CN110998058A - 具有用于流动优化的切屑通道的岩钻头 - Google Patents

Abstract

一种用于爆破孔钻凿的岩钻头，包括：主体，该主体具有在其上端处形成的联接部和多个下支腿，每个支腿具有顶基部、上肩部、中间下摆、下支承轴、前导侧、尾侧和带端口凸台；多个牙轮，每个牙轮被固定到相应的支承轴，以相对于该相应的支承轴旋转；安装在每个牙轮周围的一排破碎器。每个前导侧和每个尾侧相对于相应的下摆凹进。每个侧具有在其中形成的切屑通道。所述岩钻头进一步包括设置在每个带端口凸台处的喷嘴，其中，每个喷嘴以向外的角度相对于所述岩钻头的纵向轴线倾斜。

Description

具有用于流动优化的切屑通道的岩钻头

技术领域

本发明涉及一种岩钻头，该岩钻头具有主体，该主体包括多个支腿，每个支腿支撑牙轮(roller cone)，并且具有带端口凸台，该带端口凸台形成有用于分配流体以促进排空切屑的喷嘴。

背景技术

旋转钻已经成为用于特定钻凿操作(诸如，创建爆破孔和地热井)的有效工具。钻通常包括具有三个轴颈支腿的旋转钻头，该三个轴颈支腿经由包括滚子和滚珠的轴承组件而安装相应的锥形滚刀。

通常，钻头被附接到钻柱的一端，该钻柱经由钻机被驱动到钻孔中。切削动作是通过产生经由端对端联接起来的钻杆而被传递到钻头的轴向进给和旋转驱动力来实现的。每个锥形滚刀包括在外部安装的硬化切削球齿，这些硬化切削球齿定位于不同的轴向区域处，以当钻头旋转并且施加重量时优化切削。因此，当钻头旋转并移动通过地层时，钻头下方的岩层被压碎。通过钻凿操作产生的切屑由高度磨蚀性的细小颗粒形成。为了从钻孔内的切削区域移除这些细屑，诸如空气或钻凿泥浆的钻凿流体从地表通过中空钻柱而被供应到钻头。切屑悬浮在钻凿流体中被带到地表。如将会理解的，切屑的磨碎和再磨碎降低了钻头的穿透速率(penetration rate)并缩短了钻头的寿命。

传统上，钻凿流体(通常是空气)是由喷嘴对着牙轮引导的，以洗除切屑。然而，钻凿流体射流可能使切屑陷入在孔的底部处或钻头的区域处，结果在排空之前，切屑被再磨碎成磨粉。在US 6,450,270；US 9,260,922；US 4,513,829、US 7,059,430、US 4,848,476；US 8,079,427和US 7,302,374中描述了示例性的旋转钻头和刀具。

特别地是，US 9，260，922公开了一种土方钻头(earth boring drill bit)，该土方钻头具有交替路径，以允许切屑从钻头喷射或排空并且升到钻孔。排空孔允许较大尺寸的切屑从钻头排空，而不必使这些较大尺寸的切屑连续地由刀具磨碎直到这些切屑小到足以遵循围绕钻头的下摆(shirttail)的边缘并且升到钻孔的路径。切屑限制器设置在排空孔的入口处。所述切屑限制器确保只有尺寸能够完全通过排空孔并离开钻头的切屑才被允许进入排空孔。

因此，现有的钻头是不利的，因为在某些情况下，所切削的材料没有从切屑产生的区域充分地喷射或排空，这继而降低了切削效率并导致加速的磨损问题。另外，现有的钻头支腿在特定区域处容易受到应力集中和磨损引起的疲劳的影响，这也缩短了钻头操作寿命。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种岩钻头，并且特别地是一种旋转钻头，其被构造用以尽可能快地从切削区域排空切屑。进一步的目的是使钻头在靠近或邻近于钻头的安装了牙轮的切削区域的位置处的应力和磨损最小化。因此，一个特定的目的是例如通过避免已经切削下来的颗粒和细屑的再磨碎来提供一种具有延长的操作寿命的钻头。

