CN112127799A - 一种金刚石复合片钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金刚石复合片钻头，包括钻头主体、刀翼、切削齿以及喷嘴，刀翼的布齿呈异步多轨道结构：多个刀翼上分别嵌设有不同位置的切削齿，不同位置的切削齿的运动轨道均不同；切削齿包括主切削齿以及辅助切削齿，主切削齿的倒角大于辅助切削齿的倒角。本发明中刀翼的布齿呈异步多轨道结构，其不同位置的切削齿的运动轨道均不同，有利于提升钻头破岩效率；主切削齿的倒角大于辅助切削齿的倒角，由于钻头在切削过程中主切削齿承受更强的冲击，主切削齿采用较大的倒角，有助于提升切削齿抗冲击能力，从而提升钻头的抗冲击能力，提高钻头寿命，本发明通过优化刀翼布齿结构和切削齿结构，极大提升了探钻效率和钻头寿命。
Description
技术领域
本发明涉及探钻设备技术领域，尤其涉及的是一种金刚石复合片钻头。
背景技术
在钻井过程中钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关。钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。
目前，地质和矿山勘探中，为保证采矿安全，需要进行瓦斯抽放孔、放水孔、注浆孔的施工，以防止渗水、瓦斯爆、冒顶的发生。相比早期的硬质合金钻头，金刚石复合片钻头因其寿命长、效率高被广泛应用在，大幅提升了钻探效率。
其中，传统的刮刀钻头、内凹钻头和平底钻头，都存在自身的确定，不能适应当下对钻头寿命和钻探效率的要求，上述传统的钻头缺陷如下：
1、刮刀钻头和内凹钻头多个切削齿运动轨迹重合，破岩效率低；
2、平底钻头排屑空间小，排屑能力差，钻进效率低；
3、主切削齿和辅助切齿未做特定的结构设计，主切削齿过早失效，钻头寿命降低；
总而言之，传统的钻头破岩效率低、排屑慢、寿命低，生产效率低，其劳动强度高。
因此，现有技术还有待改进。
发明内容
发明人发现，现有技术中的钻头破岩效率低、排屑慢、寿命低，生产效率低，其劳动强度高，不利于提升钻探效率、提高使用寿命以及降低成本的问题。
本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。本发明提出了一种金刚石复合片钻头，包括钻头主体、刀翼、切削齿以及喷嘴，所述钻头主体的顶部周向设置有多个刀翼，所述刀翼上分别嵌设有切削齿，相邻所述刀翼之间设置有喷嘴，其特征在于：
所述刀翼的布齿呈异步多轨道结构：多个所述刀翼上分别嵌设有不同位置的切削齿，不同位置的所述切削齿的运动轨道均不同；
所述切削齿包括主切削齿以及辅助切削齿，所述主切削齿以及所述辅助切削齿均设置有倒角，且所述主切削齿的倒角大于所述辅助切削齿的倒角。
在一种实施方式中，所述主切削齿的倒角的范围为0-0.70，所述辅助切削齿的倒角的范围为0-0.35。
在一种实施方式中，所述刀翼肩部最大高度与所述钻头直径的比值大于0.25。
在一种实施方式中，不同位置的所述切削齿的切削深度不一致。
在一种实施方式中，不同位置的所述切削齿的切削深度差范围为0-2mm。
在一种实施方式中，所述刀翼的数量为4个，且所述刀翼的布齿呈异步多轨道结构，所述刀翼包括第一刀翼、第二刀翼、第三刀翼以及第四刀翼，所述第一刀翼上设置有第一切削齿；所述第二刀翼上设置有第二切削齿；所述第三刀翼上设置有第三切削齿；所述第四刀翼上设置有第四切削齿；
所述第一切削齿包括第一主切削齿以及第一辅助切削齿，所述第二切削齿包括第二主切削齿以及第二辅助切削齿，所述第三切削齿包括第三主切削齿以及第三辅助切削齿，所述第四切削齿包括第四主切削齿以及第四辅助切削齿；
所述第一主切削齿、所述第一辅助切削齿、所述第二主切削齿、所述第二辅助切削齿、所述第三主切削齿、所述第三辅助切削齿、所述第四主切削齿、所述第四辅助切削齿的运动轨道均不同；
所述第一主切削齿、所述第一辅助切削齿、所述第二主切削齿、所述第二辅助切削齿、所述第三主切削齿、所述第三辅助切削齿、所述第四主切削齿以及所述第四辅助切削齿具有不同的高度，所述第一主切削齿、所述第一辅助切削齿、所述第二主切削齿、所述第二辅助切削齿、所述第三主切削齿、所述第三辅助切削齿、所述第四主切削齿以及所述第四辅助切削齿的切削深度均不相同。
在一种实施方式中，所述切削齿为平面型金刚石复合片。
在一种实施方式中，所述切削齿为球面型金刚石复合片。
