CN113383143A - 用于旋转钻具的轴颈支腿和/或锥形切刀的插入件 - Google Patents

Abstract

一种插入件(10、20)，适于被安装在用于切割岩石的旋转钻具的轴颈支腿(5)的颈部(2)或锥形切刀(103)中，所述插入件适于加强所述轴颈支腿(5)的所述颈部(2)。所述插入件(10、20)具有蘑菇形状，包括帽部(16、26)和脚部(13、23)，该帽部(16、26)具有直径D1，并且该脚部(13、23)的直径D2小于该帽部(16、26)的直径D1。此外，一种用于切割岩石的旋转钻具的轴颈支腿(5)以及一种旋转钻具的锥形切刀(103)。

Description

用于旋转钻具的轴颈支腿和/或锥形切刀的插入件

技术领域

本发明涉及一种用于旋转钻具的插入件和一种包括插入件的旋转钻具。

背景技术

旋转钻已成为特定钻凿操作(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，所述三个轴颈支腿经由包括滚子和滚珠的轴承组件来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。切割作用通过产生轴向进给力和旋转驱动力来实现，这些轴向进给力和旋转驱动力经由首尾相联的钻杆来传递到钻头。锥形切刀中的每个锥形切刀都包括定位在不同的轴向区域处的外部安装的硬化切割球齿，用于在钻头旋转时优化切割。

在钻凿操作期间，轴颈支腿与孔壁接触。因此，该区域会受到过度磨损。

为了保护支腿，它们最靠近孔壁的区域通常覆盖有某种硬面层。用焊缝覆盖支腿是一种保护衬衣下摆部的已知解决方案。在US8,522,899中描述了示例旋转锥形钻头。

然而，已知的设计不够耐用。它们在很大程度上还涉及手动工作。当使用焊接时，焊接图案的布局会变化，这会导致厚度和硬度的不规则的磨损保护。焊接硬面层带来的另一个缺点是表面附着力并不总是令人满意。

另一个问题是，在钻凿期间，锥形切刀会因暴露于钻屑而受到高水平的磨损。锥形切刀中的沟部通常定位在第二排切割球齿和第三排切割球齿之间，其被设置用于帮助去除钻屑，特别容易导致高度暴露于钻屑和过度磨损。沟部可以是硬金属焊接的，以增加保护。然而，焊接保护带来的问题在于很难确定它是否足够得厚并且/或者是否有效附着。替代性地是，可以在沟部中结合附加的切割球齿，但是围绕切割球齿的钢制的环将会由于高度暴露于钻屑而很快磨损，因此切割球齿将会变得脱落。此外，不期望在沟部中使用切割球齿，因为它们突出超过锥形切刀中的沟部的表面，因为这将会减少供钻屑通过以被去除的可用空间。

因此，需要一种解决以上问题和缺点的钻具。

发明内容

本发明的目标是提供一种具有轴颈支腿的旋转钻具，该轴颈支腿被构造用于最大程度地保护轴颈支腿的颈部以免磨损。另一个具体目标是提供一种在制造中需要最少的手动工作量的轴颈支腿磨损保护装置，并且轴颈支腿磨损保护装置不会比用于钻凿的切割球齿磨损得更快。另一个具体目标是提供具有有效率的磨损保护装置的轴颈支腿，无论在什么地方应用，该有效率的磨损保护装置都还提供相同的保护，并且不会导致厚度或硬度的变化，或硬度、布局和设计的任何其它种类的变化。

根据本发明的第一方面，提供了一种插入件，该插入件适于被安装在用于切割岩石的旋转钻具的轴颈支腿的颈部或锥形切刀中，以提供增强的磨损保护，其特征在于，该插入件具有蘑菇形状，包括帽部和脚部，帽部具有直径，并且脚部的直径小于帽部的直径。当被安装在轴颈支腿的颈部中时，这种形状的插入件超出了插入件所位于的孔的直径，并且在轴颈支腿的颈部的表面上方提供了良好的磨损保护。当被安装在锥形切刀中时，这种形状的插入件提供更有效的磨损保护，并且在不降低钻屑去除效率的情况下提高旋转钻具的穿透率。

优选地是，插入件的脚部具有从其外端到帽部的接头部的一定长度。脚部具有渐缩外端。这导致插入件平滑地配合到孔中。

优选地是，插入件的帽部具有范围从1mm到4mm的从上侧到下侧的特定高度。更具体地是，该高度可以是2mm或3mm，或者它甚至可以大于4mm，诸如5mm或6mm。该高度为轴颈支腿提供了最佳保护。

