CN110546344B - 用于冲击钻探的钻头、钻头组件以及用于制造这种钻头的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种钻头(1)，其包括具有圆周(2a)和端面(2b)的头部部分(2)，以及从所述头部部分的与所述端面相对的一侧纵向地延伸的柄部部分(3)。中心冲洗通道(4)纵向地延伸通过所述柄部部分(3)并且在所述头部部分(2)内延伸一定的距离，并且侧向冲洗通道(5)从所述中心冲洗通道(4)延伸至所述头部部分(2)的圆周(2a)。所述侧向冲洗通道的第一部分(5a)沿冲洗流体流动方向相对于所述第二部分(5b)朝向所述端面(2b)倾斜，相对应地，第二部分(5b)沿冲洗流体流动方向朝向所述柄部部分(3)倾斜。还公开一种钻头组件以及制造这样的钻头的方法。

Description

用于冲击钻探的钻头、钻头组件以及用于制造这种钻头的 方法

技术领域

本发明涉及用于冲击钻探的钻头，更具体地涉及这样的钻头，在该钻头中，经由侧向冲洗流体通道引导冲洗流体。本公开进一步涉及具有这样的钻头的钻头组件以及用于制造这样的钻头组件的方法。

背景技术

冲洗流体通常用来在钻头的前面从钻孔冲洗钻屑。这使钻头能够有效地作用于待钻探的地层而不是作用于存在于钻孔中的过多的钻屑。

已经认识到，当在敏感的地层状况下钻探时，使用冲洗流体可能引起问题。在软地层中，冲洗流体可能移除钻头周围的过量的地层，这被称为过度钻探。这在将桩钻探至地层时特别地成问题，因为太大的钻孔不能以期望的方式支撑桩，使得桩不太能够支撑它的顶部上的结构。与在敏感的地层状况下使用冲洗相关联的另一个问题是，冲洗流体可能沿着某些地层(比如粘地层)行进长的距离。因此，在密集地建造的区域中，冲洗流体可能意外地行进至现存的桩或地基并削弱它们的结构。因此，在钻探时使冲洗流体的影响最小化是一个普遍关注的问题。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种钻头和一种钻头组件，用所述钻头和钻头组件可以克服或有效地减轻与在敏感的地层状况下钻探相关联的问题。本公开的另一个目的是提供一种制造这样的钻头的方法。

通过钻头、钻头组件以及用于制造钻头的方法实现本发明的目的，所述钻头、钻头组件以及用于制造钻头的方法的特征在于独立权利要求中所陈述的内容。在从属权利要求中公开本公开的优选实施例。

本发明基于以下理念：提供侧向冲洗通道，其从钻头头部部分的中心冲洗通道延伸至钻头头部部分的圆周，以使得离开所述通道的冲洗流体可以被导向以提高所述头部部分的圆周的周围环境与所述端面之间的压力差，同时使所述侧向冲洗通道能够被形成为使用于使冲洗流体从所述中心冲洗通道流动至所述侧向冲洗通道所需的偏转最小化。

本发明的一个优点是，通过提供平滑的方向过渡促进经由侧向冲洗通道的冲洗流体流动，亦即平滑的总体轮廓使流动阻力更小，以及因此使压力损失更小，从而增加相对应的冲洗流体流输送钻屑的能力。当钻探需要相对高的冲洗流体流量和/或速度以将钻屑运载至地表的深钻孔时，该优点特别突出。随着经由侧向冲洗流体通道的增加的流速增加，头部部分的圆周与地表之间的压力差也增加，从而与源自侧向冲洗流体通道的冲洗流体流一同从端面的圆周抽吸钻屑。这样的压力差的作用非常类似于真空效应，从头部部分的端面的前面抽吸切屑。因此，作为协同效应，可以减少经由钻头端面的冲洗流体的流动，从而降低与敏感的地层状况下的钻探相关联的风险。而且，提供根据本公开的侧向冲洗通道使冲洗流体流能够被朝向柄部部分(亦即地表)导向，即便与相对于钻头的高度具有相对大的直径的钻头结合。

