CN111764831B - 一种煤矿井高位定向钻进用pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，包括一体成型的钻头体和多个固定刀翼、可拆卸安装在钻头体上的活动刀翼以及分别焊接在固定刀翼和活动刀翼上的PDC切削齿；固定刀翼布齿面从靠近钻头体前端的中心处沿径向延伸至钻头体前端边缘，保径面衔接布齿面延伸至钻头体前端侧面；布齿面和第二侧面相交线根据修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线设计，PDC切削齿沿该相交线布设；活动刀翼设在相邻的固定刀翼之间，活动刀翼包括能安装PDC切削齿的活动刀翼布齿面；固定刀翼和活动刀翼高出钻头体前端的高度一致；在钻头体上设有主流道喷嘴，在固定刀翼上设有边刀翼喷嘴。本发明能提高钻头的定向造斜能力以及其在复杂坚硬地层的钻进适应能力。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井钻进技术领域，具体涉及一种煤矿井高位定向钻进用PDC钻头。
背景技术
煤矿井高位定向钻进技术可有效解决工作面采动卸压瓦斯抽采问题，逐步替代高抽巷成为未来钻孔趋势。该定向钻进技术以螺杆马达滑动定向钻进为主，要求在不建立人工孔底的前提下进行钻孔轨迹控制及分支孔施工，因此要求钻头具备较强的侧向钻进能力；同时钻头位于岩层中钻进，受各区域地质条件的影响，要求钻头具备一定的钻进硬岩的能力。
目前煤矿井常采用的定向钻头为胎体式平底型结构，钻头中心设置一个较大水眼，PDC切削齿在钻头表面呈单齿式分散排布，钻头结构简单，易于加工；但由于其布齿密度小，切削齿切削能力差，且流道设计不合理，钻头泥包现象严重，最终导致钻头磨损较快，钻进效率低。针对上述问题，公告号CN 205532306U的专利文献提出了一种煤矿井下定向钻进用钢体式PDC钻头，该钻头采用刀翼式刮刀结构，无内锥，且保径面与刀翼面垂直过渡，保证了钻头的侧钻开分支能力；但切削齿的井底覆盖率低，当钻进复杂坚硬地层时，切削齿的磨损仍然较为严重；并且由于钻头冠部空间的限制，水眼分布数量有限，井底携岩效果差，切削齿的清洗冷却不足。公告号CN 110306934 A的专利文献提出了一种双分支顶板大直径高位定向长钻孔配套钻头，该钻头在两两刀翼之间的钻头头部周缘镶嵌侧钻分支柱齿，该柱齿采用四棱锥形切削刃结构，为了保证切削刃顶点位于钻头最大径处并且保证柱齿强度，要求分支柱齿出露钻头体的高度明显小于刀翼的高度，因此在正常钻进时，分支柱齿不参与碎岩，只起到保径的作用；只有在大直径孔内侧钻小直径分支时起到辅助划切下侧壁孔的作用，适用范围小，不具有普遍性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，以提高钻头的定向造斜能力以及其在复杂坚硬地层的钻进适应能力。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，包括一体成型的钻头体和多个固定刀翼、可拆卸安装在钻头体上的活动刀翼以及分别焊接在固定刀翼和活动刀翼上的PDC切削齿；
所述钻头体前端设置所述固定刀翼，后端车锥形公螺纹，在相邻固定刀翼之间的钻头体上设有梯形凸起和第一螺钉孔；
多个固定刀翼沿钻头体前端圆周均布，每个固定刀翼包括布齿面、保径面、第一侧面和第二侧面；所述布齿面从靠近钻头体前端的中心处沿径向延伸至钻头体前端边缘，所述保径面衔接布齿面延伸至钻头体前端侧面；布齿面和保径面的同一侧为第一侧面，另一侧为第二侧面；布齿面和第二侧面相交线根据修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线设计；所述PDC切削齿沿该相交线布设，各固定刀翼上最外侧PDC切削齿位于同一圆上，该圆的直径为该PDC钻头的最大直径；
所述活动刀翼设在相邻的固定刀翼之间，活动刀翼包括能紧贴钻头体前端的安装面、设在安装面上且与梯形凸起相对的梯形凹槽、与第一螺钉孔相对的第二螺钉孔以及能安装PDC切削齿的活动刀翼布齿面；
所述固定刀翼和活动刀翼高出钻头体前端的高度一致；
