刀片按组分布在前表面上或者看起来随机地分布在不同的位置处而不是在公共的周向路径上。典型地，刀片的多重性从前表面的径向内侧区域到径向外侧区域逐步增加。为了使钻头在钻孔期间前进到岩石中，每个刀片必须在其周向路径上破碎岩石。在包括单个刀片的前表面的特殊区域处，需要一整圈360°旋转以使钻头轴向向前前进。因此，在那些具有更少相邻的刀片的钻头的区域处的刀片具有更高磨损率，并且也限制了钻头的穿透速率。因此，所需要的是解决这些问题的钻头。

发明内容

本发明的主要目的是提供冲击钻头，该冲击钻头构造成在钻孔期间最大化岩石中的穿透速率并且尽量久远地最大化钻头的使用寿命。

进一步具体的目的是提供被优化从而在距钻头的轴向中心变化的径向位置处一致地抵抗摩擦磨损的钻头的钻孔头部上的硬化的切削刀片的分布。进一步具体的目的是构造前球齿，经由它们在相对于钻头头部的钻头轴线与周界边缘的前表面处的组织与分布来最大化钻孔速率。

根据本发明的第一方面提供冲击岩石钻头，该冲击岩石钻头包括：头部，该头部设置在伸长柄部的一端，该头部具有由周界边缘限定的向前面对的前表面；多个前切削刀片，所述多个前切削刀片分布在前表面上，处在延伸穿过钻头的中心轴线与前表面的周界边缘之间不同的径向位置处；其中前切削刀片分成多个组，每个组包括相同数目的刀片并且定位于距轴线不同的径向距离处，并且每个相应的组的每个刀片定位于基本上相同的径向距离处，其特征在于：每个组的每个刀片周向地定位于相邻的径向外侧组和/或径向内侧组的一对刀片之间，使得相邻组的刀片的位置周向地错开(staggered)。

在本说明书内参见“切削刀片”，其包括替代和等同术语，例如具体适于包括比钻头的主体更大的硬度的切削球齿等。

在本说明书内参见“每个相应的组的每个刀片定位于基本上相同的径向距离处”，其包括每个组内的每个刀片的轴向中心定位于相同的周向路径上并且定位于距轴线相同的径向间隔距离处。该术语也包括每个相应的组内的至少一些刀片的轴向中心径向定位在相同组内的其它刀片外侧或内侧。这种变化包括组内的一个或多个刀片的轴向中心的定位从而相对于相同组内的其它刀片偏心(偏置)达到组内的刀片的直径(D)、半径、三分之一直径(D/3)或四分之一直径(D/4)。

在本说明书内参见“角度距离”，其包括在刀片之间的角度并且具体地在周向方向上的相邻刀片之间的角度。

因为许多理由，周向地错开相邻组的刀片的位置是有利的。第一，通过将一组刀片周向地定位于相邻的径向外侧组和/或径向内侧组的刀片之间，相邻组的刀片的直径可径向地重叠，从而提供更紧凑的设计。这样的布置也最大化了可嵌入在前表面的刀片的数目。此外，定位不同组的刀片从而周向地相对于彼此偏置，在钻孔底部提供了更高效并且更有效的切削作用。特别是，发现这种布置更有效于破碎岩石，因为在岩石中产生的切削沟槽重叠，这样的作用为碎裂或分裂岩石，从而在切削表面上径向向外推进。

可选地，每个组包括从三个至六个切削刀片。优选地，每个组包括四个刀片。这样的布置表示在最小化刀片的磨损和也最小化随着越多数目的刀片而自然增加的切削钻头的总重量之间优化的折衷。

优选地，每个组包括从二组至八组前切削刀片。可选地，钻头包括四组刀片。可选地，刀片的内侧组表示径向最内侧组的前球齿。可选地，钻头包括附加组的最内侧前球齿，该附加组包括少于径向外侧组内的刀片的数目(这些径向外侧组中的每一个组包括相同数目的根据本主题发明的切削刀片)的许多切削刀片。相对于径向外侧组具有更少数目的刀片的附加组的最内侧刀片可以有利于与更小直径的钻头头部一起使用。