附图说明

在下文中，将参考附图通过优选实施例更详细地描述本公开，其中：

图1至图4示出根据本发明的钻头的几个实施例，其被示出为剖视图，以及

图5和图6示出图4中的实施例的两个视图。

应当注意的是，为了清楚起见，附图为本公开的各个实施例的简化图示。因此，附图不应当被解释为限制本公开的范围。

具体实施方式

图1示出钻头1的剖视图，钻头1包括具有圆周2a和端面2b的头部部分2。此外，柄部部分3沿与端面2b相反的方向从头部部分2纵向地延伸。中心冲洗通道4纵向地延伸通过柄部部分3并且在头部部分2内纵向延伸一定的距离。侧向冲洗通道5从中心冲洗通道4延伸直至头部部分2的圆周2a。侧向冲洗通道的第一部分5a沿横向于中心冲洗通道4的方向延伸，而侧向冲洗通道5的第二部分5b沿冲洗流体的流动方向相对于侧向冲洗通道5的第一部分5a朝向柄部部分3倾斜。在第一和第二部分5a、5b之间提供平滑的过渡。钻头1进一步配备有端面冲洗通道6，其部分地经由侧向冲洗通道5在中心冲洗通道4与端面2b之间延伸。在头部部分的圆周2a上，布置有纵向地延伸通过圆周的冲洗槽7。而且，侧向冲洗通道(亦即其第二部分5b)被布置成延伸直至侧向冲洗槽7。导向钻头联接装置8也设置于头部部分2的圆周2a上，用于以传递冲击和旋转的方式使钻头1与相对应的环形钻头联接。

图2示出钻头1，除了不具有端面冲洗流体通道并且提供了侧向冲洗通道5的一种替代性结构之外，所述钻头1类似于图1的钻头1。特别地，侧向冲洗通道5的第一部分5a沿冲洗流体的流动方向朝向端面2b倾斜，而第二部分5b朝向柄部部分3倾斜。

同样，在图3中，侧向冲洗通道5的第一部分5a沿冲洗流体的流动方向朝向端面2b倾斜，而第二部分5b朝向柄部部分3倾斜。然而，与图2的钻头1不同，提供直接在端面2b与中心冲洗通道4之间延伸的端面冲洗通道6。在端面2b上，端面冲洗通道6配备有偏转元件6a，其使源自端面冲洗通道6的冲洗流体流朝向端面2b的周边偏转。

图4示出了与图3中所示实施例类似的实施例的剖视图，区别在于不具有偏转元件并且头部部分2的一部分被设置成附接至钻头1的其余部分的分离的部分9。特别地，侧向冲洗通道5的第二部分5b的一部分以及第一部分5a与第二部分5b之间的过渡区域布置于分离的部分9上。

图5作为侧视图示出图4的钻头。特别地，它示出分离的部分9与头部部分2之间的榫槽布置。

图6示出图4的钻头的立体图。特别地，它示出分离的部分9如何被定位于相应的冲洗槽7内并从其径向地延伸。而且，第二部分5b部分地形成于分离的部分9内。

根据本公开的第一方面，提供一种用于冲击钻探的钻头1。

钻头1包括具有圆周2a和端面2b的头部部分2，所述端面被布置成用于接收用于切割岩石的多个插入件。而且，当在使用中时，端面被布置成用于钻探地层，亦即将地层材料压碎成钻屑。钻头1进一步包括从头部部分2的与端面2b相对的一侧纵向地延伸的柄部部分3。柄部部分3被布置成用于以传递旋转和冲击的方式将钻头1联接至钻柱。优选地，但并非必要地，柄部部分可以联接至例如锤或钻杆。

中心冲洗通道4纵向地延伸通过柄部部分3并且在头部部分2内延伸一定的距离。在本公开的上下文中，钻头1的纵向轴线被认为沿柄部部分3的延伸方向延伸。而且，侧向冲洗通道5从中心冲洗通道4延伸至头部部分2的圆周2a。应当注意的是，侧向冲洗通道5本身不需要垂直侧向的，亦即不需要为垂直地沿侧向方向延伸的笔直的通道，而是可以沿一个或多个方向弯曲和/或倾斜。

