CN107429546A - 用于切屑的改进输送的钻头 - Google Patents

Abstract

一种岩石钻头，具有头部，所述头部设置在伸长柄部的一端处。多个流体冲洗通道从延伸穿过所述柄部的内孔轴向延伸，且至少一个流体冲洗通道在前面处具有出口端，该出口端形成为伸长狭槽，该伸长狭槽具有比宽度大的长度，从而促进切割下来的岩石碎片的向后输送。

Description

用于切屑的改进输送的钻头

技术领域

本发明涉及一种钻头，并且具体地，但不是排它地，涉及一种形成有切割头部的冲击钻头，该切割头部在钻头的前面处具有用于排出冲洗流体的伸长狭槽。

背景技术

冲击钻头广泛用于在硬质岩石中钻出相对浅的孔，以及用于产生深的钻孔。对于后一种应用，通常使用钻柱，在钻柱中，多个钻杆相互连接起来，以推进钻头并增加孔的深度。在“顶部锤钻孔”中，地面机器操作用于将组合的冲击和旋转驱动运动传递到钻柱的上端，而定位于下端处的钻头操作用于破碎岩石并形成钻孔。在潜孔锤(DTH)钻孔中，冲击不通过钻柱的上端递送，而是通过直接连接至孔内的钻头的锤递送。

流体通常通过钻柱输送，并在钻孔的基底处经由钻头头部中的通道离开，从而冲洗来自钻孔区域的岩石切屑，以围绕着钻柱的外部向后传送岩石切屑。冲击钻头的示例在US 3,346,060；US 4,051,912；US 2010/0108398；WO 93/06332；US 4,716,976和US 6,789,632中被公开。

常规地，冲洗通道的出口端在前面处沿周向间隔开，并包括圆形的横截面轮廓。在一些情况下，通道出现在前面处凹入的凹槽内，从而促进切割下来的岩石碎片的径向向外和轴向向后的输送。然而，现有的钻头不利之处在于：前面的特定区域不会接纳冲洗流体，并因此易受碎屑积聚的影响。这降低了向前钻孔的速率并增加了钻头并特别是切割刀片的摩擦磨损。因此，需要的是解决这些问题的钻头。

发明内容

本发明的目的是提供钻头，并且特别是冲击潜孔锤(DTH)钻头，其针对钻孔效率并且特别是针对最大化的穿透速率和钻头处的最小化的摩擦磨损而进行优化。进一步具体的目的是提供有效的以促进岩石碎屑的轴向向后冲洗的钻头。

这些目的通过提供钻头来实现，该钻头具有流体冲洗通道，流体冲洗通道在钻头头部的轴向向前切割表面处离开，其增加了冲洗流体向所有的区域并且特别是头部的径向中心的递送。特别地，前面处的冲洗通道的流体出口端形成为伸长狭槽，伸长狭槽的长度明显大于宽度。

根据本发明的第一方面，提供了设置在伸长柄部的一端处的岩石钻头头部，伸长柄部具有内孔，内孔从柄部的一端到头部轴向延伸，该头部包括：轴向向前面对的前面；多个切割刀片，所述多个切割刀片设置在前面处；至少一个流体冲洗通道，所述至少一个流体冲洗通道从内孔朝向前面轴向延伸；其特征在于：在前面处的通道的流体出口端形成为伸长狭槽，该伸长狭槽具有在前面的径向方向上的、比宽度大的长度。

在本说明书内，对“伸长狭槽”的参考包含通道的出口端，该通道的出口端包括比在钻头的径向方向(垂直于钻头纵向轴线)上的对应宽度大的长度。该术语还包含多个单独的通道，所述多个单独的通道沿着钻头头部的直径以紧密并排排列的方式在头部的前面处离开，使得通道的各个单独的出口孔共同限定了狭槽。在这样的实施例中，狭槽以一距离彼此分离，该距离小于每个单独的通道的每个出口端的直径。