可选地，每个组的刀片的直径在从轴线径向向外的方向上增加。可替换地，所有或者一些组内的刀片的直径可以是大致相等的。这种构造有益于最大化钻头的使用寿命，这考虑到不同组内的刀片的不同的角速度。也就是，径向外侧组可包括相对于内侧组更大直径的刀片，用来补偿在钻孔期间增加的角速度以便横跨全部组提供一致的刀片磨损速率。

可选地，前表面的中间区域轴向定位于周界边缘的前方。可选地，前表面是大致凸形的，使得前表面的中间区域轴向定位于周界边缘的前方。前表面可以是朝向柄部轴向向后倾斜的拱顶状的，使得前表面的径向最内侧部相对于头部的周界边缘轴向向前定位。根据进一步的实施例，头部的轴向向前区域可以为大致平面的或平坦的，或包括空腔，从而是大致凹形的，空腔具有从安装多个组的刀片的径向最内侧区域轴向向前突起的周界凸缘。在一些实施例中，头部的环形凸缘可包括一个或多个组的除保径球齿之外的前球齿。

有利地，头部和柄部整体地形成。这种布置有利于提供被构造成抵抗在冲击钻孔期间所传递的相当大转矩与轴向负载力的坚固耐用且可靠的钻头。此外，钻头头部与伸长轴一体形成为单件部件，从而优化钻头的强度，以提供不易于受到各个部件的独立运动影响的刚性钻头，否则的话，多部件钻头是不利的。

优选地，前表面形成为用于刀片的单个的且共同的支撑基底，使得所有的刀片嵌入在单个共同的表面上。这种布置有利于在前表面上均匀地分布负载力，从而最大化钻头的使用寿命并且最小化磨损。刀片经由前表面被直接嵌入钻头头部中，并且没有经由中间的和可拆卸的本体安装。这种布置有利于提供结构上坚固耐用的构造，使得刀片可以抵抗在使用期间遭遇的转矩和轴向力。

优选地，在每个相应的组内的相邻刀片之间的角度大致相等。也就是，在每个组内在围绕中心轴线的周向方向上相邻刀片之间的间隔距离大致相等。优选地，对于前表面处的所有的组，在相邻刀片(在每个组内)之间的角度大致相等。优选地，在从中心轴线径向向外的方向上的组之间，在每个组内的相邻刀片之间的在周向方向上的距离增加。如将被理解的是，在从轴线逐步向外的方向上的组内的刀片之间的周向分隔距离的增加是所有组内的相邻刀片之间的一致的角度间隔的结果。

可选地，至少两组的刀片的位置在径向上重叠。可选地，三组、四组、五组、六组或所有组的刀片的位置在径向上重叠。可选地，径向内侧、径向外侧和/或径向中间组包括径向重叠定位的刀片。这种构造优化了钻头头部的切削效率并且最大化了穿透速率，这是由于在岩石中的切削沟槽的分布的密度被加强，因为至少一些这样形成的沟槽径向上重叠。

可选地，钻头可包括第一内侧组，该第一内侧组相对于其它组径向定位于轴线最内侧处或者朝向轴线径向定位；以及第一中间组，该第一中间组径向定位于第一内侧组与定位于周界边缘处或朝向周界边缘定位的保径组(group)的切削刀片之间。可选地，钻头可进一步包括第二中间组，该第二中间组径向定位于第一中间组和保径组中间。可选地，钻头可进一步包括第二内侧组，该第二内侧组径向定位于第一内侧组和第一中间组中间。这种布置有利于最大化被构造有拱顶状或凸形的前表面的钻头的钻孔速率和使用寿命。如将被理解的是，许多不同组的刀片可根据钻头头部的尺寸、几何结构以及形状轮廓而变化，钻头头部的尺寸、几何结构以及形状轮廓具体包括平坦的和凹形的的前表面区域。