中心冲洗通道4被布置成将来自地表的冲洗流体沿着钻柱导向至钻头，并且进一步经由至少侧向冲洗通道5被引导离开钻头。冲洗流体的目的是将钻屑从钻孔的底部冲洗掉以及在钻孔内、优选地在套管内将钻屑输送至地表。也就是说，通过冲洗流体从端面2b的前面运走钻屑。可以通过提供端面冲洗通道6进一步增强冲洗钻屑，如稍后详细地讨论的。

侧向冲洗通道5包括将所述侧向冲洗通道连接至中心冲洗通道4的第一部分5a，以及将所述侧向冲洗通道连接至头部部分2的圆周2a的第二部分5b。特别地，第一部分5a沿冲洗流体流动方向相对于第二部分5b朝向端面2b倾斜。相对应地，第二部分5b沿冲洗流体流动方向相对于第一部分5a朝向柄部部分3倾斜。适当地，侧向冲洗通道5的第二部分5b朝向地表定向冲洗流体流，亦即沿冲洗流体流动方向朝向柄部部分倾斜。这确保源自侧向冲洗通道5的冲洗流体流以最小的流动扰动和流动湍流朝向地表流动。例如，在与环形钻头的内周边碰撞时，流动的运动能量的损失特别地小。

应当注意的是，第一部分5a和第二部分5b不一定需要分别以绝对方式朝向端面2b和柄部部分3倾斜，而是上文指的是侧向冲洗通道5的第一和第二部分5a、5b的相互地相应的倾斜。而且，在本公开的上下文中，术语“倾斜”用于描述侧向冲洗通道5的第一和第二部分5a、5b的总体取向。相对应地，本公开包含这样的布置：在该布置中，侧向冲洗通道例如为弯曲的。而且，本公开包含这样的布置：在该布置中，第一和第二部分5a、5b都被沿冲洗流体流动方向朝向柄部部分定向，同时第一部分5a相对于第二部分5b朝向端面2b倾斜，并且第二部分5b相对于第一部分5a朝向柄部部分3倾斜。

这样的布置确保来自地表并且被导向返回至地表的冲洗流体的方向可以被逐渐地重新定向。也就是说，为了使冲洗流体进入侧向冲洗通道5，不必使冲洗流体偏转至离开侧向冲洗通道5的期望的方向(亦即，第二部分5b的方向)，相反地，使冲洗流体较少地偏转(至第一部分5a的方向)就足够了。这继而使流动路线更平滑，以及因此，与传统布置相比，使冲洗流体的流动阻力更小，所述传统布置提供侧向冲洗通道作为从圆周2a至中心冲洗通道钻凿的笔直的向后倾斜的导管。由于实现更小的流动阻力，在给定的进给压力下获得更大的冲洗流体流量，这转化为对钻屑的更高的冲洗能力。

而且，已经发现，从头部部分的圆周2a朝向柄部部分3(亦即远离端面2b)提供冲洗流体流将在圆周2a的周围环境与端面2b的周围环境之间形成压力差，以使得在圆周2a附近漂移的钻屑将与来自侧向冲洗通道5的冲洗流体流一同被抽吸至地表。这使钻屑能够被从钻孔的底部冲洗至地表，同时将很少的冲洗流体或未将冲洗流体导向至端面2b。与敏感的地层状况相关联的风险(亦即由于在地层内行进的冲洗流体而造成的过度钻探和/或损坏现存的地层结构)被最小化，特别是在返回至地表的冲洗流体在套管内流动时。根据本发明所述的钻头1使得能够进一步降低与敏感的地层状况相关联的风险，因为可以经由侧向冲洗通道5在给定的进给压力下引入较大的冲洗流体流量和/或较大比例的冲洗流体流量。

而且，为了进一步增强这些益处，侧向冲洗通道5可以在第一部分5a与第二部分5b之间包括一个或多个中间部分。另外，第一部分5a、第二部分5b以及任何可能的中间部分可以在其间设置有平滑的过渡。

根据本公开的第一方面的一个实施例，第一部分5a在横向于中心冲洗通道4的方向与平行于中心冲洗通道4的方向之间被朝向端面2b定向。也就是说，第一部分5a被沿这些方向或其间的任何方向中的任一个定向。由于侧向冲洗通道的第一部分5a不朝向柄部部分3延伸，冲洗流体不需要朝向它所来自的方向偏转返回以便进入侧向冲洗通道5。这进一步降低流动至侧向冲洗通道5的冲洗流体的流动阻力。而且，第二部分5b被朝向柄部部分3定向，这有助于在端面2b与圆周2a之间生成压力差，并且增加待被从端面2b的周围抽吸的钻屑。