在一种实施方式中，所述切削齿的直径范围为13mm-20mm；
在一种实施方式中，所述刀翼为直线型刀翼或者为螺旋型刀翼，且多个所述刀翼呈非对称设置。
本发明的有益效果：本发明中刀翼的布齿呈异步多轨道结构，其不同位置的切削齿的运动轨道均不同，有利于提升钻头破岩效率；主切削齿的倒角大于辅助切削齿的倒角，由于钻头在切削过程中主切削齿承受更强的冲击，主切削齿采用较大的倒角，有助于提升切削齿抗冲击能力，从而提升钻头的抗冲击能力，提高钻头寿命，本发明通过优化刀翼布齿结构和切削齿结构，极大提升了探钻效率和钻头寿命。
附图说明
图1是本发明提供的金刚石复合片钻头的立体结构示意图。
图2是本发明提供的金刚石复合片钻头的某一视角示意图。
图3是本发明提供的金刚石复合片钻头的某一剖面图。
图4是本发明提供的金刚石复合片钻头的切削轨迹示意图。
图5是本发明提供的切削齿的结构示意图。
图6是本发明提供的金刚石复合片钻头的某一具体实施例示意图。
附图标记：
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
基于现有技术中存在的问题，本实施例提供一种金刚石复合片钻头，如图1所示，包括钻头主体100、刀翼200、切削齿300以及喷嘴400，钻头主体100的顶部周向设置有多个刀翼200，刀翼200上分别嵌设有切削齿300，相邻刀翼200之间的钻头主体100上设置有喷嘴400，
刀翼200的布齿呈异步多轨道结构：多个刀翼200上分别嵌设有不同位置的切削齿300，结合图4，不同位置的切削齿300的运动轨道均不同；其中，切削齿300包括主切削齿310以及辅助切削齿320，主切削齿310以及辅助切削齿均320设置有倒角，且主切削齿的倒角A大于辅助切削齿的倒角B。
本发明中刀翼的布齿呈异步多轨道结构，其中刀翼上分别嵌设有不同位置的切削齿，不同位置的切削齿的运动轨道均不同，即不同位置的切削齿的运动轨道均不重叠，并且切削齿的高度不一，从而切削齿的切削深度不同，切削齿切入岩石的时间不同，进而切削齿在切削过程中出现切削异步多轨道特征，有利于提升钻头破岩效率；本发明中的主切削齿的倒角大于辅助切削齿的倒角，由于钻头在切削过程中主切削齿承受更强的冲击，主切削齿采用较大的倒角，有助于提升切削齿抗冲击能力，从而提升钻头的抗冲击能力，提高钻头寿命，本发明通过优化刀翼布齿结构和切削齿结构，极大提升了探钻效率和钻头寿命。
具体的，如图1以及图2所示，钻头主体100的顶部周向设置有多个刀翼200，根据实际需要，如根据钻头切削和排屑需求，刀翼200的数量可以设计为3个或者多于3个，刀翼200用于安装主切削齿310和辅助切削齿320。其中，主切削齿310安装在刀翼200的肩部或者鼻部，并且主切削齿310与刀翼200固定连接；辅助切削齿310安装在刀翼200的外弧径面和心部。
具体的，如图5所示，主切削齿的倒角A的数值范围为0-0.70，辅助切削齿的倒角B的数值范围为0-0.35,倒角的选定属于细节性的东西，倒角的重要性容易被忽略，在实际中很多失效案例和倒角的选择有关系。选择倒角一定要结合使用要求，受力状况，比如承受较大的力，建议要考虑到倒角作为应力集中点的潜在问题，应该选择大的倒角，因此主切削齿采用较大的倒角，有助于提升切削齿抗冲击能力，从而提升钻头的抗冲击能力，提高钻头寿命。同时，辅助切削齿位置采用较小的倒角处理，不降低钻头的攻击性。
在一种实施方式中，结合图4所示，刀翼200上分别嵌设有不同位置的切削齿300，其中切削齿300的高度不一，从而不同位置的切削齿300的切削深度不一致。本发明中金刚石复合片钻头上，采用异步多轨的布齿设计，不仅保证每片切削齿300有不同的切削轨迹，而且不同刀翼切削齿具有一定的高度差，让钻头吃入岩石更加高效，具体的，不同位置的切削齿的切削深度差X范围为0-2mm。
在一种实施方式中，刀翼200为直线型刀翼或者为螺旋型刀翼，且多个刀翼呈非对称设置，其中，刀翼肩部最大高度L与钻头直径D的比值大于0.25，如图3所示，刀翼侧面最大高度I与钻头直径D的比值大于0.15，本发明的刀翼呈窄高结构，使得钻头有足够的排屑空间。
在一种实施方式中，切削齿300为平面型金刚石复合片，金刚石复合片是采用金刚石微粉与硬质合金基片在超高压高温条件下烧结而成，既具有金刚石的高硬度、高耐磨性与导热性，又具有硬质合金的强度与抗冲击韧性，是制造切削刀具、钻井钻头及其他耐磨工具的理想材料。平面型金刚石复合片适用于软到中硬地质钻井，具有较高的抗冲击韧性和热稳定性，耐热温度可达750℃。