可选地是，插入件具有带平坦的顶表面的帽部。该表面主要与轴颈支腿的表面平行。当在水平方向上执行钻凿时，这在某些类型的钻机(诸如，HDD)中提供了良好的磨损保护。

可选地是，插入件具有带圆化形的顶表面的帽部。可以使用任何类型的圆形，诸如锥形、球形、弹道形或尖圆形。圆化形具有平滑磨损保护的优点，这在诸如旋转钻凿的某些类型的钻凿中非常有用。

可选地是，插入件的帽部具有倒角的下侧。这确保了在孔中的良好配合。

优选地是，插入件的帽部的直径与脚部的直径的关系为1.5。这样可以很好地保护轴颈支腿的衬衣部(shirt)上的孔的周围。

优选地是，插入件的帽部的高度与脚部的长度的关系为30％至65％。该关系也可以是35％、40％、45％、50％、55％或60％。需要一定厚度的帽部，以便不阻碍磨损保护并且使磨损保护持续。帽部的高度与脚部的直径的关系在20％到40％的范围内，因此，它也可以是25％、30％或35％。帽部的高度与帽部的直径的关系在10％到25％的范围内，它也可以是15％或20％。

优选地是，插入件具有带有纵长延伸的脊部和沟部的脚部的周围或周界。这提供了良好的抓持力。它还导致减少制造时的手动工作。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括至少一个插入件的用于切割岩石的旋转钻具的轴颈支腿。

可选地是，旋转钻具的轴颈支腿包括布置在轴颈支腿的颈部处的多个插入件。这是经受大量磨损的区域，因此插入件提供了良好的保护。

可选地是，轴颈支腿包括布置在轴颈支腿的衬衣部处的至少四个插入件。该区域特别需要磨损保护，因此在该区域中布置插入件是有利的。

优选地是，轴颈支腿包括多个插入件，所述多个插入件布置在轴颈支腿的衬衣部处，使得帽部的外周围与衬衣部的外边缘相一致。插入件尽可能靠近边缘放置，以便以最好的可能方式保护特别需要磨损保护的区域。

优选地是，轴颈支腿包括多个插入件，所述多个插入件布置在轴颈支腿的衬衣部处，使得每个插入件的帽部的外周围布置成与相邻的插入件邻近或与相邻的插入件相距较短的距离。这确保了可靠的磨损保护。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于切割岩石的旋转钻具的锥形切刀，该锥形切刀包括至少一个插入件。

优选地是，旋转钻具的锥形切刀包括插入件中的至少一个插入件，所述至少一个插入件布置在锥形切刀的沟部中。这在锥形切刀的暴露于高水平磨损的区域中提供了磨损保护，而不会减少沟部内的容积，从而维持冲洗效率。

优选地是，旋转钻具的锥形切刀包括插入件中的至少一个插入件，所述至少一个插入件布置在锥形切刀的轴环中。这在锥形切刀的暴露于高水平磨损区域中提供了磨损保护。

附图说明

现在将仅通过举例的方式并且参考附图来描述本发明的具体实施方式，在附图中：

图1是安装在钻柱的一端处的旋转切割刀具的外部透视图；

图2是根据本发明的具体实施方式的图1的刀具的三个轴颈支腿中的一个轴颈支腿的透视图；

图3是轴颈支腿的插入件的一个实施例的侧视图；

图4是轴颈支腿的插入件的另一实施例的侧视图；

图5是根据本发明的又一实施例的锥形切刀的横截面；

图6是根据本发明的又一实施例的锥形切刀的透视图。

具体实施方式

参考图1，旋转切割刀具100形成为切割头并且包括在轴向向前位置处的切割端101和轴向向后附接端102，该轴向向后附接端102被构造用于安装在钻柱(未示出)的一端处，该钻柱形成经由钻机(未示出)操作的钻组件的组成部分，该钻机被构造用以提供刀具100的轴向和旋转驱动。刀具100包括三个轴颈支腿105，所述三个轴颈支腿105从附接端102轴向向前突出并且略微径向向外对齐，使得切割端101包括大体上比附接端102大的横截面。大体锥形的切刀103安装在每个轴颈支腿105的端部处，以便能够相对于支腿105旋转，并且能够相对于刀具100和钻柱(未示出)的总体旋转绕单独的轴线独立旋转。

每个锥形切刀103都包括大体锥形或圆顶形构造。在锥形切刀103的每个相应轴向方向上设置了通常由附图标记104指示的用于钻凿的多组切割球齿(图5和图6中所示)。每个切割球齿104都由基于耐磨硬质合金的材料形成并且可以包括任何已知的构型，包括半球形、锥形、弹道形、半弹道形或凿形。