上述目的经由一种钻头而实现，其具有主体，该主体设置有多个支腿，该多个支腿分别地支撑牙轮，其中每个支腿承载构造有喷嘴的带端口凸台。每个喷嘴被具体地构造用以相对于钻头的纵向轴线产生流体射流，该流体射流从所述纵向轴线径向向外指向。已经发现，这显著提高了清洁在切削区域处的刀具和/或清洁孔的底部的效果和效率，这继而导致了岩钻头具有延长的操作寿命。根据本发明的模拟和试验，可以实现多达20％或甚至更长的钻头操作寿命的延长。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于爆破孔钻凿的岩钻头，包括：主体，该主体具有在其上端处形成的联接部和多个下支腿，每个支腿具有顶基部、上肩部、中间下摆、下支承轴、前导侧、尾侧和带端口凸台；多个牙轮，每个牙轮被固定到相应的支承轴，以相对于该相应的支承轴旋转；安装在每个牙轮周围的一排破碎器，其中：每个前导侧和每个尾侧相对于相应的下摆凹进，并且每个侧具有在其中形成的切屑通道，并且岩钻头进一步包括设置在每个带端口凸台中的喷嘴，其中，每个喷嘴以向外的角度相对于岩钻头的纵向轴线倾斜。喷嘴的向外定向提供了对刀具和孔的底部这两者的更有效的清洁，这继而增加了钻头操作寿命。

优选地是，每个前导切屑通道和相应的尾部切屑通道是非对称的。相应的切屑通道的非对称的定向被配置用于控制切屑的排空，以尽可能快地离开孔的底部，并通过使切屑沿着钻头主体之上的预定的流动路径移动来控制钻头的磨损模式。

可选地是，向外的角度的范围在五度和二十五度之间、八度到十五度之间、十度到十三度之间或在十一度到十二度之间。已经通过模拟和测试发现了这样的角度，这些角度提供了提高的对刀具和孔的底部的清洁，并且继而使已切削下来的岩石的再磨碎最小化，以避免产生非常磨蚀性的细粉和不必要的钻头磨损。

可选地是，每个前导侧是凹形的并且每个尾侧是刻面的(faceted)。钻头主体的刻面铣削有利于通过使切屑在周向方向上朝向切屑通道移动来控制在支腿的区域处的磨损模式。可选地是，每个前导切屑通道具有圆形段的截面形状，每个尾部切屑通道具有圆角，每个前导切屑通道的半径至少是每个尾部切屑通道的半径的两倍。这样的构造有利于促进切屑在钻头主体之上远离孔的底部轴向向后行进，并且避免切屑在钻头主体周围的再循环。

可选地是，相应的前导切屑通道的每个圆形段可以小于四分之一圆。

可选地是，每个前导侧进一步具有第一斜面，该第一斜面从该前导侧的邻近相应的下摆的边缘延伸到相应的前导切屑通道，并且每个前导侧进一步具有第二斜面，该第二斜面从相应的前导切屑通道延伸到该前导侧的邻近相邻的另一个支腿的边缘。斜面有利于为切屑的排空提供大的半径并控制切屑流，这继而在钻头支腿处和在其余的钻头主体之上提供对磨损模式的控制。

可选地是，每个尾部切屑通道进一步具有：第一面，该第一面从相应的尾侧的邻近相应的下摆的边缘延伸到相应的圆角；和第二面，该第二面从圆角延伸到斜面，每个尾侧具有相应的斜面，该相应的斜面延伸到该尾侧的边缘或者延伸到相应的带端口凸台。

可选地是，每个第一面和相应的第二面在它们之间具有范围在八十度到一百度之间的角度。

可选地是，每个前导切屑通道具有位于相应的前导侧的下边缘处的入口，和位于该相应的前导侧的邻近相应的基部的上边缘处的出口，并且每个尾部切屑通道具有从相应的尾侧的下边缘偏移的入口，和位于该相应的尾侧的邻近相应的基部的上边缘处的出口。

可选地是，每个前导切屑通道的纵向中心线相对于岩钻头的纵向轴线倾斜，并且每个尾部切屑通道的纵向中心线从其入口稍微弯曲地延伸其长度的一较短部分，并且然后沿该尾部切屑通道的其余部分是直的，并且相对于岩钻头的纵向轴线倾斜。这样的构造进一步有助于将切屑远离孔的底部轴向向后输送，以避免再磨碎和钻头主体的加速磨损。

