CN112177539B - 一种具有水压致裂功能的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有水压致裂功能的钻头，属于地质钻探技术领域，包括钻头本体、第一致裂机构、支撑机构和承托机构，第一致裂机构为多个，均设于钻头本体内部，可伸出钻头本体顶部并用于向具有缝隙的岩层缝隙内喷射高压水，用于支撑钻头本体，支撑机构内部设有用于致裂钻头本体圆周向上的岩层的第二致裂机构，第二致裂机构可伸出支撑机构并向钻头本体圆周向上岩层喷射高压水，承托机构与支撑机构可拆卸连接，用于承托支撑机构，承托机构底部用于连接钻杆。本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头，具有对钻头在钻进过程中能够先将具有缝隙的岩层致裂，提高对岩层的钻进速度和效率，提高总体施工进度的技术效果。

Description

一种具有水压致裂功能的钻头

技术领域

本发明属于地质钻探技术领域，更具体地说，是涉及一种具有水压致裂功能的钻头。

背景技术

钻头和PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是广泛应用于石油、地质领域的一种钻头，其具有较高的硬度、耐磨性和使用寿命。PDC钻头破碎岩石的主要方式是切削岩石，由于其一般具有3-7个刀翼，十几个复合片，岩石又是不均质的，因此PDC钻头在工作时存在剧烈的横向振动，削弱了破碎岩石的效率。钻头的旋转依靠钻杆的扭矩，钻头本身并不能产生自主转动，对于切削岩石来讲，全部依靠钻杆的扭矩来实现的，由于岩石为不均质的，而且钻头本身上没有其他功能，只能借助钻杆扭矩向岩石中钻进，对于有裂缝或裂纹的岩石，或松散岩石，采用普通的钻头就很容易钻进，但是对于较硬的岩石，其就不容易钻进，但是对于较硬的岩石而且具有裂纹或缝隙的岩石，现有技术中也是通过钻头来钻进，也没有其他很好的方式，能够先将岩石致裂，然后进行钻进，这就导致钻头的钻进效率低，不能根据多种不同特性的岩石进行钻进，影响对岩石的钻进进度。因此急需研究一种能够先对具有缝隙的岩石进行致裂，然后在致裂的岩石上进行钻进，这样可以很大程度上提高钻头的钻进进度和效率，缩短总工期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有水压致裂功能的钻头，旨在解决现有技术中的钻头在钻进岩石时缺少对岩石致裂，对岩石钻进效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种具有水压致裂功能的钻头，包括钻头本体、第一致裂机构、支撑机构和承托机构，钻头本体的顶部设有切削齿，用于切削钻进具有缝隙的地质岩层；第一致裂机构为多个，均设于所述钻头本体内部，所述第一致裂机构可伸出所述钻头本体顶部并用于向具有缝隙的岩层缝隙内喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙；支撑机构套设于所述钻头本体底部，用于支撑所述钻头本体，所述支撑机构与所述钻头本体同轴设置，所述支撑机构内部设有用于致裂所述钻头本体圆周向上的岩层的第二致裂机构，所述第二致裂机构可伸出所述支撑机构并向所述钻头本体圆周向上岩层喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙；承托机构设于所述支撑机构下端，与所述支撑机构可拆卸连接，所述承托机构用于承托所述支撑机构，所述承托机构底部用于连接钻杆。

作为本申请另一实施例，所述第一致裂机构和所述第二致裂机构分别通过管路与钻杆外侧的高压泵连通，所述管路穿过所述钻头本体、所述支撑机构和所述承托机构，所述高压泵用于向所述第一致裂机构和所述第二致裂机构内泵送高压水。

作为本申请另一实施例，在所述管路上设有缓冲罐，所述缓冲罐置于所述支撑机构内，所述缓冲罐内用于容纳被所述高压泵泵送的高压水，并缓冲高压水的冲击力，从所述缓冲罐输出的高压水流向所述第一致裂机构和所述第二致裂机构。