在固定刀翼之间的钻头体上设有主流道喷嘴，在固定刀翼的第一侧面上设有边刀翼喷嘴。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述PDC切削齿端面呈三棱脊状结构，三个棱呈120°均布在PDC切削齿的聚晶金刚石层外表面。
具体的，所述固定刀翼上的各个PDC切削齿呈上下两组台阶状分布；
两组台阶状分布的PDC切削齿之间的出刃高度相差1.5-2.5mm。
具体的，各固定刀翼的布齿面之间呈浅内锥结构，内锥角为160°-175°；
布齿面与保径面之间呈直角形式过渡。
具体的，在保径面上焊接有保径合金。
具体的，所述固定刀翼布齿面呈弧形，弧度为5°-10°。
具体的，所述固定刀翼和活动刀翼高出钻头体前端10mm-20mm。
具体的，所述修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线进行多项式回归得到的公式为：
y＝0.00032x3-0.17736x2+2.14865x-0.12456 (1)
式中：x为PDC切削齿(4)的中心点横坐标，y为PDC切削齿(4)的中心点纵坐标。
具体的，所述主流道喷嘴包括主流道喷嘴本体、主流道喷嘴中心通孔以及设在主流道喷嘴本体外侧壁的连接螺纹；主流道喷嘴中心通孔呈下宽上窄漏斗形；用于清洗和携带钻头体上岩屑，防止钻头体产生泥包。
具体的，所述边刀翼喷嘴正对相邻固定刀翼上的PDC切削齿；所述边刀翼喷嘴包括边刀翼喷嘴本体、设在中心的边刀翼喷嘴中心喷眼和围在边刀翼喷嘴中心喷眼周围的多个边刀翼喷嘴侧向喷眼；边刀翼喷嘴本体采用硬质合金材质，边刀翼喷嘴用于清洗并冷却PDC切削齿，起到辅助碎岩的功效，同时边刀翼喷嘴中心喷眼以及边刀翼喷嘴侧向喷眼结构有效拓宽了水力喷射范围，提高了水力能量的利用率。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(1)本发明中的固定刀翼布齿面与保径面采用直角过渡，保证了钻头较强的侧切能力，钻孔拐弯半径较大，更有利于钻孔造斜；同时固定刀翼采用浅内锥结构，在不牺牲钻头造斜能力的同时，有效抑制了钻头的侧向不平衡摆动。
(2)鼹鼠主要依靠其前足挖掘土壤，具有掘土效率高的特点，因此采用仿生学理论，对鼹鼠前足趾外形结构进行曲线拟合，并根据该曲线特点设计固定刀翼的布齿面曲线，能够有效提高PDC切削齿的岩石切入能力，降低切削阻力。
(3)采用固定刀翼和活动刀翼组合的结构，可灵活的根据地层岩石硬度调整刀翼组合，提高钻进效率和钻头寿命。由于结构限制，固定刀翼最外圈齿和其邻齿之间存在一个较大脊形空白区域无PDC切削齿分布，当钻进硬度相对较小岩石时，该脊形空白区域内的岩石将会随着钻头的旋转扰动被逐渐崩碎，此时无需安装活动刀翼，每个PDC切削齿上分担的钻压相对较大，可有效提高钻头吃入岩石的能力，提高钻进效率；当岩石硬度较大时，该脊形空白区域内的岩石将会磨削钻头钢体，在钻头体上拉出沟槽，并且相邻PDC切削齿会受到较大的动载，钻头体和PDC切削齿磨损严重，钻头寿命降低，此时在钻头体上安装活动刀翼，活动刀翼上PDC切削齿正好可覆盖该脊形空白区，从而破碎上述形成的岩脊，一方面保护了钻头钢体免受磨损，另一方面分担了相邻PDC切削齿的切削载荷，降低了PDC切削齿的磨损，延长了钻头的寿命。
(4)固定刀翼上PDC切削齿分成两组呈上下台阶状分布，第一组切削齿首先破碎岩石，将一整块岩石分割成多个台阶组份，一方面有效释放台阶处的岩石应力，大幅降低第二组切削齿破碎台阶岩石的切削载荷，提高破岩效率；另一方面两组PDC切削齿分先后两步接触岩石，可有效提高第一组切削齿上分配到的钻压，提高钻头吃入岩石的能力。
(5)由于钻头体表面空间的限制，钻头体上分布的喷嘴数量有限，井底携岩效果差，切削齿的清洗冷却不足。在固定刀翼后侧面安装多孔式喷嘴，喷嘴正对后方固定刀翼上的PDC切削齿，一方面有效拓宽了水力喷射范围，提高了水力对PDC切削齿的清洗冷却以及携岩能力，另一个方面还可起到水力辅助破碎PDC切削齿刃前岩石的作用，提高了水力能量的利用率。
(6)破碎坚硬岩石时，PDC切削齿采用三棱脊状结构，将应力集中于三棱凸脊上，更加容易破碎和犁开岩石，在相同的钻头行程上，切削齿可移除更多的岩石，获得更高的破岩效率；同时切削齿只有一条棱状凸脊与岩石接触，凸脊结构减少了切削齿与岩石的接触压持面积，钻头钻进时变方位更加容易，增强了对工具面的控制能力，钻头具备更佳的定向造斜效果。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的活动刀翼结构示意图；
