CN112585333A - 带有弯曲的泥浆沟槽的钻头 - Google Patents

Abstract

一种冲击式钻头，具有头部和轴向向后的裙部。多个肋在所述裙部处径向向外凸出并限定纵长延伸的通道。所述肋和所述通道在所述纵长方向上弯曲或成角度，以偏离所述钻头的纵向轴线，从而便于细屑和冲洗流体的向后输送。

Description

带有弯曲的泥浆沟槽的钻头

技术领域

本发明涉及一种岩石钻头，并且特别地是但非排它地是，涉及一种冲击式岩石钻头，其具有头部和轴向向后的裙部，纵长肋沿该裙部径向向外凸出，以限定被构造用于流体和切削下来的岩石的轴向向后输送的泥浆通道。

背景技术

冲击式钻头被广泛用于在坚硬的岩石中钻出相对较浅的孔以及用于形成深的钻孔。对于后一种应用，通常使用钻柱，其中随着孔深度的增加，多个钻杆经由螺纹接头首尾联接。地面机器可操作以将组合的冲击和旋转驱动运动传递到钻柱的上端，同时定位于下端处的钻头可操作以破碎岩石并形成钻孔。WO 2006/033606公开了一种典型的钻头，其包括安装多个硬切削刀片的钻头部，通常称为球齿。这种球齿包括碳化物基材料，以提高钻头的寿命。

流体通常通过钻柱冲洗，并经由钻头部中的孔在钻孔的底部处离开，以冲洗来自钻孔区域的岩屑，从而围绕钻柱的外部向后输送。

钻头钻入到岩石中的有效性取决于岩石碎片从切削区域的向后输送。与冲洗流体结合的切削下来的岩石通常形成泥浆，并且重要的是，在切削期间，所述泥浆被向后输送，以避免岩石的再破碎和钻头使用寿命的对应缩短。此外，除了增加钻头抽出期间钻孔可能坍塌的风险之外，未被输送的泥浆还起到堵塞孔和抑制钻头的轴向向后抽出的作用。因此，需要一种钻头来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻头，特别是冲击式岩石钻头，以有利于来自钻孔的向前的切削区域的通常为泥浆形式的冲洗流体和切削下来的岩石的轴向向后输送。

本发明的另一个目的是提供一种钻头，其将岩石碎片的不必要的再破碎或磨削最小化，以便延长钻头的使用寿命。

本发明的又一个目的是提供一种钻头，以有利于在向前钻孔之后的向后抽出，并在钻柱和钻头被向后抽出时防止钻孔坍塌。

这些目的通过提供一种钻头来实现，该钻头具有从切削头部轴向向后延伸的裙部，该裙部包括泥浆沟槽，该泥浆沟槽特别适于在钻头轴向向前钻孔和轴向向后抽出期间轴向向后输送岩石碎屑和冲洗流体两者。裙部处的泥浆沟槽由轴向延伸的肋限定，这些轴向延伸的肋在肋的纵长方向上在钻头头部和裙部的轴向最靠后的部分之间相对于钻头的纵向轴线弯折或弯曲，以便倾斜于纵向轴线排列。也就是说，限定泥浆沟槽(本文中称为通道)的肋具有长度分量，该长度分量可以被认为是偏转的，以便在周向方向上围绕轴线偏离。可选地是，肋和通道的纵长路径围绕轴线可以是螺旋形的。

根据本发明的第一方面，提供了一种钻头，包括：头部，该头部具有切削元件，以通过钻头绕其纵向轴线旋转来磨削岩石；裙部，该裙部从头部轴向向后延伸；多个肋，所述多个肋径向向外凸出并沿裙部轴向延伸，以限定轴向延伸的通道，所述肋和通道各自均具有在头部和裙部的轴向后端之间的方向上轴向延伸的长度；其特征在于：在纵长方向上，肋和通道的至少一部分是弯折的或弯曲的，使得所述肋或通道的所述纵长部分倾斜于纵向轴线。

肋和通道包括沿周向方向排列的对应宽度和沿径向方向延伸的深度。宽度和深度沿着肋和通道的长度可以是均匀的，或者可以是不均匀的。然而，在宽度和深度有任何变化的情况下，肋和通道在头部和裙部的轴向最靠后的部分之间的方向上沿着裙部的纵长路径与纵向轴线不平行，即倾斜于该纵向轴线，以便至少在一定程度上围绕轴线在周向方向上延伸。

在本说明书中提到的肋或通道倾斜于纵向轴线涵盖：肋和通道在其长度的至少一部分上不平行于钻头的纵向轴线排列。肋或通道相对于轴线的定向包括每个肋大致由前导面、前导边缘、棱面、尾部边缘和尾部面限定的大致定向。