可选地是，每个前导切屑通道相对于岩钻头的纵向轴线以范围在十度和三十度之间的角度倾斜，并且每个尾部切屑通道的直的部分相对于岩钻头的纵向轴线以范围在二度和十五度之间的角度倾斜。这样的构造进一步有助于将切屑远离孔的底部轴向向后输送，以避免再磨碎和钻头主体的加速磨损。

可选地是，每个前导和相应的尾部切屑通道的纵向中心线从它们的各自的入口到它们的各自的出口朝向彼此会聚。

可选地是，每个支腿具有在其中形成的润滑剂储存器和在其中设置的压力补偿器。优选地是，每个润滑剂储存器邻近相应的尾部切屑通道定位。

在一个方面，本发明的岩钻头包括用于流动优化的切屑通道。在一个实施例中，提供了一种用于爆破孔钻凿的岩钻头，该岩钻头包括：主体，该主体具有在其上端处形成的联接部和多个下支腿，每个支腿具有顶基部、上肩部、中间下摆、下支承轴、前导侧、尾侧和带端口凸台；多个牙轮，每个牙轮被固定到相应的支承轴，以相对于该相应的支承轴旋转；安装在每个牙轮周围的一排破碎器。

优选地是，每个前导切屑通道和相应的尾部切屑通道是非对称的。通道的非对称的定向有效地优化了孔的底部的清洁和切屑的有效的向后输送，以避免再磨碎，再磨碎会进而降低钻头的向前穿透速率，并经由不期望的加速磨损而缩短钻头操作寿命。已经发现，非对称的切屑通道与喷嘴的倾斜相结合对于有效清洁孔的底部和钻头周围的区域而言是特别有效的。这种非对称的定向通过经由受控的流动路径来提供切屑的向后输送而进一步控制磨损模式。

可选地是，每个前导侧和每个尾侧相对于相应的下摆凹进。可选地是，每个侧具有在其中形成的切屑通道。

附图说明

现在将仅通过示例并参考附图来描述本发明的具体实现方式，在附图中：

为了能够详细地理解本公开的上述特征，可以通过参考实施例来对以上简要概述的本公开进行更详细的描述，实施例中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出该公开的典型实施例，并且因此不应被认为限制本公开的范围，因为本公开可以允许其它等效的实施例。

图1和图2A示出了根据本公开的一个实施例的具有用于流动优化的切屑通道的岩钻头。

图2B示出了岩钻头的喷嘴的定向。

图3A示出了岩钻头的切削面。

图3B、图4A和图4B示出了切屑通道。

具体实施方式

图1和图2A示出根据本公开的一个实施例的具有用于流动优化的切屑通道15、16的岩钻头1。图2B示出了岩钻头的喷嘴8的定向。图3A示出了岩钻头的切削面。岩钻头1可以包括主体2、多个牙轮3a-3c、多个破碎器4a-4c和回流阀14。牙轮3a-3c和破碎器4a-4c可以形成岩钻头1的下切削面。

可以通过将诸如锻件的多个部件2a-2c(每个牙轮3a-3c一个)附接在一起(诸如通过焊接)来制成主体2。每个部件2a-2c可以具有部分上联接部5和部分下支腿6。主体2还可以具有在支腿6之间形成的圆顶7。主体2和牙轮3a-3c可以每一个由金属或合金(诸如钢)制成。牙轮3a-3c可以围绕主体均匀地隔开，诸如三个牙轮以一百二十度隔开。上联接部5可以是用于连接到钻杆(未示出)的螺纹销。孔可以穿过上联接部5形成，并且延伸到邻近圆顶7形成的集气室(plenum)13。

每个支腿6可以具有顶基部6e、上肩部6s、中间下摆6h、下支承轴6b、前导侧6d、尾侧6t和带端口凸台6p。每个支承轴6b可以从相应的下摆6h在径向倾斜的方向上朝向岩钻头1的中心延伸。每个支承轴6b和相应的牙轮3a-3c可以具有一对或多对对准的凹槽(未示出)，并且每一对可以形成滚道，以接纳一组滚子轴承(未示出)或轴颈轴承套筒(未示出)。一个或多个止推垫圈(未示出)可以设置在每个支承轴6b和相应的牙轮3a-3c之间。滚子轴承或轴颈轴承和止推垫圈可以支撑每个牙轮3a-3c相对于相应的支腿6的旋转。