在一种实施方式中，切削齿300为球面型金刚石复合片。球面型金刚石复合片适用于切削高硬度合金、陶瓷等非金属、非铁金属及其他金属的切削及加工，具有较高的硬度与耐磨性，切削精度高。在抗冲击性要求高的地层可选择球面型金刚石复合片，进一步提升抗冲击性。
在一种实施方式中，根据钻进效率、抗冲击性的要求，金刚石复合片切削齿可选择不同的直径，其切削齿300的直径范围优选为13mm-20mm。
在一种实施方式中，如图6所示，刀翼200的数量为4个，且刀翼200的布齿呈异步多轨道结构，具体如下：刀翼200包括第一刀翼210、第二刀翼220、第三刀翼230以及第四刀翼240，第一刀翼210上设置有第一切削齿；第二刀翼220上设置有第二切削齿；第三刀翼230上设置有第三切削齿；第四刀翼240上设置有第四切削齿；
第一切削齿包括第一主切削齿311以及第一辅助切削齿321、第二切削齿包括第二主切削齿312以及第二辅助切削齿322、第三切削齿包括第三主切削齿313以及第三辅助切削齿314、第四切削齿包括第四主切削齿314以及第四辅助切削齿324；
结合图4，第一主切削齿311、第一辅助切削齿321、第二主切削齿312、第二辅助切削齿322、第三主切削齿313、第三辅助切削齿323、第四主切削齿314、第四辅助切削齿324的运动轨道均不同；
第一主切削齿311、第一辅助切削齿321、第二主切削齿312、第二辅助切削齿322、第三主切削齿313、第三辅助切削齿323、第四主切削齿314、第四辅助切削齿324具有不同的高度，第一主切削齿311、第一辅助切削齿321、第二主切削齿312、第二辅助切削齿322、第三主切削齿313、第三辅助切削齿323、第四主切削齿314、第四辅助切削齿324的切削深度均不相同。第一主切削齿311、第一辅助切削齿321、第二主切削齿312、第二辅助切削齿322、第三主切削齿313、第三辅助切削齿323、第四主切削齿314、第四辅助切削齿324切入岩石的时间不同，使得切削达到异步切削效果。根据不同地层要求各不相同，切削深度差X各不相同，切削深度差X范围优选为0-2mm之间。
由于切削过程中主切削齿承受更强的冲击，主切削齿采用大倒角设计，有助于提升切削齿抗冲击能力，从而提升钻头的抗冲击能力，提升钻头寿命，结合图5，第一主切削齿311、第二主切削齿312、第三主切削齿313、第四主切削齿314均采用较大倒角设计，其倒角范围优选为0-0.70；第一辅助切削齿321、第二辅助切削齿322、第三辅助切削齿323、第四辅助切削齿324均采用较小倒角设计，不降低钻头的攻击性，其倒角范围优选为0-0.35。
综上所述，本发明中刀翼的布齿呈异步多轨道结，其不同位置的切削齿的运动轨道均不同，有利于提升钻头破岩效率；主切削齿的倒角大于辅助切削齿的倒角，由于钻头在切削过程中主切削齿承受更强的冲击，主切削齿采用较大的倒角，有助于提升切削齿抗冲击能力，从而提升钻头的抗冲击能力，提高钻头寿命，本发明通过优化刀翼布齿结构和切削齿结构，极大提升了探钻效率和钻头寿命。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种金刚石复合片钻头，包括钻头主体、刀翼、切削齿以及喷嘴，所述钻头主体的顶部周向设置有多个刀翼，所述刀翼上分别嵌设有切削齿，相邻所述刀翼之间设置有喷嘴，其特征在于：
所述刀翼的布齿呈异步多轨道结构：多个所述刀翼上分别嵌设有不同位置的切削齿，不同位置的所述切削齿的运动轨道均不同；
所述切削齿包括主切削齿以及辅助切削齿，所述主切削齿以及所述辅助切削齿均设置有倒角，且所述主切削齿的倒角大于所述辅助切削齿的倒角。
2.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述主切削齿的倒角的范围为0-0.70，所述辅助切削齿的倒角的范围为0-0.35。
3.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述刀翼肩部最大高度与所述钻头直径的比值大于0.25。
4.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，不同位置的所述切削齿的切削深度不一致。
5.根据权利要求4所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，不同位置的所述切削齿的切削深度差范围为0-2mm。