图3为本发明拟合曲线示意图；
图4为本发明的固定刀翼及其上的PDC切削齿分布图；
图5为本发明的PDC切削齿在岩石中的布设示意图；
图6为本发明的PDC切削齿井底覆盖图；
图7为本发明的主流道喷嘴结构示意图；
图8为本发明的边刀翼喷嘴结构示意图。
附图标号含义：
1-钻头体，2-固定刀翼，3-活动刀翼，4-PDC切削齿，5-主流道喷嘴，6-边刀翼喷嘴，7-保径合金，8-鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线，9-修正轮廓拟合曲线；100-岩石，200-岩石台阶，300-岩脊；
11-锥形公螺纹，12-梯形凸起，13-第一螺钉孔；
21-布齿面，22-保径面，23-第一侧面，24-第二侧面；
31-安装面，32-梯形凹槽，33-第二螺钉孔，34-活动刀翼布齿面；
41-棱，42-第一组PDC切削齿，43-第二组PDC切削齿，44-活动刀翼上的PDC切削齿；
51-主流道喷嘴本体，52-主流道喷嘴中心通孔，53-连接螺纹；
61-边刀翼喷嘴本体，62-边刀翼喷嘴中心喷眼，63-边刀翼喷嘴侧向喷眼。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1至图8所示，本实施例给出一种煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，包括一体成型的钻头体1和多个固定刀翼2、可拆卸安装在钻头体1上的活动刀翼3以及分别焊接在固定刀翼2和活动刀翼3上的PDC切削齿4；在本实施例中，钻头体采用钢体材料，钻头体1前端设置固定刀翼2，后端为锥形公螺纹11，用以与井下动力钻具连接；在相邻固定刀翼2之间的钻头体1上设有梯形凸起12和第一螺钉孔13；固定刀翼2、梯形凸台12与钻头体1采用五轴数控加工一体成型。
多个固定刀翼2沿钻头体1前端圆周均布，每个固定刀翼2包括布齿面21、保径面22、第一侧面23和第二侧面24；布齿面21从靠近钻头体1前端的中心处沿径向延伸至钻头体1前端边缘，保径面22衔接布齿面21延伸至钻头体1前端侧面；布齿面21和保径面22的同一侧为第一侧面23，另一侧为第二侧面24。固定刀翼布齿面采用仿生结构设计，根据鼹鼠前足趾轮廓曲线设计成弧形结构，以有效降低破碎岩石时的切削阻力，具体的，布齿面21和第二侧面24相交线根据修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线设计；PDC切削齿4沿该相交线布设，各固定刀翼2上最外侧PDC切削齿4位于同一圆上，该圆的直径为该PDC钻头的最大直径；活动刀翼3的最外圈直径小于钻头体1的直径。
如图2所示，活动刀翼3设在相邻的固定刀翼2之间，活动刀翼3包括能紧贴钻头体1前端的安装面31、设在安装面31上且与梯形凸起12相对的梯形凹槽32、与第一螺钉孔13相对的第二螺钉孔33以及能安装PDC切削齿4的活动刀翼布齿面34；通过梯形凹槽与钻头体上梯形凸台的精准配合，实现活动刀翼的定位安装，并通过所述内六角螺钉完成活动刀翼的固定。
固定刀翼2和活动刀翼3高出钻头体1前端的高度一致。
在固定刀翼2之间的钻头体1上设有主流道喷嘴5，在固定刀翼2的第一侧面23上设有边刀翼喷嘴6。
在本实施例中，将在固定刀翼不同位置分布的PDC切削齿全部旋转到通过钻头体旋转轴线的某一特定平面上，由此形成PDC切削齿交错分布的图形为PDC切削齿的井底覆盖图，如图6所示；在井底覆盖图上，可显示PDC切削齿沿径向在所述钻头体冠部轮廓线的分布情况。对于软地层，PDC切削齿采用稀疏布齿密度，在井底覆盖图上，相邻PDC切削齿的中心距离大；地层越硬，PDC切削齿的布齿密度越大，相邻PDC切削齿的中心距离越小。
为了保证固定刀翼上最外圈PDC切削齿的中心距离相等，将会导致最外圈PDC切削齿与其邻近PDC切削齿之间存在一个较大的脊形空白区域，该脊形空白区域内无PDC切削齿分布。将活动刀翼安装在钻头体上，活动刀翼上的PDC切削齿正好覆盖该脊形空白区域，从而保证在井底覆盖图上PDC切削齿分布的连贯性。