根据本公开的第一方面的另一个实施例，钻头1包括在中心冲洗通道4与端面2b之间延伸的端面冲洗通道6。优选地，端面冲洗通道6经由侧向冲洗通道5在中心冲洗通道4与端面2b之间延伸，但是端面冲洗通道6可以被替代地布置成直接在中心冲洗通道与端面2b之间延伸。此外，钻头1可以包括偏转元件6a，其布置于端面冲洗通道6的端面2b端处，用于使冲洗流体流在被引入于端面2b处之前偏转。这样的偏转元件6a超向端面2b的周边(亦即朝向头部部分2的圆周2a)重新定向从端面冲洗通道6流动的冲洗流体。这样的布置使来自端面冲洗通道6的冲洗流体流朝向圆周2a的周围环境吹送钻屑，来自侧向冲洗通道5的冲洗流体流将从那里将钻屑运载至地表。而且，由于偏转元件6a朝向圆周2a定向相关联的冲洗流体，因此需要流动通过端面冲洗通道6的冲洗流体的较小的流速，并且因此，进一步使与敏感的地层状况相关联的风险最小化。

根据本公开的第一方面的另一个实施例，对于每个侧向冲洗通道5，钻头1包括至少两个端面冲洗通道6，其优选地经由所述侧向冲洗通道5在中心冲洗通道4与端面2b之间延伸。结果，至端面2b的冲洗流体流被更均匀地分布于其上，并且可以降低引入至端面2b的冲洗流体的速度同时维持相似的流量。降低流动速度进一步有助于使与敏感的地层状况相关联的风险最小化，因为高的流动速度在软地层中导致过度钻探。

有利地，对应于相应的侧向冲洗通道5的所述至少两个端面冲洗通道6沿横向于中心冲洗通道4的方向在端面2b上彼此相间隔。优选地，但并非必要地，所述至少两个端面冲洗通道6至少径向地彼此相间隔。

根据本发明的第一方面的另一个实施例，如结合前述实施例中的任一个所讨论的，钻头1可以包括最合适地彼此成角度地分离的多个侧向冲洗通道5。这样的布置确保，端面2b与圆周2a之间的压力差，并且来自侧向冲洗通道5的流体流被更均匀地分布于钻头1的头部部分2的圆周之上。

在本发明的第一方面的又一个实施例中，对应于相应的侧向冲洗通道5的至少两个端面冲洗通道6在端面2b上定位于与所述相应的侧向冲洗通道5对应的扇区(sector)内。这样的扇区由对应于其它侧向冲洗通道的一个或多个相邻的扇区界定。而且，这样的扇区不需要为端面2b上的分离的部分，而是可以被形成为共同的端面2b的部分。换句话说，对应于相应的侧向冲洗通道5的至少两个端面冲洗通道6不需要定位于相关联的侧向冲洗通道5的在端面2b上的投影上，亦即定位于侧向冲洗通道5正下方，而是可以与其相隔一定的距离。

根据第一方面的又一个实施例，对于每个侧向冲洗通道5，钻头1在头部部分2的圆周2a上包括冲洗槽7。冲洗槽7纵向地延伸通过头部部分2，亦即从端面2b的周边朝向柄部部分3延伸，从而使钻屑能够被从端面2b的前面经过钻头1冲洗至地表。而且，相应的侧向冲洗通道5在中心冲洗通道4与冲洗槽7之间延伸。这确保由来自侧向冲洗通道5的冲洗流体流所产生的压力差沿着冲洗槽7从端面2b的前面吸入钻屑，其被所述流进一步运载至地表。

根据第一方面的另一个实施例，钻头为导向钻头1。因此，钻头进一步包括布置于头部部分2的圆周2a上的导向钻头联接装置8。导向钻头联接装置8被布置成用于以传递冲击和旋转的方式使钻头与环形钻头联接。