这些面和边缘可以是线性的或弯曲的，但重要的是，至少一些或全部(在它们各自的轴向长度的至少一部分上)不平行于纵轴排列。

可选地是，肋和通道的倾斜于纵向轴线的所述部分定位于裙部的轴向后部处。可选地是，肋和通道的轴向前部大致平行于纵向轴线排列。线性轴向前部有效地提供切削下来的岩石和冲洗流体的即刻向后输送，同时肋和通道的倾斜排列的轴向后部有效地促使泥浆沿着螺旋或旋流路径从钻头向后在钻柱的外表面上行进。

可选地是，轴向后部在头部的轴向最靠后的区域和裙部的轴向后端之间延伸裙部长度的高达20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。优选地是，轴向后部在裙部的大部分长度上延伸。优选地是，轴向后部在头部的轴向最靠后的区域和裙部的轴向后端之间在裙部长度的30％至80％、40％至80％、50％至80％或50％至70％上延伸。

可选地是，肋和通道的所述纵长部分至少部分围绕轴线是螺旋形的。这种排列有效地提供了沿钻孔轴向向后的非线性泥浆流动，并避免了钻头在抽出期间被卡住。

优选地是，每个肋包括由径向向外面向的棱面分开的前导面和尾部面，所述前导面和尾部面至少部分地限定所述通道。任何通道内的从前导面到尾部面的过渡均可以在每个通道的凹槽区域上连续弯曲。

优选地是，在纵长方向上，肋的前导面和尾部面两者都围绕轴线在相同的周向方向上弯折或弯曲，以便倾斜于纵向轴线排列。这种布置结构有效地将冲洗流体和切削下来的岩石适当地引导到可以被认为是钻柱外表面上的螺旋或旋流路径中。

优选地是，在纵长方向上，在棱面和相应的前导面和尾部面之间的连结处的肋的前导边缘和尾部边缘的至少一部分是弯折的或弯曲的，以便倾斜于纵向轴线排列。优选地是，前导边缘和尾部边缘的倾斜于纵向轴线的所述部分定位于裙部的轴向后部处。

优选地是，在垂直于纵向轴线的横截面处，前导面大致垂直于钻头围绕纵向轴线的旋转方向排列。这种构造有利于在孔内引起泥浆沿周向方向(近似螺旋流动路径)流动。可选地是，在垂直于纵向轴线的横截面中，尾部面横向于钻头的旋转方向和/或倾斜于前导面排列。

可选地是，肋弯折或弯曲使得它们的长度在周向方向上偏离的角度相对于纵向轴线在1°至20°、1°至18°、1°至16°、1°至14°、1°至12°、2°至12°、3°至10°、3°至8°或4°至6°的范围内。肋的这种倾斜排列通过适当地引导冲洗流体和切削下来的岩石轴向向后离开钻头而有效地防止了钻头在抽出期间被卡住。优选地是，钻头还包括内孔和通路，该通路从孔的前端轴向延伸，以在头部的前切削面处作为开口出现，至少其中的一些通道与开口连通地沿着头部轴向延伸。可选地是，大约一半的通道被设置成与切削面处的开口连通。

优选地是，切削元件包括嵌入到头部中的切削球齿。根据常规布置结构，切削球齿可以由超硬碳化物材料形成。将可以理解的是，除了切削头部处不同的切削球齿分布之外，本发明的钻头可以包括任何头部结构。优选地是，切削球齿包括设置在切削面处的保径球齿、中间球齿和径向内部球齿。

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施方式，在附图中：

图1是根据本发明具体实施方式的冲击式钻头的从上方看的透视图；

图2是图1的钻头的侧视透视图；

图3是图2的钻头的从下方看的透视图；

图4是图3的钻头的后端透视图；并且

图5是图3的钻头的横截面透视图。

具体实施方式

参考图1至图3，冲击式钻头10包括切削头部11，伸长裙部12从切削头部11轴向向后延伸。头部11包括面向前的切削面13，根据具体实施方式，该切削面13在向前的切削方向上呈圆顶形。如将理解的那样，多个超硬切削球齿被嵌入到切削面13中，并且包括径向外部保径14a和内部球齿14b。头部11设有突起的环形肩部16，该环形肩部16的轴向前部区域安装有保径球齿14a。

参考图5，裙部12是中空的，并且包括以钻头10的纵向轴线19为中心的内孔26。一组冲洗流体通路27从孔26的前端28轴向向前延伸，以在切削面13处作为开口15出现。根据具体实施方式，提供了与孔26连通以在切削面13处出现的三个流体通路。相应的沟槽或通道18a在从轴线19到头部的肩部16的方向上从每个开口15径向向外凸出。通道18a凹入到切削面13并且还有肩部16中，以沿着裙部12的整个轴向长度从头部11轴向向后延伸。钻头10包括两种类型的冲洗沟槽，这两种类型的冲洗沟槽包括第一通道18a和第二通道18b，该第一通道18a与每个相应的通路27(和开口15)流体连通，该第二通道18b在其轴向前端处终止于颈部12d处并且不朝向轴线19在面13的中间区域上延伸。