作为本申请另一实施例，所述第一致裂机构包括固定板、第一杆、第二杆、拨杆和喷头，固定板呈水平设置在所述钻头本体内部，上端沿水平方向均布有多个卡槽；第一杆的一端卡接在所述卡槽内、另一端为自由端且朝向远离所述固定板的上方，所述第一杆上端伸出所述钻头本体顶部；第二杆的一端用于与所述钻头本体内部铰接、另一端用于卡接所述第一杆的中部，所述第二杆用于支撑所述第一杆呈竖向或倾斜放置；拨杆穿过所述钻头本体壁，一端与所述第一杆的上端固定连接、另一端穿过所述钻头本体壁且伸出至所述钻头本体外侧，所述钻头本体上设有供所述拨杆穿过的条形通孔，拨动所述拨杆的外端，可驱动所述第一杆的上端绕所述第一杆的下端转动；喷头可拆卸连接于所述第一杆上端，与所述管路连通，所述喷头用于朝向岩层缝隙内喷射高压水，所述喷头的喷射方向借助于所述第一杆的转动调节。

作为本申请另一实施例，所述第一杆为伸缩式杆件，所述第一杆下端在多个所述卡槽内的卡接位置借助于所述第二杆调节，所述第二杆为伸缩式杆件，所述条形通孔为长条形通孔，在所述长条形通孔的两端下部设有弧形部，当所述第一杆转动时所述弧形部用于容纳所述拨杆，所述弧形部的设置范围与所述拨杆的拨动范围相适配。

作为本申请另一实施例，所述第一杆的下端设有辊子，所述辊子可卡接在不同位置的所述卡槽内，所述辊子的两端设有卡接部，所述卡接部可卡接在所述卡槽内，用于限位所述第一杆下端。

作为本申请另一实施例，所述支撑机构包括套筒和圆台，套筒的上端开口，用于套接在所述钻头本体底部，与所述钻头本体同轴设置，所述套筒壁内部设有中空腔室，所述第二致裂机构位于中空腔室内部且伸出中空腔室并朝向所述钻头本体外圆周向上喷射高压水；圆台呈倒立状，上端与所述套筒底端固定连接，下端用于与所述承托机构连接，所述圆台与所述套筒同轴设置，所述圆台用于支撑所述套筒，所述圆台外壁上设有外螺纹，所述管路依次穿过所述承托机构、所述圆台和所述套筒并至所述钻头本体内。

作为本申请另一实施例，所述第二致裂机构包括喷嘴和保径齿，喷嘴为多个，均固设于所述套筒外壁上，多个所述喷嘴分别与所述管路连通，所述管路内的高压水通过所述喷嘴喷向所述钻头本体外圆周向上的岩层；保径齿为多个，分别与多个所述喷嘴交错设置，所述钻头本体钻进时所述保径齿用于保护所述喷嘴。

作为本申请另一实施例，所述承托机构包括承托套和保径凸，承托套的截面呈U型，套接在所述圆台上，底部设有用于所述管路穿过的过孔，内设有内螺纹且与所述圆台外螺纹连接；保径凸为多个，均设于所述承托套的外圆周上，用于保持所述承托套在旋转过程中平稳。

作为本申请另一实施例，在所述钻头本体的中部一侧设有用于供所述管路漏出所述钻头本体的漏出部，所述漏出部内设有阀门，所述阀门置于所述管路上并用于控制所述管路通断。

本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种具有水压致裂功能的钻头，包括钻头本体、第一致裂机构、支撑机构和承托机构，钻头本体的顶部设有切削齿，用于切削钻进具有缝隙的地质岩层，第一致裂机构为多个，均设于钻头本体内部，第一致裂机构可伸出钻头本体顶部并用于向具有缝隙的岩层缝隙内喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙，支撑机构套设于钻头本体底部，用于支撑钻头本体，支撑机构与钻头本体同轴设置，支撑机构内部设有用于致裂钻头本体圆周向上的岩层的第二致裂机构，第二致裂机构可伸出支撑机构并向钻头本体圆周向上岩层喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙，承托机构设于支撑机构下端，与支撑机构可拆卸连接，承托机构用于承托支撑机构，承托机构底部用于连接钻杆，解决了现有技术中的钻头在钻进岩石时缺少对岩石致裂，对岩石钻进效率低的技术问题，具有对钻头在钻进过程中能够先将具有缝隙的岩层致裂，提高对岩层的钻进速度和效率，提高总体施工进度，同时还能延长钻头的使用寿命的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种具有水压致裂功能的钻头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种具有水压致裂功能的钻头的第一致裂机构结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种具有水压致裂功能的钻头的第一致裂机构底部侧视图。

