CN109798073A - 一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具 - Google Patents

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Abstract

一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，属于地质勘探设备技术领域，包括钻头工作体、液体加压内管总成以及外管总成，所述钻头工作体包括孕镶金刚石胎体、摩擦元件以及钢体，所述液体加压内管总成包括卡簧座、卡簧、内管、内管上接头、弹簧、弹簧垫圈Ⅰ，弹簧垫圈Ⅱ以及堵头；所述外管总成包括扩孔器和外管。本发明提高了孕镶金刚石钻具钻进时的能量利用率，大大提高了岩石由于摩擦而被加热及被钻井液冷却后形成的温度差，可有效弱化岩石表面，提高了利用摩擦热能辅助机械碎岩钻具对坚硬强研磨性岩石的钻进能力。

Description

一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具
技术领域
本发明属于地质勘探设备技术领域，特别是涉及到一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具。
背景技术
在传统机械式破岩过程中，孕镶金刚石钻头的碎岩做功仅占整个孔底工作面能量消耗的极小部分，剩余能量均转化成碎岩工具与岩石之间摩擦而产生的摩擦热能。过去普遍认为这种因摩擦而产生的热能对钻进作业是不利的，若钻井液不能对过热钻头进行及时冷却，孔底产生的高温会对钻头形成热损伤使碎岩效率降低，更为严重时甚至会发生孔内烧钻事故。但随着现代岩石力学研究的不断深入，发现在高温作用下岩石内部裂纹会发生扩展从而使其力学性能降低。利用摩擦热能作为热源加热岩石表面辅助机械碎岩的方式，不仅可将摩擦热变废为宝，还可提高钻进效率。现有技术中曾研制出一种利用摩擦热能辅助机械碎岩钻具，但这种钻具以硬质合金作为切削工具材料进行碎岩，在面对坚硬强研磨性岩石时切削方式难以切入岩石表面破碎岩石，钻进效率较低，因此需要一种新的技术方案，将原有硬质合金切削碎岩方式改为金刚石材料磨削碎岩方式来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，该钻具以孕镶金刚石胎体为磨削碎岩材料，利用钻具中的摩擦元件与岩石的相对摩擦产生的热能弱化岩石，进一步提升孕镶金刚石钻头对坚硬岩石的破碎能力，有效提高钻进效率。
一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，包括钻头工作体、液体加压内管总成以及外管总成，其特征是：所述钻头工作体包括孕镶金刚石胎体、摩擦元件以及钢体，所述孕镶金刚石胎体和摩擦元件均设置在钢体下部；
所述摩擦元件包括两个对称设置的摩擦工作块、两个摩擦工作块之间形成液流通道，每个摩擦元件上部外侧均设置有架桥结构；
所述钢体底部设置有扇形凸台、每个扇形凸台内壁两侧分别设置有内限位凸块，两侧扇形凸台对称的中间位置设置有摩擦元件槽；
所述液体加压内管总成包括卡簧座、卡簧、内管、内管上接头、弹簧、弹簧垫圈Ⅰ，弹簧垫圈Ⅱ以及堵头；所述卡簧座与摩擦元件连接；所述卡簧设置在卡簧座上；所述内管底部与卡簧座连接，顶部与内管上接头连接；所述内管上接头顶部与堵头螺纹连接；所述弹簧设置在内管上接头的外部，弹簧的一端设置有弹簧垫圈Ⅰ，另一端设置有弹簧垫圈Ⅱ；
所述外管总成包括扩孔器和外管；所述外管设置在内管的外部；所述扩孔器设置在外管上。
所述内管上接头上设置有通孔。
所述堵头的外圆直径大于弹簧垫圈Ⅱ的内径。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，提高了孕镶金刚石钻具钻进时的能量利用率，大大提高了岩石由于摩擦而被加热及被钻井液冷却后形成的温度差，可有效弱化岩石表面，提高了利用摩擦热能辅助机械碎岩钻具对坚硬强研磨性岩石的钻进能力。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具剖视结构示意图。
图2为本发明一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具钻头工作体下视结构示意图。
图3为本发明一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具摩擦元件结构示意图。
图4为本发明一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具钢体结构示意图。
图中1-孕镶金刚石胎体、2-摩擦元件、3-钢体、201-摩擦工作块、202-液流通道、203-架桥结构、301-扇形凸台、302-内限位凸块、303-摩擦元件槽、4-卡簧座、5-卡簧、6-扩孔器、7-内管、8-外管、9-弹簧垫圈Ⅰ、10-内管上接头、11-弹簧、12-堵头、13-弹簧垫圈Ⅱ。
具体实施方式
一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，如图1～图4所示，包括钻头工作体、液体加压内管总成和外管总成，所述钻头工作体包括孕镶金刚石胎体1、摩擦元件2以及钢体3，所述孕镶金刚石胎体1和摩擦元件2均设置在钢体3下部；
所述液体加压内管总成包括卡簧座4、卡簧5、内管7、内管上接头10、弹簧11、弹簧垫圈Ⅰ9，弹簧垫圈Ⅱ13以及堵头12；所述卡簧座4与摩擦元件2连接；所述卡簧5设置在卡簧座4上；所述内管7底部与卡簧座4连接，顶部与内管上接头10连接；所述内管上接头10顶部与堵头12螺纹连接；所述弹簧11设置在内管上接头10的外部，弹簧11的一端设置有弹簧垫圈Ⅰ9，另一端设置有弹簧垫圈Ⅱ13；
所述外管总成包括扩孔器6和外管8；所述外管8设置在内管7的外部；所述扩孔器6设置在外管8上；
所述的摩擦元件2设置有两个摩擦工作块201，摩擦工作块201之间设置有液流通道202，每个摩擦元件2上部外侧均设置有架桥结构203；
所述的钢体3底部设置有扇形凸台301，每个扇形凸台301内壁两侧分别设置有内限位凸块302，两个扇形凸台301间设置有摩擦元件槽303；
所述的摩擦元件2上接液体压力内管总成的卡簧座4实现上限位，由钢体3的摩擦元件槽303实现外限位，由摩擦元件槽303与液流通道202共同构成钻头水口，由内限位凸块302实现内限位，由扇形凸台301实现下限位，扇形凸台301对摩擦元件2传递回转动力，液体压力内管总成对摩擦元件2传递轴向压力；
本发明的工作过程及原理为：
当钻具未到达孔底时，摩擦元件2的架桥结构203直接坐落于钢体3的扇形凸台301上，限制摩擦元件2与液体加压内管总成继续下行，摩擦工作块201底面相比孕镶金刚石胎体1底面凸出2mm～4mm。钻具与孔底岩石接触后，摩擦元件2与液体压力内管总成上行，此时摩擦工作块201底面与孕镶金刚石胎体1底面相平，钻头水口由摩擦元件2的液流通道202与钢体3的摩擦元件槽303共同构成，液流通道202高度大于摩擦元件槽303距孔底的距离，因此在钻进过程中，水口面积只与孕镶金刚石胎体1磨损有关，而与摩擦元件2磨损无关。
孕镶金刚石胎体1与摩擦元件2所受到的轴向向下压力分别由钻机给进装置产生的轴向作用力与钻井液作用到液体加压内管总成的压力提供。液体加压内管总成上部由内管上接头10、弹簧11、弹簧垫圈和堵头12组成。内管上接头10上部管体设置有圆形通孔，堵头12外圆直径大于弹簧垫圈Ⅱ13内径，连接后堵头12限位于弹簧11与弹簧垫圈Ⅱ13之上。堵头12与弹簧垫圈Ⅱ13将外管8钻井液流动通道封闭，当钻井液流经至液体加压内管总成顶部时，液体流动受阻，外管8中心通道液体压力剧增。液体压力一部分作用于堵头12上，使液体加压内管总成持续不断向摩擦元件2传递压力，摩擦加热孔底岩石；另一部分作用于弹簧垫圈Ⅱ13上，向下压缩弹簧11至圆形通孔，钻井液经圆形通孔进入内管7，进而达到孔底冷却钻头。在钻井液经圆形通孔进入内管7的同时，液流压力下降，弹簧11将发生回弹。弹簧11的周期性压缩及回弹过程会对钻井液通道形成间歇性的开启及关闭作用，使得钻井液以脉冲形式流至孔底。在钻井液通道关闭时，岩石摩擦作用面温度进一步提升，岩石弱化作用增强，进一步提高钻具钻进效率。
当钻具下放至孔底开始钻进时，孕镶金刚石胎体1与左右相邻的摩擦工作块201构成一个工作单元，在钻具回转过程中，前一个摩擦工作块201与岩石相互作用产生较高的摩擦热能弱化岩石，随后孕镶金刚石胎体1工作层与岩石作用破碎岩石，并产生较少的摩擦热能，随后后一个摩擦工作块201利用孕镶金刚石胎体1作用岩石后残余热量进一步提升岩石作用面温度，相比单个摩擦工作块作用，可大幅提高钻井液冲洗前后岩石作用面温度差，明显提升摩擦热能弱化岩石效果，大大提高了钻进效率。