每个牙轮3a-3c可以由多个滚珠9安装到相应的支腿6，该滚珠9被容纳在由每个牙轮和相应的支承轴6b中的对准凹槽形成的滚道中。滚珠可以由在每个支腿6a-6c中形成的滚珠通道馈送到每个滚道，并通过设置在该滚珠通道中的相应的保持器(未示出)和封闭该滚珠通道的相应的滚珠插塞而被保持在该滚道中。每个滚珠插塞可以附接或紧固到相应的支腿6。

每个支腿6可以具有在其中形成的润滑剂储存器和从该储存器延伸到相应的滚子轴承或轴颈轴承和止推垫圈的润滑剂通道(未示出)。润滑剂可以由一个或多个密封件(未示出)保持在每个支腿6内，从而防止润滑剂泄漏到爆破孔(未示出)中，该一个或多个密封件设置于在相应的牙轮3a-3c的内表面中形成的相应的一个或多个填料压盖(未示出)中。压力补偿器10可以设置在每个储存器中，以将其中的润滑剂压力调节为稍高于井底压力。

每个牙轮3a-3c可以具有在其中形成的多个平台，诸如跟部平台、保径平台、一个或多个内部平台和鼻部平台。一排保径破碎器4a可以在相应的保径平台处围绕每个牙轮3a-3c安装。一排第一内部破碎器4b可以在内部平台中的相应的第一个内部平台处围绕每个牙轮3安装。一排第二内部破碎器4b可以在内部平台中的相应的第二个内部平台处围绕每个牙轮3a-3c安装。一个或多个鼻部破碎器4c可以在相应的鼻部平台处安装在每个牙轮3a-3c上。每个破碎器4a-4c可以是插入件，这些插入件通过过盈配合而被安装于在相应的牙轮3a-3c中形成的相应的插座中。每个破碎器4a-4c可以由诸如硬质合金的金属陶瓷制成，并且可以具有安装在相应的牙轮3a-3c中的柱形或锥形部分和从该相应的牙轮的相应的平台突出的锥形、凿形或专有形状的部分。成排的内部破碎器4b和鼻部破碎器4c可以相对于彼此偏移，以获得完整的切削轮廓。

第一排跟部保护器11a可以在相应的跟部平台处围绕每个牙轮3a-3c安装。第二排跟部保护器11a可以在相应的跟部平台和相应的保径平台之间围绕每个牙轮3a-3c安装。每个跟部保护器11a可以是插入件，这些插入件通过过盈配合而被安装于在相应的牙轮3a-3c中形成的相应的插座中。每个支腿6的下摆6h和肩部6s也可以由沿它们安装的相应的保护器11b来保护，以免受侵蚀和/或磨蚀。每个支腿保护器11b可以是插入件，这些插入件通过过盈配合而被安装于在相应的支腿部分中形成的相应的插座中。每个保护器11a、11b可以由诸如硬质合金的金属陶瓷制成，并且可以具有安装在相应的插座中的柱形或锥形部分和从该相应的插座突出的圆顶形部分。

可替代地是，破碎器4a-4c和/或保护器11a、11b可以覆盖有多晶金刚石(PCD)。可替代地是，每个破碎器4a-4c可以是硬面铣齿。

每个带端口凸台6p可以经由在上联接部5中形成的相应的端口而与集气室13流体连通，并且可以具有用于排出的紧固在其中的喷嘴8中的一个，以将诸如空气的钻凿流体排出到处在牙轮3a-3c之间的交界面中。每个带端口凸台6p可以邻近于相应的支腿6的尾侧6t定位。每个凸台6的端口和处在其中的相应的喷嘴8可以相对于岩钻头1的纵向轴线以向外的角度12倾斜，使得由相应的喷嘴排出的钻凿流体流指向在相邻排的保径破碎器4a之间的交界面。向外的角度12的范围可以在五度和二十五度之间。每个喷嘴8可以由抗侵蚀材料制成，诸如陶瓷或金属陶瓷，诸如硬质合金。