图中：1、钻头本体；11、条形通孔；2、第一致裂机构；21、固定板；22、第一杆；23、第二杆；24、拨杆；25、喷头；26、卡槽；27、辊子；3、支撑机构；31、套筒；32、圆台；4、承托机构；41、承托套；42、保径凸；5、第二致裂机构；51、喷嘴；52、保径齿；6、管路；7、缓冲罐；8、阀门。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头进行说明。所述一种具有水压致裂功能的钻头，包括钻头本体1、第一致裂机构2、支撑机构3和承托机构4，钻头本体1的顶部设有切削齿，用于切削钻进具有缝隙的地质岩层；第一致裂机构2为多个，均设于钻头本体1内部，第一致裂机构2可伸出钻头本体1顶部并用于向具有缝隙的岩层缝隙内喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙；支撑机构3套设于钻头本体1底部，用于支撑钻头本体1，支撑机构3与钻头本体1同轴设置，支撑机构3内部设有用于致裂钻头本体1圆周向上的岩层的第二致裂机构5，第二致裂机构5可伸出支撑机构3并向钻头本体1圆周向上岩层喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙；承托机构4设于支撑机构3下端，与支撑机构3可拆卸连接，承托机构4用于承托支撑机构3，承托机构4底部用于连接钻杆。

本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头，与现有技术相比，本发明一种具有水压致裂功能的钻头，包括钻头本体1、第一致裂机构2、支撑机构3和承托机构4，钻头本体1的顶部设有切削齿，用于切削钻进具有缝隙的地质岩层，第一致裂机构2为多个，均设于钻头本体1内部，第一致裂机构2可伸出钻头本体1顶部并用于向具有缝隙的岩层缝隙内喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙，支撑机构3套设于钻头本体1底部，用于支撑钻头本体1，支撑机构3与钻头本体1同轴设置，支撑机构3内部设有用于致裂钻头本体1圆周向上的岩层的第二致裂机构5，第二致裂机构5可伸出支撑机构3并向钻头本体1圆周向上岩层喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙，承托机构4设于支撑机构3下端，与支撑机构3可拆卸连接，承托机构4用于承托支撑机构3，承托机构4底部用于连接钻杆，解决了现有技术中的钻头在钻进岩石时缺少对岩石致裂，对岩石钻进效率低的技术问题，具有对钻头在钻进过程中能够先将具有缝隙的岩层致裂，提高对岩层的钻进速度和效率，提高总体施工进度，同时还能延长钻头的使用寿命的技术效果。

本发明的钻头，可为PDC钻头，在钻头本体1上设有排屑槽、保径齿52、喷流孔，PDC钻头可以进行切削岩石或岩层，该钻头的操作原理参见现有技术中PDC钻头的操作方法，在此不再介绍，只是说明钻头本体1上具有水压致裂的功能，可以在原有的钻杆的基础上，对钻头本体1进行改进，并增加了对具有缝隙的岩层进行水压致裂，助力钻头本体1的切削破碎，从而可将岩石快速破碎，提高对岩石的破碎效率和进度，能够适应于具有缝隙或裂纹的岩石的切削钻进工作，从而可满足对具有缝隙或裂纹的岩层或岩石切削钻进，从而可保证钻头本体1的切削效率。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第一致裂机构2和第二致裂机构5分别通过管路6与钻杆外侧的高压泵连通，管路6穿过钻头本体1、支撑机构3和承托机构4，高压泵用于向第一致裂机构2和第二致裂机构5内泵送高压水。高压泵输送高压水的压力为现有技术中对岩层进行水压致裂的高压水压力，高压水能够喷射至岩层缝隙内，撑开缝隙，这样提高对与岩层破碎效率，然后通过钻头本体1的钻进，可以方便的钻进，钻头本体1作用于岩层上的扭矩就比没有被水压致裂的岩层上的扭矩小很多，进而可延长了钻头本体1的使用寿命。