在钻凿时，大量钻屑以与支腿105的颈部接触的关系经过。这导致支腿的表面过度磨损。支腿105可以通过沿着支腿105安装的相应保护装置110而受保护，以免于钻屑的侵蚀和磨蚀。每个支腿保护装置110可以是插入件，该插入件通过过盈配合而被安装在形成在相应支腿部分中的相应插座中。支腿保护装置通常沿着整个长度都具有与孔相同的直径。外端的直径通常与颈部的外表面齐平。

参考图2，其公开了本发明的轴颈支腿5。颈部2是支腿的离钻柱的附接端(参见图1中的102)最远的区域。在颈部的衬衣部3处附接有锥形切刀。在颈部表面上，靠近衬衣部3的磨损保护是很重要的，因为该区域中磨损严重。颈部表面设有多个孔4，用于接纳用作保护装置的插入件10、20。孔4沿其长度具有相同的直径，并且在靠近颈部表面处渐缩，如图2中所能见到的那样。在该图中，五个孔4，其中的四个被图示为具有被接纳在其中的插入件10、20。第五个孔也旨在接纳插入件10、20。具有保护性插入件的所述多个孔4可以散布遍及颈部表面的更大区域，例如如图1中所示，具有大量保护装置110。

图3公开了具有大致蘑菇形状的插入件10的第一实施例。插入件具有带有特定长度的脚部13(类似于图4中可见的)，帽部16连接在该脚部的顶部上。帽部的外径大于脚部的外径(类似于图4中可见的)。帽部的连接到脚部的下部18具有倒角形状，以平滑地配合到渐缩孔4中。脚部13的外径具有波浪形布局，其中脊部14和沟部15在脚部的除了下部之外的整个长度上围绕周界规则地散布。脚部的下部17具有渐缩段，其中径向方向上的渐缩比沟部15稍微更大或进入脚部的核心更深。这导致脚部的下部17没有脊部。脚部的长度L被定义为从限定下部17的末端的外端到脚部13与帽部16相交的地方。因此，脚部的长度L包括下侧的渐缩段。

在第一实施例的插入件的替代版本中，脚部可以被设计为没有沟部和脊部，使得除了渐缩下部之外，沿脚部的长度的直径是均匀的。

图3中所示的第一实施例使插入件的上侧外部作为帽部的平坦顶表面11。从侧面看，从脚部并且向上的帽部轮廓可以被描述为倒角的下部18，随后是帽部的外边缘12，该帽部的外边缘12代表帽部16的外径的周界。从侧面看到的帽部的外边缘12垂直于顶表面11，或者帽部的外边缘12可以说是平行于脚部的纵向轴线。帽部的轮廓还包括位于帽部的外边缘12和顶表面11之间的渐缩段。帽部16的高度H被定义为从在倒角的下部18和帽部的外边缘12的相交部中布置的水平面的点到代表顶表面11的水平面。倒角18配合到渐缩孔4中(图2中所见)。

图4公开了具有大致蘑菇形状的插入件20的第二实施例。插入件具有带有特定长度L的脚部23，帽部26连接在该脚部的顶部上。帽部的外径D1大于脚部的外径D2。帽部的连接到脚部的下部28具有倒角形状，以平滑配合到渐缩孔4中。脚部23的外径具有波浪形布局，其中脊部和沟部(类似于图3中的脚部的设计)在脚部的除了下部之外的整个长度上围绕周界规则地散布。脚部的下部具有渐缩段，其中径向方向上的渐缩比沟部稍微更大或进入脚部的核心更深。这导致脚部的下部没有脊部。如在第一实施例中那样，脚部的长度L被定义为从外端到脚部23与帽部26相交的地方。

也可能存在具有不带有脊部和沟部的脚部的第二实施例的替代性设计。这导致脚部在整个长度上都具有均匀的直径。然而，直径在渐缩的下部处减小。

图4中所示的第二实施例使插入件的上侧外部作为帽部的圆形顶表面21。顶表面21可以具有任何圆化形形状，诸如锥形、球形或类似形状。从侧面看，从脚部并且向上的帽部轮廓可以被描述为倒角的下部28，随后是帽部的外边缘22，该帽部的外边缘22代表帽部26的外径的周界。从侧面看，帽部的外边缘22与脚部的纵向轴线平行。然后，帽部的轮廓遵循圆化形的顶表面21，因此该圆化形与外边缘22相交。帽部26的高度H被定义为从在倒角的下部28和帽部的外边缘22的相交部中布置的水平面的点到沿圆化形的顶表面21的最上面点的切线的水平面。

帽部的外边缘12、22对应于帽部16、26的周围，该周围由外径(对应于D1，如图4中所见)限定。插入件的顶部的该外边缘12、22可以在轴颈支腿上布置成靠近相邻的插入件。一个插入件的外边缘12、22甚至可以布置成与下一个插入件相邻，使得它们之间只有很小的距离。因此，与相邻的插入件几乎处于触碰关系。彼此接着的两个插入件之间的距离也可以稍微更大，即：在轴颈支腿的衬衣下摆部2的边缘3更圆化的情况下，由于边缘3的曲率，插入件的相距距离将稍微更大。