回流阀14可以在联接部5的孔中被紧固到主体2。回流阀14可以包括阀座、阀构件和偏压构件。偏压构件可以操作，用以将阀构件朝向关闭位置偏压。阀构件可以通过顺着钻头主体2的孔向下注入钻凿流体而从关闭位置移动到打开位置，并且如果流动停止则可以关闭，或者可以关闭，以阻止向上流动。

图3B、图4A和图4B示出了切屑通道15、16。虽然仅显示了部件2a，但是部件2a可以是其它两个部件2b、2c的典型。每个顶基部6e可以是具有外基部直径的柱形段(当与其它顶基部累加考虑时)。外基部直径可以是支腿6的最小外径。支腿6的外部轮廓可以沿着肩部6s从基部6e到下摆6h显著地增加并且然后沿着下摆从肩膀到支承轴6b逐渐地增加。支腿6的外部轮廓也可以从基部6e到带端口凸台6p的喷嘴端显著增加。前导侧6d和尾侧6t可以相对于下摆6h凹进，从而在爆破孔钻凿期间用作用于切屑输送的通路。尾侧6t还可以相对于带端口凸台6p凹进。

前导侧6d可以是凹形的并且包括前导切屑通道15。前导侧6d可以进一步包括第一斜面17a，该第一斜面从前导侧的邻近下摆6h的边缘延伸到前导切屑通道15。前导切屑通道15可以具有带有半径15r的圆形段的截面形状。圆形段可以小于四分之一圆。前导侧6d可以进一步包括第二斜面17b，该第二斜面从前导切屑通道15延伸到该前导侧的邻近支腿2c的边缘。

前导切屑通道15可以具有位于前导侧6d的下边缘处的入口15n，和位于前导侧的邻近基部6e的上边缘处的出口15o。前导切屑通道15的纵向中心线(未示出)可以诸如以范围在十度和三十度之间的角度相对于岩钻头1的纵向轴线倾斜。

尾侧6t可以是刻面的，并且包括尾部切屑通道16。尾部切屑通道16可以包括第一面16a、圆角16f和第二面16b。第一面16a可以从尾侧6t的邻近下摆6h的边缘延伸到圆角16f。圆角16f可以具有半径16r。前导半径15r可以大于尾部半径16r，诸如至少是尾部半径的两倍。第二面16b可以从圆角16f延伸到斜面18。第一面16a和第二面16b可以垂直或基本垂直，诸如在其间具有范围在八十度和一百度之间的角度。取决于沿支腿6的位置，斜面18可以延伸到尾侧6t的边缘或者延伸到带端口凸台6p。

尾部切屑通道16可以具有从尾侧6t的下边缘偏移的入口16n，和位于尾侧的邻近基部6e的上边缘处的出口16o。尾部切屑通道16的纵向中心线可以从其入口16n稍微弯曲地延伸其长度的一较短部分，并且然后可以沿该尾部切屑通道的其余部分是直的，并且诸如以范围在二和十五度之间的角度相对于岩钻头1的纵向轴线倾斜。压力补偿器10和润滑剂储存器可以位于尾侧6t的由斜面18描绘的一部分中。压力补偿器10和润滑剂储存器也可以邻近尾部切屑通道16定位。

切屑通道15、16的纵向中心线可以从它们的入口15n、16n到它们的出口15o、16o朝向彼此会聚。切屑通道15、16可以是非对称的。

有利地是，凹进侧6d、6t(具有相应的切屑通道15、16)和经定向的喷嘴8可以防止或最小化切屑的再磨碎，从而延长岩钻头1的使用寿命。

尽管前述内容针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设想到本公开的其它和进一步的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种用于爆破孔钻凿的岩钻头(1)，包括：

主体(2)，所述主体具有在其上端处形成的联接部和多个下支腿(6)，每个所述支腿(6)具有顶基部(6e)、上肩部(6s)、中间下摆(6h)、下支承轴(6b)、前导侧(6d)、尾侧(6t)和带端口凸台(6p)；