Claims (3)

1.一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，包括钻头工作体、液体加压内管总成以及外管总成，其特征是：所述钻头工作体包括孕镶金刚石胎体(1)、摩擦元件(2)以及钢体(3)，所述孕镶金刚石胎体(1)和摩擦元件(2)均设置在钢体(3)下部；
所述摩擦元件(2)包括两个对称设置的摩擦工作块(201)、两个摩擦工作块(201)之间形成液流通道(202)，每个摩擦元件(2)上部外侧均设置有架桥结构(203)；
所述钢体(3)底部设置有扇形凸台(301)、每个扇形凸台(301)内壁两侧分别设置有内限位凸块(302)，两侧扇形凸台(301)对称的中间位置设置有摩擦元件槽(303)；
所述液体加压内管总成包括卡簧座(4)、卡簧(5)、内管(7)、内管上接头(10)、弹簧(11)、弹簧垫圈Ⅰ(9)，弹簧垫圈Ⅱ(13)以及堵头(12)；所述卡簧座(4)与摩擦元件(2)连接；所述卡簧(5)设置在卡簧座(4)上；所述内管(7)底部与卡簧座(4)连接，顶部与内管上接头(10)连接；所述内管上接头(10)顶部与堵头(12)螺纹连接；所述弹簧(11)设置在内管上接头(10)的外部，弹簧(11)的一端设置有弹簧垫圈Ⅰ(9)，另一端设置有弹簧垫圈Ⅱ(13)；
所述外管总成包括扩孔器(6)和外管(8)；所述外管(8)设置在内管(7)的外部；所述扩孔器(6)设置在外管(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，其特征是：所述内管上接头(10)上设置有通孔。
3.根据权利要求1所述的一种利用摩擦热能碎岩的孕镶金刚石钻具，其特征是：所述堵头(12)的外圆直径大于弹簧垫圈Ⅱ(13)的内径。
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