更具体的，如图1所示，本实施例中设置四个固定刀翼2以及两个活动刀翼3，活动刀翼3位于固定刀翼2之间，固定刀翼2以及活动刀翼3的布齿面铣齿窝，PDC切削齿4电焊焊接于齿窝上；在其他实施例中，可以根据实际需要设置其他数量的固定刀翼2和活动刀翼3。
如图5所示，PDC切削齿4端面呈三棱脊状结构，三个棱41(即三棱凸脊)呈120°均布在PDC切削齿4的聚晶金刚石层外表面，以提高PDC切削齿切入岩石的能力；将三棱脊状PDC切削齿4焊接于刀翼上时，保证其中一条棱垂直于岩石；根据岩石硬度确定棱的宽度，岩石越硬，棱宽度越大。
如图6所示，固定刀翼2上的各个PDC切削齿4呈上下两组台阶状分布；分布为第一组PDC切削齿42和第二组PDC切削齿43；两组台阶状分布的PDC切削齿4之间的出刃高度相差1.5-2.5mm；这样第一组PDC切削齿最先切削岩石，将一整块岩石分割成N组份，再由第二组PDC切削齿继续切削形成的环形岩脊。在钻进过程中，这两组PDC切削齿将岩石分割成若干个岩石台阶200，岩石台阶200的形成将会释放局部位置岩石的应力，降低这些部位岩石的破碎载荷；同时在岩石100上将会产生一个较大的岩脊300，在钻进硬岩时，岩脊300将会磨削钻头体1，同时对PDC切削齿4造成较大的动载，导致钻头体1和PDC切削齿4磨损严重，此时将活动刀翼3上的PDC切削齿44分布于该位置，参与破碎岩脊300，可保护固定刀翼2上的PDC切削齿4，提高钻头的整体寿命。
各固定刀翼2的布齿面21之间呈浅内锥结构，内锥角为160°-175°；在不牺牲钻头造斜能力的同时，有效抑制了钻头的侧向不平衡摆动。布齿面21与保径面22之间呈直角形式过渡。
在保径面22上焊接有保径合金7；具体的，固定刀翼保径面22上铣槽，保径合金7电焊焊接于槽内。
固定刀翼2布齿面21呈弧形，弧度为5°-10°。
固定刀翼2和活动刀翼3高出钻头体1前端10mm-20mm。
修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线进行多项式回归得到的公式为：
y＝0.00032x3-0.17736x2+2.14865x-0.12456 (1)；
式中：x为PDC切削齿(4)的中心点横坐标，y为PDC切削齿(4)的中心点纵坐标。
具体的，图3为鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线，鼹鼠前足朝外生长并且5个足趾成弧线分布，根据多样本统计对鼹鼠前爪趾轮廓进行曲线拟合，该拟合曲线8的曲率变化较大，曲线陡峭，采用该曲线设计固定刀翼布齿面21，会导致PDC切削齿4的受力极不均匀，位于曲线凸出部位的PDC切削齿受力较大，磨损严重。因此对拟合曲线8进行修正，降低曲线曲率，减缓曲线变化幅度，可得修正的轮廓拟合曲线9；对曲线9进行多项式回归(通过excel进行常规的多项式拟合得到)，可得公式(1)。
通过对PDC钻头的布齿设计，如图4所示，可得第i个PDC切削齿的中心点横坐标xi，将xi代入公式(1)，即可得第i个PDC切削齿在PDC钻头底端面的具体位置。根据公式(1)将PDC钻头最长刀翼上所有PDC切削齿的位置确定后，通过样条曲线连接即可确定固定刀翼布齿面曲线。
如图7所示，主流道喷嘴5采用常规单孔式结构，主流道喷嘴5包括主流道喷嘴本体51、主流道喷嘴中心通孔52以及设在主流道喷嘴本体51外侧壁的连接螺纹53；主流道喷嘴中心通孔52呈下宽上窄漏斗形；用于清洗和携带钻头体上岩屑，防止钻头体产生泥包。
如图8所示，边刀翼喷嘴6采用多孔式结构，边刀翼喷嘴6采用电焊的形式固定于固定刀翼2上；边刀翼喷嘴6正对相邻固定刀翼2上的PDC切削齿4；边刀翼喷嘴6包括边刀翼喷嘴本体61、设在中心的边刀翼喷嘴中心喷眼62和围在边刀翼喷嘴中心喷眼62周围的多个边刀翼喷嘴侧向喷眼63；边刀翼喷嘴本体61采用硬质合金材质，边刀翼喷嘴6用于清洗并冷却PDC切削齿4，起到辅助碎岩的功效，同时边刀翼喷嘴中心喷眼62以及边刀翼喷嘴侧向喷眼63结构有效拓宽了水力喷射范围，提高了水力能量的利用率。
Claims (10)
1.一种煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，包括钻头体(1)和多个固定刀翼(2)且钻头体(1)和固定刀翼(2)一体成型，还包括可拆卸安装在钻头体(1)上的活动刀翼(3)以及分别焊接在固定刀翼(2)和活动刀翼(3)上的PDC切削齿(4)；