优选地，狭槽形成为单个开口，该单个开口是单个流体冲洗通道的出口端，该单个流体冲洗通道在头部的向前面对的前面和内孔之间轴向延伸，该内孔在柄部以及头部的一部分内轴向延伸。优选地，狭槽的长度方向中心小于狭槽端部处的狭槽的宽度。可选地，狭槽在其长度方向中心处的宽度可以范围在每个相应端部处的狭槽的宽度的20至95％内。这种构造有利于将冲洗流体朝向狭槽端部引导，使得大部分流体朝着狭槽端部离开通道。这提供了来自中心通道的冲洗流体(通常是空气)的受控的和期望的流体流，以被分配在头部上。在狭槽中心地定位于头部处的情况下，这种布置有利于“清洁”头部的中心区域，并且从头部的最前的切割区域径向向外和轴向向后排出岩石碎片。

优选地，狭槽的长度方向上的端部包括圆化形状轮廓。圆化端部优选地渐缩到狭槽的长度方向上的边缘中，从而在长度端部处提供平滑的弯曲轮廓。这有利于当空气离开狭槽时减少湍流，以便将流体引导到期望的流体流动路径中。

优选地，通道在径向方向上的长度在轴向方向上从柄部内的内孔至前面增大，使得限定狭槽的长度方向上的端部的一对端壁横向于钻头的轴线对准。因此，狭槽可以形成为凹入前面的V形凹槽，其中凹槽的基底被设置为与内孔流体连通。中心通道因此可以被认为是一楔形空腔，其作为伸长狭槽出现于前面处。可选地，每个端壁相对于轴线延伸的角度的范围在5°至85°、5°至60°、15°至40°内，并且更优选在20°至30°内。该横向的或倾斜的端壁有利于引导冲洗流体朝向狭槽的长度方向上的端部离开通道，从而实现在前面上的期望的流体流动。

可选地，狭槽可以是大致哑铃形的，并且包括弯曲的且没有成角度的部分的长度方向上的端部边缘(在前面处)，该成角度的部分否则会干扰冲洗流体流并引起不期望的湍流。本狭槽构造因此针对从前面径向向外和轴向向后输送切割下来的岩石碎片进行优化。根据进一步的具体实施方案，狭槽可以是大致矩形并且具有圆化或弯曲的角部。

优选地，限定狭槽的长度方向上的侧面的一对侧壁在径向方向上从狭槽端部朝向狭槽的长度方向中心向内弯曲。该侧壁因此可朝着钻头的轴向中心径向向内弯成弓形。这种布置有利于促进朝向狭槽的端部引导流体，使得大部分流体朝向狭槽端部而不通过狭槽中心流动。

优选地，在狭槽的侧向的长度方向侧，钻头头部进一步包括至少一个附属流体冲洗通道，所述至少一个附属流体冲洗通道从内孔朝向前面轴向延伸并在前面处离开。优选地，钻头包括两个附属通道，所述两个附属通道定位于狭槽的两个侧向的长度方向侧。优选地，附属通道的出口端的形状轮廓在前面处、在与钻头的轴线垂直的平面上是大致圆形的。可选地，附属通道的出口端的直径可以范围在定位于钻头头部的周界边缘处的保径刀片的直径的大致一半至二倍内。单个中心狭槽和多个附属通道有利于在前面处共同排出流体，使得基本上所有的前面都接纳了冲洗流体。因此，所有的切割刀片都能够被冲洗流体“清洁”，以避免了否则将会经受碎屑积聚的任何区域以及切割刀片的加速磨损，并最大化操作向前钻孔的速率。