参考图1和图3，裙部12包括轴向长度，其以轴线19为中心，并且在裙部12的颈部12d(代表肩部16的轴向最靠后的区域)和裙部12的轴向最靠后的端部12e之间延伸。沿着裙部12的长度，该裙部12可以被认为被分成多个轴向段，该多个轴向段由裙部12(在每个段内)的最大外径限定。紧邻颈部12d轴向后方的第一段12a包括最小直径；第二中间段12b相对于第一段12a径向扩大，并且轴向最靠后的第三段12c相对于第一段12a和第二段12b径向扩大。相应的环形台阶区域29提供了不同直径段12a、12b、12c之间的过渡。

沿着裙部12的长度在颈部12d和后端12e之间的每个通道12a、12b通过通常由附图标记17表示的轴向延伸的肋限定(即，侧面相接)。也就是说，肋17从头部11到裙部后端12e延伸裙部12的整个长度。每个肋17沿周向方向的厚度是不均匀的，并且在颈部12d和裙部后端12e之间沿轴线19的方向变化。此外，每个肋17沿其纵长方向在颈部12d和裙部后端12e之间弯曲(替代地是被称为成角度或弯折)，以便在周向方向上偏离或偏转。根据具体实施方式，每个肋17在向后的第二段12b和第三段12c内弯折，但是在紧邻头部11后面的轴向向前段12a内基本上是线性的。因此，通道18a、18b也是弯折的(替代地是被称为成角度或弯曲)，以便在第二段12b和第三段12c内沿周向方向偏离。这样，(在段12b、12c内的)肋17和通道18a、18b的轴向长度的至少一部分倾斜于轴线19排列。根据具体实施方式，(在段12b、12c内的)肋17和通道18a、18b在第一段12a的后端和裙部后端12e之间遵循围绕轴线19的部分螺旋路径。

参考图2，每个肋17沿其纵长方向从轴线19弯折或偏转(以便倾斜于/不平行于轴线19)的角度θ可以在1°至20°、3°至10°或3°至8°的范围内。这种偏离指的是肋17在第二段12b和第三段12c内的大致纵长路径。如图2中所示，组合的后部段12b、12c代表裙部12的大部分长度，因为每个段12a、12b、12c通常代表裙部12的长度的相应三分之一。肋17(和通道18a、18b)相对于轴线19倾斜的轴向长度可以在20％至100％、30％至90％、40％至80％或50％至70％的范围内。

参考图2至图4，每个肋17和通道18a、18b可以进一步限定成包括径向最内侧的凹槽22，该径向最内侧的凹槽22在纵长方向上在第一侧处由前导面20侧面相接，并且在相反侧处由尾部面25侧面相接。面20、25参考旋转方向R命名(图4)。每个肋17包括棱面23，该棱面23代表裙部12在每个段12a、12b、12c内的径向最外侧区域。棱面23在每一侧(沿围绕轴线19的周向方向)终止于前导边缘21和尾部边缘24，该前导边缘21位于与前导面20的连结处，该尾部边缘24位于与尾部面25的连结处。

每个肋17和通道18a、18b倾斜于轴线19延伸的角度θ可以相对于肋17和通道18a、18b的大致纵长路径或者参考凹槽22、前导面20、前导边缘21、棱面23、尾部边缘24和/或尾部面25的相对定向来限定。根据具体实施方式，尾部边缘24相对于前导边缘21以更大的角度弯折，使得每个肋17在周向方向上的厚度在第二段12b和第三段12c上朝向裙部后端12e在轴向向后方向上减小。因此，每个通道18a、18b在周向方向上的宽度在段12b、12c上在轴向向后方向上增加。在前导边缘21和/或尾部边缘24沿它们的长度弯曲的情况下，前导边缘21的半径可以大于尾部边缘24的对应半径，以便提供对应的前导面20和尾部面25的非平行布置结构。

参考图4，前导面20至少包括径向外部部分，该径向外部部分在径向辐条30上排列并垂直于旋转方向R，以便垂直于以轴线19为中心的假想圆的切线排列。尾部面25横向于辐条30和前导面20排列，以便从棱面23径向向内倾斜。