多个牙轮(3a-3c)，每个所述牙轮被固定到相应的所述支承轴(6b)，以相对于相应的所述支承轴旋转；

一排破碎器(4a-4c)，所述一排破碎器安装在每个所述牙轮(3a-3c)周围，

其中：

每个所述前导侧(6d)和每个所述尾侧(6t)相对于相应的所述下摆(6h)凹进，并且

每个所述侧具有在其中形成的切屑通道(15、16)，

所述岩钻头进一步包括被设置在每个所述带端口凸台(6p)中的喷嘴(8)，其中每个所述喷嘴(8)以向外的角度(12)相对于所述岩钻头的纵向轴线倾斜。

2.根据权利要求1所述的岩钻头，其中，每个前导切屑通道(15)和相应的尾部切屑通道(16)是非对称的。

3.根据权利要求1或2所述的岩钻头，其中，每个所述向外的角度(12)的范围在五度和二十五度之间。

4.根据权利要求3所述的岩钻头，其中，所述向外的角度(12)在八度到十五度之间。

5.根据权利要求3所述的岩钻头，其中，所述向外的角度(12)在十度到十三度之间，或者在十一度到十二度之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的岩钻头，其中，每个所述前导侧(6d)是凹形的，并且每个所述尾侧(6t)是刻面的。

7.根据权利要求6所述的岩钻头，其中：

每个前导切屑通道(15)具有圆形段的截面形状，

每个尾部切屑通道(16)具有圆角，

每个所述前导切屑通道(15)的半径至少是每个所述尾部切屑通道(16)的半径的两倍。

8.根据权利要求7所述的岩钻头，其中：

每个所述前导侧(6d)进一步具有第一斜面(18)，所述第一斜面从该前导侧的邻近相应的所述下摆(6h)的边缘延伸到相应的所述前导切屑通道(15)，并且

每个所述前导侧(6d)进一步具有第二斜面(18)，所述第二斜面从相应的所述前导切屑通道(15)延伸到该前导侧的邻近相邻的另一个支腿(6)的边缘。

9.根据权利要求7所述的岩钻头，其中：

每个所述尾部切屑通道(16)进一步具有：

第一面(16a)，所述第一面从相应的所述尾侧的邻近相应的所述下摆的边缘延伸到相应的所述圆角，和

第二面(16b)，所述第二面从所述圆角延伸到斜面(18)，

每个所述尾侧(6t)具有相应的所述斜面(18)，相应的所述斜面延伸到该尾侧的边缘或者延伸到相应的所述带端口凸台(6p)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的岩钻头，其中：

每个所述前导切屑通道(15)具有位于相应的所述前导侧(6d)的下边缘处的入口，和位于相应的所述前导侧的邻近相应的所述基部(6e)的上边缘处的出口，并且

每个所述尾部切屑通道(16)具有从相应的所述尾侧(6t)的下边缘偏移的入口，和位于相应的所述尾侧的邻近相应的所述基部(6e)的上边缘处的出口。

11.根据权利要求10所述的岩钻头，其中：

每个所述前导切屑通道(15)的纵向中心线相对于所述岩钻头的所述纵向轴线倾斜，并且

每个所述尾部切屑通道(16)的纵向中心线从所述尾部切屑通道的所述入口稍微弯曲地延伸其长度的一较短部分，并且然后沿所述尾部切屑通道的其余部分是直的，并且相对于所述岩钻头的所述纵向轴线倾斜。

12.根据权利要求11所述的岩钻头，其中：

每个所述前导切屑通道(15)相对于所述岩钻头的所述纵向轴线以范围在十度和三十度之间的角度倾斜，并且

每个所述尾部切屑通道(16)的直的部分相对于所述岩钻头的所述纵向轴线以范围在二度和十五度之间的角度倾斜。

13.根据权利要求10所述的岩钻头，其中，每个所述前导切屑通道和相应的所述尾部切屑通道(15、16)的纵向中心线从所述前导切屑通道和所述尾部切屑通道的各自的所述入口到所述导切屑通道和所述尾部切屑通道的各自的所述出口朝向彼此会聚。

14.根据前述权利要求中任一项所述的岩钻头，其中，每个所述支腿(6)具有在其中形成的润滑剂储存器和在其中设置的压力补偿器(10)。

15.根据权利要求14所述的岩钻头，其中，每个所述润滑剂储存器邻近于相应的所述尾部切屑通道(16)定位。

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