优选地，头部包括一对前切割刀片，所述一对前切割刀片定位于狭槽的每一个相应的长度方向侧，其中前切割刀片的相应切割刀尖定位于钻头的最前部。前切割刀片可选地包括比保径刀片小的直径，并可选地横跨前面的直径排列，并且与附属通道的两个出口端处在一条线上。优选地，通道的出口端和两个前刀片对准在与伸长狭槽的排列垂直延伸的直径方向上的辐条上。将两个前刀片定位在狭槽的两个长度方向侧有利于确保最内的前切割刀片接纳大量的冲洗流体，使得使它们被不断清洁，并且岩石碎片从内部的前面区域径向向外和轴向向后被持续扫除。本钻头因此针对减少切割刀片的磨损进行优化，并且由于其优化的前面清洁能力而最大化向前的穿透速率。

优选地，钻头进一步包括冲洗凹槽，该冲洗凹槽凹入前面中，并从狭槽的长度方向上的端部径向向外延伸并且与狭槽的长度方向上的端部连通。钻头头部进一步包括单个凹槽，单个凹槽在直径上横跨前面延伸，其中，中心狭槽形成单个凹槽的组成部分。优选地，凹槽是伸长的并且包括第一端和第二端，第一端和第二端被设置为与周界泥浆(sludge)凹槽流体连通，周界泥浆凹槽径向上凹入钻头头部的周界边缘/壁中并且从前面轴向向后延伸到裙部和柄部。狭槽和凹槽的布置有利于促进岩石碎片的径向向外和轴向向后的输送。

优选地，前面轴向上成冠状，使得前面的径向中心相对于前面的周界轴向上定位在前面。前面因此可包括圆顶形轮廓，其中，中心径向内部区域相对于头部的保径周界区域轴向上定位在前面。可选地，头部并且特别是前面可被认为包括多个同心的环形区域，包括外部保径区域，内部中心区域以及多个中间环形区域，所述多个中间环形区域径向上定位于内部区域和保径区域之间。前面的不同环形区域可以垂直于并且横向于钻头的纵向轴线对准，使得这些区域共同地限定冠状的或圆顶的前面。这种布置有利于将岩石碎片轴向向后引导并避免碎片在前面处积聚。

可选地，狭槽的宽度范围在狭槽的长度的2至20％、4至18％内、并且更优选地在7至16％内。可选地，狭槽的长度范围在如由前面的周界边缘限定的前面的直径的20至80％、25至75％内、或更优选地在30至60％内。这种尺寸有利于实现期望的流体流(主要来自狭槽的长度方向上的端部)，并将流体递送到前面的所有区域。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图描述本发明的具体实施方案，在附图中：

图1是根据本发明的具体实施方案的钻头的外部透视图，钻头具有头部，头部设置在伸长柄部的一端处，伸长柄部具有设置在头部的前面处的中心定位的流体冲洗狭槽；

图2是图1的钻头头部的前面的放大透视图；

图3是图1的钻头头部和柄部的透视横截面视图；

图4是图1的钻头头部和柄部的进一步轴向横截面视图；

图5是图1的钻头头部和柄部的端视图；

图6是图1的钻头头部的端视图。

具体实施方式

图1是潜孔锤(DTH)钻头的外部透视图，其包括钻头头部，钻头头部总的由附图标记100表示、位于伸长柄部102的一端处。柄部102包括轴向延伸的花键105，花键105与钻头的纵向轴线116平行对准。头部100设置在柄部102的第一端处，而第二端103包括环形的面向后的端面，用于由DTH组件内的往复活塞(未示出)接触。头部100包括轴向上向后的环形裙部104，裙部104提供从头部100到柄部102的过渡，并且头部100、裙部104和柄部102一体形成。

头部100包括前面，前面总的由附图标记117表示、具有大致圆形的周界边缘107。前面117径向上分为径向上定位最靠近周界边缘107的径向最外的保径区域111，以及径向上定位在前面117的中心的最内的区域112。头部100并且特别是前面117呈冠状(crown)，使得中心的前面区域112轴向上定位于保径区域111的前方。