根据本发明的第二个方面提供冲击钻孔装置，该冲击钻孔装置包括在此所要求保护的钻头。

附图说明

现在将仅通过示例并且参考附图描述本发明的具体实施方案，其中：

图1是根据本发明的具体实施方案的钻头的外部透视图，该钻头包括在钻头的头部处分布并且布置成群或组的多个前切削刀片；

图2是图1的钻头的头部的进一步透视图；

图3是图2的头部的前表面的平面视图；

图4是图2的头部的侧立视图。

具体实施方式

参见图1至4，钻头100包括钻头头部101，该钻头头部101形成于通常的伸长轴102的一端处，使头部101和轴102两者都以纵向轴线108为中心。轴102包括花键109，该花键109用于在使用期间与围绕轴102的驱动工具(未示出)的对应花键接合。头部101包括轴向向前的区段111以及与轴102对接的轴向向后的裙部区段110。区段111包括比裙部110更大的直径并且部分地由环形的最外面的周界边缘106所限定。大致由附图标记105所指示的向前面对的前表面从边缘106轴向向前突出，使得当从侧面或者在横截面中观察时，区段111的向前面对的部分通常是凸形的并且包括拱顶形的轮廓。向前头部区段111经由与裙部110的轴向向前区域配合的短的纵向延伸的尾表面107而从边缘106向后渐缩。

前表面105可被认为被径向分段为在轴线108和周界边缘106之间延伸的多个环形区域。具体地是，表面105包括在其周界由边缘106限定的外周界区域200。区域200相对于轴线108被倒角成向后渐缩，以致相对于大致与轴线108垂直对准的径向最内的区域203倾斜。区域203轴向升高，以形成从第一中间区域202直立的平台204。区域202也大致与轴线108垂直对准。第一中间区域202由相对于轴线108被倒角成向后渐缩的第二中间区域201所围绕。第二中间区域201径向定位于第一中间区域202和周界区域200之间。从轴线108延伸的区域201的倾斜角度小于相对于轴线108延伸的周界区域200的对应的角度。因此，并且如图4所示，区域200至203共同限定了从周界边缘106轴向向前突出的大致凸形的前表面105。

头部101安装诸如由碳化物基材例如硬质合金或碳化钨形成的通过附图标记103和104大致所示的多个硬化的切削刀片。根据具体的实施方案，刀片103、104通常是拱顶形状的。然而，根据进一步具体的实施例，刀片103、104可以具有轴向向前的切削尖端，该切削尖端是根据常规切削刀片构造的圆化的、圆锥形、弹道形、半球形、平坦的或者尖角的。刀片103、104被嵌入头部区段111中，从而轴向竖立凸出于前表面105上。如将所理解到的是，保径(gauge)刀片103定位于周界边缘106处或者朝向周界边缘106定位，从而确定和维持在形成期间的预定的钻孔的直径。保径刀片103径向向外倾斜，从而是大致倾斜的并且与周界区域200一致的从轴线108面向外。

参见附图2和3，径向定位于保径刀片103内的刀片104被分为了多个组，每个组定位在距轴线108不同的径向距离处。此外，每个组的每个刀片104定位于距轴线108相同的径向间隔处，使得每个组的刀片104定位于围绕轴线108的公共的周向路径处。

根据具体的实施例，刀片104被划分为径向最内侧地定位于轴线108处或朝向轴线108定位的并且安装在内侧区域203内的第一内侧组205。第二内侧组206围绕第一组205并且被安装在区域202处。第一中间组207围绕第二内侧组206并且被安装在区域201处。第二中间组208(也安装在区域201处)径向定位于第一中间组207外侧并且径向定位于保径刀片103组内侧。有利地，为了最大化使用寿命以及为了最大化钻头100的穿透速率，每个组205至208包括相同数目的刀片104，根据本实施例是每组4个刀片。因此，在钻头100绕轴线108旋转期间，当钻头100在钻孔期间旋转通过90°时，每个组的每个刀片104被构造成共同地限定环形切削路径。这与常规布置不同，其中例如最内侧组205包括单个刀片104，该单个刀片104需要旋转通过360°以完成在岩石中的单个环形切削路径。如将被理解到的是，本发明的钻头100的穿透速率明显大于常规布置并且刀片的磨损更低并且更加均匀地分布。