所述肋17和通道18a、18b中的每一个至少在第二段12b和第三段12c内的非线性纵长路径有利于促进与冲洗流体混合的切屑的轴向向后输送，这通常被表示为泥浆。也就是说，肋17和通道18a、18b的成角度或弯曲的纵长定向有利于泥浆从头部11处的切削区域向后通过并沿成形的孔轴向向后通过。此外，肋17和通道18a、18b的倾斜排列有利于钻头10的轴向向后抽出，钻头10在抽出期间也在方向R上旋转。从裙部12的外部区域周围和在头部11处移除切屑和冲洗流体，除了使抽出期间可能的孔坍塌最小化之外，还降低了钻头10在抽出期间卡在孔内的风险。

根据进一步的实施例，肋17和通道18a、18b的弯曲或成角度的纵长偏离可以在颈部12d和后端12e之间延伸裙部12的整个轴向长度。每个肋17相对于轴线19排列的角度对于所有肋17并且在每个肋17的所有区域处可以是相同的，或者偏离的角度对于不同的肋17并且在每个肋17的不同区域处可以是不同的。因此，每个通道18a、18b的宽度在颈部12d和裙部后端12e之间可以是相同的，或者可以在纵长方向上变化。

Claims (15)

1.一种钻头(10)，包括：

头部(11)，所述头部(11)具有切削元件(14a，14b)，以通过所述钻头(10)围绕其纵向轴线(19)的旋转来磨削岩石；

裙部(12)，所述裙部(12)从所述头部(11)轴向向后延伸；

多个肋(17)，所述多个肋(17)径向向外凸出并沿所述裙部(12)轴向延伸，以限定轴向延伸的通道(18a、18b)，所述肋和所述通道各自均具有沿在所述头部(11)和所述裙部(12)的轴向后端(12e)之间的方向轴向延伸的长度；

其特征在于：

在所述纵长方向上，所述肋(17)和所述通道(18a、18b)的至少一部分弯折或弯曲，使得所述肋(17)或所述通道(18a、18b)的所述纵长部分倾斜于所述纵向轴线。

2.根据权利要求1所述的钻头，其中，所述肋(17)和所述通道(18a、18b)的倾斜于所述纵向轴线(19)的所述部分定位于所述裙部(12)的轴向后部处。

3.根据权利要求2所述的钻头，其中，所述肋(17)和所述通道(18a、18b)的轴向前部大致平行于所述纵向轴线(19)排列。

4.根据权利要求2或3所述的钻头，其中，所述轴向后部在所述头部(11)的轴向最靠后的区域(12d)和所述裙部(12)的所述轴向后端(12e)之间延伸所述裙部的长度的高达20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述肋和所述通道的所述纵长部分围绕所述轴线(19)是至少部分螺旋形的。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，每个肋包括由径向向外面向的棱面(23)分开的前导面(20)和尾部面(25)，所述前导面(20)和所述尾部面(25)至少部分地限定所述通道(18a、18b)。

7.根据权利要求5所述的钻头，其中，在所述纵长方向上，所述肋(17)的所述前导面(20)和所述尾部面(25)二者均围绕所述轴线(19)在相同的周向方向上弯折或弯曲，以便倾斜于所述轴线(19)排列。

8.根据权利要求6或7所述的钻头，其中，在所述纵长方向上，在所述棱面(23)和相应的所述前导面(20)和所述尾部面(25)之间的连结处的所述肋(17)的前导边缘(21)和尾部边缘(24)的至少一部分弯折或弯曲，以便倾斜于所述轴线(19)排列。

9.根据权利要求8所述的钻头，其中，所述前导边缘(21)和所述尾部边缘(24)的倾斜于所述轴线(19)的所述部分定位于所述裙部(12)的轴向后部处。

10.根据从属于权利要求6时的前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，在垂直于所述纵向轴线的横截面处，所述前导面(21)大致垂直于所述钻头围绕所述轴线(19)的旋转方向(R)排列。

11.根据权利要求10所述的钻头，其中，在垂直于所述轴线(19)的所述横截面中，所述尾部面(25)横向于所述钻头(10)的所述旋转方向(R)和/或倾斜于所述前导面(20)排列。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述肋(17)弯折或弯曲使得所述肋(17)的长度在周向方向上偏离的角度(θ)相对于所述轴线(19)在1°至20°的范围内。

13.根据权利要求12所述的钻头，其中，所述范围为3°至10°、3°至8°或4°至6°。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头，包括内孔(26)和通路(27)，所述通路(27)从所述孔(26)的前端(28)轴向延伸，以在所述头部(11)的前切削面(13)处作为开口(15)出现，所述通道(18a)中的至少一些通道与所述开口(15)连通地沿着所述头部(11)轴向延伸。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的钻头，其中，所述切削元件包括嵌入到所述头部(11)中的切削球齿(14a、14b)。

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