多个硬化的切割刀片分布在前面117上，并且包括一组保径刀片108，所述一组保径刀片108在保径面区域111处沿周向间隔开。多个前刀片109径向上定位于保径刀片108内侧，并且一对轴向最前的前刀片110定位于内部的中心区域112处。根据具体实施方案，头部100包括两个内部前刀片110，第一组的四个前刀片109，第二组的四个前刀片109，以及八个保径刀片108。

参考图1至图3，头部100还包括多个流体冲洗通道，所述多个流体冲洗通道从中心孔300轴向向前延伸，中心孔300穿过柄部102从第二端103轴向延伸至头部100。根据具体实施方案，头部100包括三个流体冲洗通道，总的用附图标记113表示的第一通道形成为伸长狭槽，并且定位于前面117的中心。第一附属通道114a和第二附属通道114b定位于中心狭槽113的每个侧向的长度方向侧，并且包括出口端203(定位于前面117处)，出口端203在与轴线116垂直的平面上基本是圆形的。每个附属通道114a、114b大致定位于狭槽113的每个长度方向侧与前面的周界边缘107之间的各自的中间半径位置处。

狭槽113通过一对相对的长度方向上的延伸边缘202a、202b限定在前面117处。边缘202a、202b表示从中心孔300的轴向最前端301延伸到前面117的长度方向上延伸的狭槽侧壁303的前导边缘。狭槽113也由一对基本圆化的端部201限定，圆化的端部201可以被认为是碟形的并且在长度方向上的边缘202a、202b的端部处凹入到前面117中。狭槽113进一步由一对端壁302限定，所述一对端壁302也在孔300的最前端301和前面117之间轴向延伸。参见图3和图4，端壁302横向于轴线116对准，并且特别是每个壁302从轴线116以范围在5°至50°、并且特别是20°至40°内的角度θ径向向外突出(project)。因此，并且参考图3和图4的横截面视图，在轴向方向上，狭槽113形成为从前面区域112轴向向后突出的V形凹槽，使得该凹槽的轴向最后部分设置为与中心孔300流体连通。

根据具体实施方案，最内的前刀片110定位于长度方向上的边缘202a、202b的各自的横向侧，并且也正定位于附属流体冲洗通道114a、114b的径向内侧。根据具体实施方案，长度方向上的壁303和长度方向上的边缘202a、202b径向向内弯曲或者弯成弓形，使得狭槽113的中间长度中心区域的宽度小于在如在图5中所示的各自的长度方向上的端部201处的对应宽度。根据具体实施方案，狭槽113可以被认为在与轴线116垂直的平面中包括“哑铃”形状。

多个周界冲洗凹槽115径向地凹入从周界边缘107向后延伸的头部100的环形外壁106中。周界凹槽115还从前面117轴向向后延伸到裙部104。相应的前凹槽200也凹入前面117中，从而在每个狭槽端部201和相应的周界凹槽115之间径向延伸。因此，单个凹槽(或通道)在直径方向上相对的周界凹槽115之间横跨前面117的全部直径延伸，其中，该单个凹槽包括中心狭槽113以及前凹槽200与周界凹槽115。横跨前面的该单个凹槽(或通道)的深度经由角度对准的端壁302朝向其径向中心(在狭槽113处)增大，端壁302从前面117朝向中心孔300倾斜并与中心孔300连通。因此，狭槽113的长度(在与轴线116垂直的平面中)在轴向方向上从孔的端部301至前面117增大。

具体地，并且参照图6，在与轴线116垂直的径向方向上的狭槽113的长度A被定义为在这些端壁302与前面117相交处的端壁302的每个最前端之间的距离。狭槽113的宽度由位于与长度A的中间长度区域对应的狭槽中心处的附图标记B表示。与从周界边缘107横跨前面117的距离对应的、与轴线116垂直的前面117的直径由附图标记C来表示。根据具体实施方案，狭槽在其中心处的宽度B的范围在狭槽长度A的5至20％内，并且大致是头部直径C的2至6％。狭槽长度A也小于在与钻头轴线116垂直的平面中的附属通道114a、114b的出口端之间的分离距离。根据具体实施方案，狭槽长度A也为钻头头部直径C的大致30至60％。