根据第一方面的又一个实施例，钻头1包括头部部分2的附接至所述钻头的分离的部分9。这样的分离的部分9包括侧向冲洗通道5的至少一部分，优选地侧向冲洗通道5的第二部分5b的至少一部分。该布置使得能够使用传统的加工工具生产钻头的剩余部分，同时仍然实现根据本公开的侧向冲洗通道5。适当地，分离的部分9以及钻头1的剩余部分配备有相互地相对应的榫槽布置，用于通过简单地将分离的部分9插入至钻头1上的相对应的凹槽中而将分离的部分9固定至钻头。在插入之后，可以通过进一步的紧固方式(例如，通过焊接)进一步紧固分离的部分。优选地，分离的部分9被布置至钻头1的冲洗槽7，以便从其径向地延伸。这提供额外的优点，即，由冲洗槽7以及适当地环形钻头的内圆周所形成的返回路线被分离的部分9分成较小的流动区域。而且，这防止尺寸过大的钻屑进入冲洗槽7，以及可能堵塞至地表的随后的流动路线。当然，可以设置一个以上的分离的部分9，亦即至少一个或每个侧向冲洗通道5可以至少部分地由附接至钻头1的分离的部分9形成。

应当注意的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以组合第一方面的任何实施例以获得具有期望的特性的钻头。

根据本公开的第二方面，提供一种钻头组件。除了根据结合第一方面所讨论的任何实施例所述的钻头1之外，这样的钻头组件包括环形钻头。环形钻头配备有与导向钻头联接装置8操作性地对应的环形钻头联接装置。在联接好的情况下，环形钻头的内圆周以及导向钻头1的冲洗槽7形成用于来自侧向冲洗通道5、以及优选地端面冲洗通道6的冲洗流体的回流路线。

根据本公开的第三方面，提供一种用于制造如结合根据第一方面的任何实施例所讨论的钻头1的方法。在所述方法中，通过添加材料来生产头部部分的至少一部分以便形成侧向冲洗通道5的至少一部分。

根据第三方面的一个实施例，通过增材制造(additive manufacturing)来生产头部部分的至少一部分。这样的合适的增材制造生产方法的示例包含粉末床系统以及粉末进给系统。优选地，但并非必要地，使用传统的生产方法(比如机械加工)预先制造至少柄部部分3，以及适当地头部部分2的紧邻柄部部分3的部分。此后，通过增材制造生产头部部分的至少一部分(包含侧向冲洗通道5的至少一部分)，适当地钻头1的其余部分。替代地，可以使用增材制造生产整个钻头1。

根据第三方面的另一个实施例，钻头被生产成使得通过提供第一开口而形成至少一个侧向冲洗通道，所述第一开口在中心冲洗通道4与头部部分2的圆周2a之间延伸，以使得第一开口的一部分对应于侧向冲洗通道5的第一部分5a。而且，提供在第一开口与头部部分2的圆周2a之间延伸的第二开口，以使得第二开口对应于侧向冲洗通道5的第二部分5b。此后，例如通过焊接填充第一开口的不对应于侧向冲洗通道5的第一部分5a的部分。

根据第三方面的另一个实施例，头部部分2的至少一部分作为分离的部分9与钻头的其余部分分离地生产，并且随后附接至钻头的其余部分。优选地，头部部分2的部分9(其包括侧向冲洗通道5的至少一部分，更优选地侧向冲洗通道5的第二部分5b的至少一部分)被制造成与钻头1的其余部分分离的部分。例如，钻头1的其余部分以及这样的分离的部分9可以被布置成具有配合形式，以使得可简单地通过将所述分离的部分插入至钻头1中而通过钻头1接收所述分离的部分9。在插入之后，优选地使用传统装置(比如各种紧固元件)或通过焊接将这样的分离的部分固定至钻头1。优选地，但并非必要地，这样的分离的部分9布置于钻头上，以便从相应的冲洗槽7径向地延伸，从而有效地将冲洗槽的流动区域分成两个较小的区域。这防止尺寸过大的钻屑进入冲洗槽，以及可能堵塞流动至地表的冲洗流体的返回路线。

当然，如果待生产的钻头1包括一个以上的侧向冲洗通道5，则可以分离地生产多个这样的部分并且随后将其附接至钻头1的其余部分。

应当注意的是，可以替代地使用传统的制造工艺(比如模制)生产根据结合本发明的第一方面所讨论的任何实施例的钻头1。

Claims (9)