6.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述刀翼的数量为4个，且所述刀翼的布齿呈异步多轨道结构，所述刀翼包括第一刀翼、第二刀翼、第三刀翼以及第四刀翼，所述第一刀翼上设置有第一切削齿；所述第二刀翼上设置有第二切削齿；所述第三刀翼上设置有第三切削齿；所述第四刀翼上设置有第四切削齿；
所述第一切削齿包括第一主切削齿以及第一辅助切削齿，所述第二切削齿包括第二主切削齿以及第二辅助切削齿，所述第三切削齿包括第三主切削齿以及第三辅助切削齿，所述第四切削齿包括第四主切削齿以及第四辅助切削齿；
所述第一主切削齿、所述第一辅助切削齿、所述第二主切削齿、所述第二辅助切削齿、所述第三主切削齿、所述第三辅助切削齿、所述第四主切削齿、所述第四辅助切削齿的运动轨道均不同；
所述第一主切削齿、所述第一辅助切削齿、所述第二主切削齿、所述第二辅助切削齿、所述第三主切削齿、所述第三辅助切削齿、所述第四主切削齿以及所述第四辅助切削齿具有不同的高度，所述第一主切削齿、所述第一辅助切削齿、所述第二主切削齿、所述第二辅助切削齿、所述第三主切削齿、所述第三辅助切削齿、所述第四主切削齿以及所述第四辅助切削齿的切削深度均不相同。
7.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述切削齿为平面型金刚石复合片。
8.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述切削齿为球面型金刚石复合片。
9.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述切削齿的直径范围为13mm-20mm。
10.根据权利要求1所述的金刚石复合片钻头，其特征在于，所述刀翼为直线型刀翼或者为螺旋型刀翼，且多个所述刀翼呈非对称设置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011099060.5A CN112127799A (zh) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | 一种金刚石复合片钻头 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202011099060.5A CN112127799A (zh) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | 一种金刚石复合片钻头 |
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| CN202011099060.5A Pending CN112127799A (zh) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | 一种金刚石复合片钻头 |
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| CN (1) | CN112127799A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114776226A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-22 | 中国石油大学(北京) | 内外相异的pdc钻头及pdc钻头的制造方法 |
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2020
- 2020-10-14 CN CN202011099060.5A patent/CN112127799A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114776226A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-22 | 中国石油大学(北京) | 内外相异的pdc钻头及pdc钻头的制造方法 |
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