根据进一步具体实施方案，狭槽113可以由在内部前面区域112和中心孔300之间轴向延伸的多个单独的通道形成。所述通道的出口端横跨前面的直径对准并且定位为靠近并排触碰接触，从而形成共同限定有效的单个“狭槽”的一系列通道(孔)。根据进一步具体实施方案，头部可以包括五个中心通道，从而与两个附属通道114a、114b一起形成中心狭槽113，如参考图1至6所述。

Claims (15)

1.一种设置在伸长柄部(102)的一端处的岩石钻头头部(100)，所述伸长柄部(102)具有内孔(300)，所述内孔(300)从所述柄部(102)的一端(103)轴向延伸至所述头部(100)，所述头部(100)包括：

轴向向前面对的前面(117)；

多个切割刀片(110)，所述多个切割刀片(110)设置在所述前面(117)处；

至少一个流体冲洗通道，所述至少一个流体冲洗通道从所述内孔(300)朝着所述前面(117)轴向延伸；

其特征在于：

在所述前面(117)处的所述通道的流体出口端形成为伸长狭槽(113)，所述伸长狭槽(113)具有在所述前面(117)的径向方向上的、比宽度(B)大的长度(A)。

2.根据权利要求1所述的钻头头部，其中，在所述狭槽(113)的长度方向中心处的所述狭槽(113)的宽度小于在狭槽端部(201)处的所述狭槽(113)的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的钻头头部，其中，所述狭槽(113)的长度方向上的端部(201)包括圆化形状轮廓。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中，所述通道在径向方向上的长度在轴向方向上从所述柄部(102)内的所述内孔(300)到所述前面(117)增大，使得限定了所述狭槽(113)的长度方向上的端部(201)的一对端壁(302)横向于所述钻头的轴线(116)对准。

5.根据权利要求4所述的钻头头部，其中，每个所述端壁(302)以角度(θ)相对于所述轴线(116)延伸，所述角度(θ)的范围在5°至85°。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中所述狭槽(113)是大致哑铃形状的。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中限定所述狭槽(113)的长度方向上的侧面的一对侧壁(302)从所述狭槽端部(201)朝着所述狭槽(113)的长度方向中心在径向方向上向内弯曲。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，进一步包括至少一个附属流体冲洗通道(114)，所述至少一个附属流体冲洗通道(114)在所述狭槽(113)的侧向的长度方向侧(202a)处从所述内孔(300)朝着所述前面(117)轴向延伸并在所述前面(117)处离开。

9.根据权利要求8所述的钻头头部，包括两个附属通道(114a、114b)，所述两个附属通道(114a、114b)定位于所述狭槽(113)的两个侧向的长度方向侧(202a、202b)上。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，包括一对前切割刀片(110)，所述一对前切割刀片(110)定位于所述狭槽(113)的每个相应的长度方向侧(202a、202b)处，其中所述前切割刀片(110)的相应切割刀尖定位于所述钻头上的最前方。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，进一步包括冲洗凹槽(200)，所述冲洗凹槽(200)凹入所述前面(117)中，并且从所述狭槽(113)的长度方向上的端部(201)径向向外延伸且与所述狭槽(113)的长度方向上的端部(201)连通。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中，所述前面(117)轴向上呈冠状，使得所述前面(117)的大致径向中心(112)相对于所述前面(117)的周界(107)在轴向上定位在前面。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中，所述狭槽(113)定位于所述前面(117)的径向中心处。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中，所述狭槽(113)的宽度(B)的范围在所述狭槽(113)的长度(A)的2至20％内。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头头部，其中，所述狭槽(113)的长度(A)的范围在所述前面(117)的直径(C)的20至80％内。