具体的，管路6为耐高压管路6。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，在管路6上设有缓冲罐7，缓冲罐7置于支撑机构3内，缓冲罐7内用于容纳被高压泵泵送的高压水，并缓冲高压水的冲击力，从缓冲罐7输出的高压水流向第一致裂机构2和第二致裂机构5。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第一致裂机构2包括固定板21、第一杆22、第二杆23、拨杆24和喷头25，固定板21呈水平设置在钻头本体1内部，上端沿水平方向均布有多个卡槽26；第一杆22的一端卡接在卡槽26内、另一端为自由端且朝向远离固定板21的上方，第一杆22上端伸出钻头本体1顶部；第二杆23的一端用于与钻头本体1内部铰接、另一端用于卡接第一杆22的中部，第二杆23用于支撑第一杆22呈竖向或倾斜放置；拨杆24穿过钻头本体1壁，一端与第一杆22的上端固定连接、另一端穿过钻头本体1壁且伸出至钻头本体1外侧，钻头本体1上设有供拨杆24穿过的条形通孔11，拨动拨杆24的外端，可驱动第一杆22的上端绕第一杆22的下端转动；喷头25可拆卸连接于第一杆22上端，与管路6连通，喷头25用于朝向岩层缝隙内喷射高压水，喷头25的喷射方向借助于第一杆22的转动调节。第一杆22倾斜后，则喷头25也倾斜，可以调节对喷射方向，通过调节第一杆22位于某一位置的卡槽26上，再通过第二杆23的配合调节，可使第一杆22倾斜设置，便于调节对喷头25的喷射方向。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第一杆22为伸缩式杆件，第一杆22下端在多个卡槽26内的卡接位置借助于第二杆23调节，第二杆23为伸缩式杆件，条形通孔11为长条形通孔11，在长条形通孔11的两端下部设有弧形部，当第一杆22转动时弧形部用于容纳拨杆24，弧形部的设置范围与拨杆24的拨动范围相适配。操作时，打开钻头本体1，第一杆22和第二杆23伸缩后的长度都可锁定，因此可调节对喷头25的喷射方向或位置，喷头25的喷射位置和方向调节好以后，关闭钻头本体1，则此时喷头25的位置被锁定，喷头25朝着固定的方向喷射。通过拨杆24在钻头本体1的外侧，也可以调节第一杆22的倾斜角度或方向。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第一杆22的下端设有辊子27，辊子27可卡接在不同位置的卡槽26内，辊子27的两端设有卡接部，卡接部可卡接在卡槽26内，用于限位第一杆22下端。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，支撑机构3包括套筒31和圆台32，套筒31的上端开口，用于套接在钻头本体1底部，与钻头本体1同轴设置，套筒31壁内部设有中空腔室，第二致裂机构5位于中空腔室内部且伸出中空腔室并朝向钻头本体1外圆周向上喷射高压水；圆台32呈倒立状，上端与套筒31底端固定连接，下端用于与承托机构4连接，圆台32与套筒31同轴设置，圆台32用于支撑套筒31，圆台32外壁上设有外螺纹，管路6依次穿过承托机构4、圆台32和套筒31并至钻头本体1内。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第二致裂机构5包括喷嘴51和保径齿52，喷嘴51为多个，均固设于套筒31外壁上，多个喷嘴51分别与管路6连通，管路6内的高压水通过喷嘴51喷向钻头本体1外圆周向上的岩层；保径齿52为多个，分别与多个喷嘴51交错设置，钻头本体1钻进时保径齿52用于保护喷嘴51。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，承托机构4包括承托套41和保径凸42，承托套41的截面呈U型，套接在圆台32上，底部设有用于管路6穿过的过孔，内设有内螺纹且与圆台32外螺纹连接；保径凸42为多个，均设于承托套41的外圆周上，用于保持承托套41在旋转过程中平稳。

作为本发明提供的一种具有水压致裂功能的钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，在钻头本体1的中部一侧设有用于供管路6漏出钻头本体1的漏出部，漏出部内设有阀门8，阀门8置于管路6上并用于控制管路6通断。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，包括：

钻头本体，顶部设有切削齿，用于切削钻进具有缝隙的地质岩层；

第一致裂机构，为多个，均设于所述钻头本体内部，所述第一致裂机构可伸出所述钻头本体顶部并用于向具有缝隙的岩层缝隙内喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙；

支撑机构，套设于所述钻头本体底部，用于支撑所述钻头本体，所述支撑机构与所述钻头本体同轴设置，所述支撑机构内部设有用于致裂所述钻头本体圆周向上的岩层的第二致裂机构，所述第二致裂机构可伸出所述支撑机构并向所述钻头本体圆周向上岩层喷射高压水，高压水用于致裂具有缝隙的岩层并扩大岩层缝隙；以及