第一中间组207与第二中间组208包括具有轴的刀片104，该轴倾斜，以与安装组207、208所处的区域201的倾斜定向(相对于轴线108)一致的从轴线108径向向外渐缩。相比而言，在第一内侧组205和第二内侧组206内的刀片104具有大致与轴线108平行对准的轴。如图4所示，第一中间组207和第二中间组208的刀片104从轴线108径向向外延伸的角度小于保径刀片103从轴线108径向向外倾斜的对应角度。

参见图3，第一内侧组205的每个刀片104与轴线108隔开相同的径向分隔距离R1。第二内侧组206的每个刀片104与轴线108隔开相同的径向分隔距离R2。第一中间组207的每个刀片104与轴线108隔开相同的径向分隔距离R3。第二中间组208的每个刀片104与轴线108隔开相同的径向分隔距离R4。根据本实施例，R1＜R2＜R3＜R4。然而，根据本实施例从R1至R4(经由R2与R3)顺序增加的大小不是一致的。

根据本实施例，在所有的组205至208内，相邻刀片104(在周向方向上相邻)隔开的角度是90°。也就是，对于所有的组205至208，在每个组的相邻刀片104之间的角度是一致并且相等的。这样的构造是有利的，这是因为刀片在距钻头的轴向中心变化的径向位置处一致磨损并且钻头穿透速率被最大化。

参见图3，每个组的刀片205至208的位置在前表面105处周向地错开。也就是，每个组205至208的每个刀片104周向地定位于相邻的径向内侧组或径向外侧组205至208的两个刀片104之间。具体地，组205的每个刀片104周向地定位于组206的刀片104之间；组206的刀片104周向地定位于组205和207的刀片104之间；组207的刀片周向地定位于组206和208的刀片104之间，并且组208的刀片104周向地定位于组207的刀片104之间。根据具体实施方案，组208的刀片104也周向地定位于保径刀片103之间。此外，并且当在如图3示出的平面中观察时，至少一些组的刀片104的各自的直径径向地重叠，这可能是由于相邻组的刀片的周向错开。具体地，组207和208的刀片104的直径径向地重叠。同样，如由图3所注意到的是，每个组的每个刀片104近似定位于周向地介于相邻组的一对刀片104中间。通过这种构造，所有组的刀片隔开，从而定位成处在前表面105处尽可能远的分隔。这种布置有利于最大化每个刀片的切削效率并且提供了结构上坚固耐用的钻头。在组207、208的刀片104的周向错开以及刀片104之间的径向重叠进一步有利于提供径向上紧凑的头部101以及最大化嵌入在前表面105处的组205至208的数目。本发明构造的作用为侵略性地破碎钻孔底部处的岩石，这部分地是由于组207、208的局部径向重叠以及刀片104分组为定位于距轴线108不同的径向距离处的组(206、208)。

在钻孔期间，当组205的刀片最初与岩石相遇时，在平台204处的第一内侧组205的安装有利于提供打眼(collaring)。这种布置也被认为有利于加强穿透速度，这是由于在钻孔期间在裂纹可能形成的岩石内设置了局部“更低”的水平。此外，具有升高的最内侧区域203的升高或凸形的前表面105有利于最小化从在头部101内延伸的冲洗孔112起源的头部101内的裂纹的风险。

根据本实施例，第一内侧组205的刀片104的直径小于第二内侧组206的对应的直径。相似地，第一内侧组205和第二内侧组206的刀片104的直径小于第一中间组207和第二中间组208的刀片104的相应的直径。如所示的是，以及根据本实施例，保径刀片103的直径大于组205至208的内侧与中间刀片104中的每个刀片。然而，根据进一步实施例，在所有组205至208组内的刀片104的直径可以大致等于或者可以小于或者大于保径刀片103的直径。

根据进一步的实施例，头部区段111的轴向向前面对的区域可以是大致平面的(平坦的)，或者包括由轴向向前延伸的周界凸缘限定的凹形区域。此外，头部101可包括与每个冲洗孔112相关的、周界轴向延伸的冲洗通道，用于促进轴向向后输送冲洗液以及岩石碎块和粉末。