所述钻头体(1)前端设置所述固定刀翼(2)，后端为锥形公螺纹(11)，在相邻固定刀翼(2)之间的钻头体(1)上设有梯形凸起(12)和第一螺钉孔(13)；
多个固定刀翼(2)沿钻头体(1)前端圆周均布，每个固定刀翼(2)包括布齿面(21)、保径面(22)、第一侧面(23)和第二侧面(24)；所述布齿面(21)从靠近钻头体(1)前端的中心处沿径向延伸至钻头体(1)前端边缘，所述保径面(22)衔接布齿面(21)延伸至钻头体(1)前端侧面；布齿面(21)和保径面(22)的同一侧为第一侧面(23)，另一侧为第二侧面(24)；布齿面(21)和第二侧面(24)相交线根据修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线设计；所述PDC切削齿(4)沿该相交线布设，各固定刀翼(2)上最外侧PDC切削齿(4)位于同一圆上，该圆的直径为该PDC钻头的最大直径；
所述活动刀翼(3)设在相邻的固定刀翼(2)之间，活动刀翼(3)包括能紧贴钻头体(1)前端的安装面(31)、设在安装面(31)上且与梯形凸起(12)相对的梯形凹槽(32)、与第一螺钉孔(13)相对的第二螺钉孔(33)以及能安装PDC切削齿(4)的活动刀翼布齿面(34)；
所述固定刀翼(2)和活动刀翼(3)高出钻头体(1)前端的高度一致；
在固定刀翼(2)之间的钻头体(1)上设有主流道喷嘴(5)，在固定刀翼(2)的第一侧面(23)上设有边刀翼喷嘴(6)。
2.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述PDC切削齿(4)端面呈三棱脊状结构，三个棱(41)呈120°均布在PDC切削齿(4)的聚晶金刚石层外表面。
3.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述固定刀翼(2)上的各个PDC切削齿(4)呈上下两组台阶状分布；
两组台阶状分布的PDC切削齿(4)之间的出刃高度相差1.5-2.5mm。
4.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，各固定刀翼(2)的布齿面(21)之间呈浅内锥结构，内锥角为160°-175°；
布齿面(21)与保径面(22)之间呈直角形式过渡。
5.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，在保径面(22)上焊接有保径合金(7)。
6.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述固定刀翼(2)布齿面(21)呈弧形，弧度为5°-10°。
7.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述固定刀翼(2)和活动刀翼(3)高出钻头体(1)前端10mm-20mm。
8.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述修正的鼹鼠前爪趾轮廓拟合曲线进行多项式回归得到的公式为：
y＝0.00032x3-0.17736x2+2.14865x-0.12456
式中：x为PDC切削齿(4)的中心点横坐标，y为PDC切削齿(4)的中心点纵坐标。
9.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述主流道喷嘴(5)包括主流道喷嘴本体(51)、主流道喷嘴中心通孔(52)以及设在主流道喷嘴本体(51)外侧壁的连接螺纹(53)；主流道喷嘴中心通孔(52)呈下宽上窄漏斗形。
10.如权利要求1所述的煤矿井高位定向钻进用PDC钻头，其特征在于，所述边刀翼喷嘴(6)正对相邻固定刀翼(2)上的PDC切削齿(4)；所述边刀翼喷嘴(6)包括边刀翼喷嘴本体(61)、设在中心的边刀翼喷嘴中心喷眼(62)和围在边刀翼喷嘴中心喷眼(62)周围的多个边刀翼喷嘴侧向喷眼(63)；边刀翼喷嘴本体(61)采用硬质合金材质。
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