承托机构，设于所述支撑机构下端，与所述支撑机构可拆卸连接，所述承托机构用于承托所述支撑机构，所述承托机构底部用于连接钻杆；

所述第一致裂机构和所述第二致裂机构分别通过管路与钻杆外侧的高压泵连通，所述管路穿过所述钻头本体、所述支撑机构和所述承托机构，所述高压泵用于向所述第一致裂机构和所述第二致裂机构内泵送高压水；

所述第一致裂机构包括：

固定板，水平设置在所述钻头本体内部，上端沿水平方向均布有多个卡槽；

第一杆，一端卡接在所述卡槽内、另一端为自由端且朝向远离所述固定板的上方，所述第一杆上端伸出所述钻头本体顶部；

第二杆，一端用于与所述钻头本体内部铰接、另一端用于卡接所述第一杆的中部，所述第二杆用于支撑所述第一杆呈竖向或倾斜放置；

拨杆，穿过所述钻头本体壁，一端与所述第一杆的上端固定连接、另一端穿过所述钻头本体壁且伸出至所述钻头本体外侧，所述钻头本体上设有供所述拨杆穿过的条形通孔，拨动所述拨杆的外端，驱动所述第一杆的上端绕所述第一杆的下端转动；以及

喷头，可拆卸连接于所述第一杆上端，与所述管路连通，所述喷头用于朝向岩层缝隙内喷射高压水，所述喷头的喷射方向借助于所述第一杆的转动调节。

2.如权利要求1所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，在所述管路上设有缓冲罐，所述缓冲罐置于所述支撑机构内，所述缓冲罐内用于容纳被所述高压泵泵送的高压水，并缓冲高压水的冲击力，从所述缓冲罐输出的高压水流向所述第一致裂机构和所述第二致裂机构。

3.如权利要求1所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，所述第一杆为伸缩式杆件，所述第一杆下端在多个所述卡槽内的卡接位置借助于所述第二杆调节，所述第二杆为伸缩式杆件，所述条形通孔为长条形通孔，在所述长条形通孔的两端下部设有弧形部，当所述第一杆转动时所述弧形部用于容纳所述拨杆，所述弧形部的设置范围与所述拨杆的拨动范围相适配。

4.如权利要求1所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，所述第一杆的下端设有辊子，所述辊子卡接在不同位置的所述卡槽内，所述辊子的两端设有卡接部，所述卡接部卡接在所述卡槽内，用于限位所述第一杆下端。

5.如权利要求1所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，所述支撑机构包括：

套筒，上端开口，用于套接在所述钻头本体底部，与所述钻头本体同轴设置，所述套筒壁内部设有中空腔室，所述第二致裂机构位于中空腔室内部且伸出中空腔室并朝向所述钻头本体外圆周向上喷射高压水；以及

圆台，呈倒立状，上端与所述套筒底端固定连接，下端用于与所述承托机构连接，所述圆台与所述套筒同轴设置，所述圆台用于支撑所述套筒，所述圆台外壁上设有外螺纹，所述管路依次穿过所述承托机构、所述圆台和所述套筒并至所述钻头本体内。

6.如权利要求5所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，所述第二致裂机构包括：

喷嘴，为多个，均固设于所述套筒外壁上，多个所述喷嘴分别与所述管路连通，所述管路内的高压水通过所述喷嘴喷向所述钻头本体外圆周向上的岩层；以及

保径齿，为多个，分别与多个所述喷嘴交错设置，所述钻头本体钻进时所述保径齿用于保护所述喷嘴。

7.如权利要求5所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，所述承托机构包括：

承托套，截面呈U型，套接在所述圆台上，底部设有用于所述管路穿过的过孔，内设有内螺纹且与所述圆台外螺纹连接；以及

保径凸，为多个，均设于所述承托套的外圆周上，用于保持所述承托套在旋转过程中平稳。

8.如权利要求1所述的一种具有水压致裂功能的钻头，其特征在于，在所述钻头本体的中部一侧设有用于供所述管路漏出所述钻头本体的漏出部，所述漏出部内设有阀门，所述阀门置于所述管路上并用于控制所述管路通断。

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