此外，根据进一步实施例，头部101可包括径向定位于组205内的附加的最内侧组的刀片104，其相对于径向外侧组205至208包括相同数目或者更少的刀片(在相同和共同的径向位置处)。也就是，刀片104的最内侧组可包括一个、两个或者三个刀片104，同时径向外侧组205至208可包括四个或更多个刀片，使每个组的刀片104相对轴线108定位于相同的径向间隔距离R1至R4上。

Claims (12)

1.一种冲击岩石钻头(100)，包括：

头部(101)，所述头部(101)设置在伸长柄部(102)的一端处，所述头部(101)具有由周界边缘(106)限定的向前面对的前表面(105)；

多个前切削刀片(104)，所述多个前切削刀片(104)分布在所述前表面(105)上，处在穿过所述钻头延伸的中心轴线(108)与所述前表面(105)的周界边缘(106)之间的不同的径向位置处；

其中，处于径向最内侧或朝向所述中心轴线(108)的所述前切削刀片(104)组成第一内侧组(205)；

定位于所述周界边缘(106)处或朝向所述周界边缘(106)定位的保径刀片(103)组成保径组；

其中，除了所述第一内侧组(205)中的所述前切削刀片(104)被分为多个组(206至208)，每个组(206至208)都位于所述第一内侧组(205)和所述保径组之间；每个组(206至208)包括相同数目的前切削刀片(104)并且定位于距所述中心轴线(108)不同的径向距离处，并且每个相应的组(206至208)的每个前切削刀片(104)定位于距所述中心轴线(108)大致相同的径向距离处；

每个组(206至208)的每个前切削刀片(104)周向地定位于相邻的径向外侧组和/或相邻的径向内侧组的一对前切削刀片(104)之间，使得相邻组(206至208)的所述前切削刀片(104)的位置周向地错开；

每个组(206至208)中的相邻的前切削刀片(104)之间的周向间距相等；

其特征在于：

每个组(206至208)中的前切削刀片(104)的直径大于相邻更内侧的组(206至208)中的前切削刀片(104)的直径，或大于第一内侧组(205)中的前切削刀片(104)的直径。

2.如权利要求1所述的钻头(100)，其中每个组(206至208)包括从三个至六个前切削刀片(104)。

3.如权利要求2所述的钻头(100)，其中每个组(206至208)包括四个前切削刀片(104)。

4.如前述权利要求中的任一项所述的钻头(100)，包括从二组至八组(206至208)的前切削刀片(104)。

5.如权利要求1所述的钻头(100)，其中所述前表面(105)的中间区域(203)轴向地定位于所述周界边缘(106)的前方。

6.如权利要求1所述的钻头(100)，其中所述前表面(105)是大致凸形的，使得所述前表面(105)的中间区域(203)轴向地定位于所述周界边缘(106)的前方。

7.如权利要求1所述的钻头(100)，其中所述第一内侧组(205)内还附加有组成径向最内侧组的所述前切削刀片(104)，所述最内侧组包括与径向外侧的所述多个组(206至208)相同数目的前切削刀片(104)。

8.如权利要求1所述的钻头(100)，包括径向定位于所述第一内侧组(205)内的径向最内侧组，所述径向最内侧组包括多个所述前切削刀片(104)，所述最内侧组的所述前切削刀片(104)的数目少于径向定位于所述最内侧组外侧的每个组(206至208)内的前切削刀片(104)的数目。

9.如权利要求1所述的钻头(100)，所述多个组(206至208)包括：

第一中间组(207)，所述第一中间组(207)径向定位于所述第一内侧组(205)和定位于所述周界边缘(106)处或朝向所述周界边缘(106)定位的所述保径组之间；以及

第二中间组(208)，径向定位于所述第一中间组(207)和所述保径组中间。

10.如权利要求9所述的钻头(100)，所述多个组(206至208)还包括第二内侧组(206)，径向定位于所述第一内侧组(205)和所述第一中间组(207)中间。

11.如权利要求10所述的钻头(100)，其中所述第一内侧组(205)轴向定位于最前方并且所述第二中间组(208)轴向定位于最后方，所述保径组轴向定位于所述第二中间组(208)的后方。

12.冲击钻孔装置，包括根据前述权利要求中的任一项所述的钻头(100)。