图5和图6示出了插入件10、20的替代性用途，其中它们用于在锥形切刀103上提供磨损保护。在锥形切刀的底端处具有轴环106的锥形切刀103设置有以多个周向排布置的多个切割球齿104。锥形切刀103的表面设有多个孔4，用于接纳插入件10、20，以用作保护装置。插入件10、20可以设置在锥形切刀103的表面上需要额外磨损保护的任何地方。通常，存在凹陷沟部105，该凹陷沟部105通常定位在的第二排40的切割球齿104和第三排50的切割球齿104之间，以留出空间用于去除钻屑以及用于与邻近的锥形切刀103上的切割球齿104协作。优选地是，插入件10、20被设置在沟部105中，以在该区域中增加额外的磨损保护。插入件10、20可以附加地或替代性地设置在锥形切刀103的轴环106中，以在该区域或锥形切刀103的表面上的暴露于高磨损的任何其它区域中增加额外的磨损保护。

Claims (17)

1.一种插入件(10、20)，适于被安装在用于切割岩石的旋转钻具的轴颈支腿(5)的颈部(2)或锥形切刀(103)中，以提供增强的磨损保护，其特征在于：

所述插入件(10、20)具有蘑菇形状，包括帽部(16、26)和脚部(13、23)，所述帽部(16、26)具有直径(D1)，并且所述脚部(13、23)的直径(D2)小于所述帽部(16、26)的直径(D1)。

2.根据权利要求1所述的插入件(10、20)，其中，所述脚部(13、23)具有从其外端到所述帽部(16、26)的接头部的一定长度(L)；

并且其中，所述脚部(13、23)具有渐缩的外端(17)。

3.根据任一前述权利要求所述的插入件(10、20)，其中，所述帽部(16、26)具有范围从1mm到4mm的从上侧到下侧的特定高度(H)。

4.根据任一前述权利要求所述的插入件(10)，其中，所述帽部(16)具有平坦的顶表面(11)。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的插入件(20)，其中，所述帽部(26)具有圆化形顶表面(21)。

6.根据任一前述权利要求所述的插入件(10、20)，其中，所述帽部(16、26)具有倒角的下侧(18、28)。

7.根据任一前述权利要求所述的插入件(10、20)，其中，所述帽部(16、26)的直径(D1)与所述脚部(13、23)的直径(D2)的关系为1.5。

8.根据任一前述权利要求所述的插入件(10、20)，其中，所述帽部(16、26)的高度(H)与所述脚部(13、23)的长度(L)的关系为30％至65％。

9.根据任一前述权利要求所述的插入件(10、20)，其中，所述脚部(13、23)的周围/周界具有纵长延伸的脊部(14)和沟部(15)。

10.一种用于切割岩石的旋转钻具的轴颈支腿(5)，包括：

至少一个根据任一前述权利要求所述的插入件(10、20)。

11.根据权利要求10所述的旋转钻具的轴颈支腿(5)，包括多个插入件(10、20)，所述多个插入件(10、20)被布置在所述轴颈支腿(5)的颈部(2)处。

12.根据权利要求10或11中的任一项所述的旋转钻具的轴颈支腿(5)，包括至少四个插入件(10、20)，所述至少四个插入件(10、20)被布置在所述轴颈支腿(5)的衬衣部(3)处。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的旋转钻具的轴颈支腿(5)，包括多个插入件(10、20)，所述多个插入件(10、20)被布置在所述轴颈支腿(5)的衬衣部(3)处，使得所述帽部(16、26)的外周围与所述衬衣部(3)的外边缘相一致。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的旋转钻具的轴颈支腿(5)，包括多个插入件(10、20)，所述多个插入件(10、20)被布置在所述轴颈支腿(5)的衬衣部(3)处，使得每个插入件(10、20)的所述帽部(16、26)的外周围都被布置成与相邻的插入件(10、20)邻近或被布置成与所述相邻的插入件(10、20)相距较短的距离。

15.一种用于切割岩石的旋转钻具的锥形切刀(103)，包括：

至少一个根据权利要求1至9中的任一项所述的插入件(10、20)。

16.根据权利要求15所述的旋转钻具的锥形切刀(103)，包括插入件(10、20)中的至少一个插入件，所述至少一个插入件被布置在所述锥形切刀(103)的沟部(105)中。

17.根据权利要求15至16中的任一项所述的旋转钻具的锥形切刀(103)，包括插入件(10、20)中的至少一个插入件，所述至少一个插入件被布置在所述锥形切刀(103)的轴环(106)中。

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