1.一种用于冲击钻探的钻头(1)，包括：

具有圆周(2a)和端面(2b)的头部部分(2)，所述端面被布置成用于接收多个插入件；

从所述头部部分的与所述端面相对的一侧纵向地延伸的柄部部分(3)，所述柄部部分被布置成用于以传递旋转和冲击的方式将所述钻头(1)联接至钻柱；

中心冲洗通道(4)，其纵向地延伸通过所述柄部部分(3)并且在所述头部部分(2)内纵向地延伸一定的距离，以及

侧向冲洗通道(5)，其从所述中心冲洗通道(4)延伸至所述头部部分(2)的圆周(2a)，其中所述侧向冲洗通道(5)包括：

将所述侧向冲洗通道连接至所述中心冲洗通道(4)的第一部分(5a)，以及

将所述侧向冲洗通道连接至所述头部部分(2)的圆周(2a)的第二部分(5b)，

其中所述第一部分(5a)沿冲洗流体流动方向相对于所述第二部分(5b)朝向所述端面(2b)倾斜；相对应地，所述第二部分(5b)沿冲洗流体流动方向相对于所述第一部分(5a)朝向所述柄部部分(3)倾斜，

其中所述钻头(1)包括彼此成角度地分离的多个侧向冲洗通道(5)，并且

对应于每个侧向冲洗通道(5)，所述钻头进一步包括至少两个端面冲洗通道(6)，所述至少两个端面冲洗通道(6)在所述中心冲洗通道(4)与所述端面(2b)之间延伸，

其特征在于，对应于相应的侧向冲洗通道(5)的所述至少两个端面冲洗通道(6)在所述端面(2b)上定位于与所述相应的侧向冲洗通道相对应的扇区内，所述扇区由对应于其它侧向冲洗通道(5)的一个或多个相邻的扇区界定；并且

所述钻头为导向钻头(1)，其进一步包括布置于所述头部部分(2)的圆周(2a)上的导向钻头联接装置(8)，用于以传递冲击和旋转的方式使所述钻头与一环形钻头联接。

2.如权利要求1所述的钻头(1)，其特征在于：

所述第一部分(5a)在横向于所述中心冲洗通道(4)的方向与平行于所述中心冲洗通道(4)的方向之间被朝向端面(2b)定向，以及

所述第二部分(5b)被朝向所述柄部部分(3)定向。

3.根据权利要求2所述的钻头(1)，其特征在于，所述第一部分(5a)被沿横向于所述中心冲洗通道(4)的方向定向。

4.根据权利要求2所述的钻头(1)，其特征在于，所述第一部分(5a)被朝向所述端面(2b)定向。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述钻头进一步包括偏转元件(6a)，其布置于所述端面冲洗通道(6)的端面(2b)端处，用于使冲洗流体流在被引入于所述端面(2b)处之前偏转。

6.根据权利要求1-4中的任一项所述的钻头(1)，其特征在于，对应于相应的侧向冲洗通道(5)的所述至少两个端面冲洗通道(6)沿横向于所述中心冲洗通道(4)的方向在所述端面(2b)上彼此间隔开。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的钻头(1)，其特征在于，对应于每个侧向冲洗通道(5)，所述钻头在所述头部部分(2)的圆周(2a)上包括纵向地延伸通过所述头部部分(2)的冲洗槽(7)，其中相应的侧向冲洗通道(5)在所述中心冲洗通道(4)与所述冲洗槽(7)之间延伸。

8.根据权利要求1-4中的任一项所述的钻头，其特征在于，所述钻头(1)包括所述头部部分(2)的附接至所述钻头的分离的部分(9)，其中所述分离的部分(9)包括所述侧向冲洗通道(5)的至少一部分。

9.一种钻头组件，其特征在于，所述钻头组件包括根据权利要求7所述的钻头(1)，所述钻头组件进一步包括环形钻头，所述环形钻头配备有与所述导向钻头联接装置(8)操作性地对应的环形钻头联接装置，

其中，在联接的情况下，所述环形钻头的内圆周以及所述冲洗槽(7)形成用于来自所述侧向冲洗通道(5)的冲洗流体的回流路线。

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