CN113622827B - 一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头 - Google Patents

一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，包括钻头体和设置于钻头体端部的钻头胎体，钻头胎体包括多个环绕设置在钻头体上的扇形块，相邻的扇形块之间的间隙为水口，扇形块包括连接层和底刃层，所述底刃层包括多个凸起的弧形刃，所有弧形刃均以同心圆结构排布，每一所述弧形刃包括一耐磨片和金刚石胎体，位于同一扇形块上的所有耐磨片的上表面形成倾斜设置的楔面，每一所述金刚石胎体内设有一倾斜设置的加强层，所述加强层嵌入所述金刚石胎体内。本发明的金刚石钻头可破碎中硬及以上的岩石，且能有效提高金刚石钻头的钻进效率和使用寿命，有助于降低钻探工程成本。

Description

一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头
技术领域
本发明涉及地质钻探装置技术领域，尤其是涉及一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头。
背景技术
目前在地质钻探中，一般采用孕镶金刚石钻头来钻进坚硬及非常坚硬的岩石。在钻进过程中，岩石的硬度、裂隙度或破碎程度会对金刚石钻头的性能产生很大的影响。在钻进裂隙岩层或硬脆碎地层时会形成大量粗颗粒岩粉，它们不能及时、迅速地被钻井液带走，会使大量粗颗粒岩粉在钻头工作唇面上重复破碎，大大加剧了胎体和金刚石的磨损，很大程度上降低了钻头的钻进效率和使用寿命，增加了破岩的能耗。对于目前施工常用的同心圆齿金刚石钻头来说，其切削齿齿顶会被迅速地磨损，形成平面，极大地影响了钻头的钻进效率。
发明内容
有鉴于此，为有效破碎岩石，提高机械钻速，增加钻头进尺，降低钻进过程中的能耗。一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，包括钻头体和设置于钻头体端部的钻头胎体，所述钻头胎体包括多个环绕设置在钻头体上的扇形块，所有扇形块均间隔设置，相邻的扇形块之间的间隙为水口，所述扇形块包括连接层和底刃层，其中所述底刃层用于切削岩石，所述连接层用于将底刃层连接于钻头体上，所述底刃层包括多个凸起的弧形刃，所有弧形刃均以同心圆结构排布，每一所述弧形刃包括一耐磨片和金刚石胎体，位于同一扇形块上的所有耐磨片的上表面形成倾斜设置的楔面，每一所述金刚石胎体内设有一倾斜设置的加强层，所述加强层嵌入所述金刚石胎体内。
进一步地，所述钻头体为圆管体，所述钻头体远离所述钻头胎体的端部设有连接螺纹。
进一步地，所述加强层为双层结构，所述加强层包括垫片和衬片，垫片和衬片组成新的切削单元，所述垫片可采用聚晶金刚石材质，所述衬片的耐磨性高于其所在的金刚石胎体，所述衬片可采用金刚石复合片。
进一步地，所述扇形块的数量为六个，六个扇形块之间形成六个水口，所述水口的宽度均相等。
进一步地，位于同一扇形块上的相邻的弧形刃之间设有排屑槽。
本发明的有益效果为，本发明与现有的金刚石钻头相比具有如下优点：
1)本发明的钻头的扇形块上设有耐磨片，耐磨片可以保护含金刚石胎体不受岩屑的水力研磨作用，避免钻进时的动载对含金刚石胎体的负面作用；耐磨片为高低齿梳状形式，在钻井液经过扇形块的工作端面时，可以保证钻井液带动研磨性岩屑落入耐磨片之间的排屑槽中，减小磨性岩屑对钻头的磨损。
2)本发明的钻头的底刃层为弧形刃结构，弧形刃结构可减少钻头于井底岩石的接触面积，增加了钻进过程中钻头对井底岩石的单位压力，提高了钻头破碎岩石的能力。
3)本发明的钻头在钻进时，钻井液在耐磨片的楔形面上会产生水力动力学效应，可以在待破碎的岩石上产生有效预破碎区和破碎区，降低破碎岩石过程中的能耗量。
4)本发明的钻头的扇形块尾部安置的含有高强度衬片和与聚晶金刚石垫片的加强层组合形成切削单元，可对破碎的岩石进行二次破碎，同时加强层中衬片的耐磨性强，其磨损相对于金刚石胎体胎体的磨损较轻，在钻头钻进时加强层可与岩石保持接触，更有效地破碎岩石。
附图说明
图1是本发明实施例一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头的立体图。
图2是本发明实施例一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头的俯视图。
图3是本发明实施例一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头的右视图。
图中：1-钻头体，2-连接层，3-底刃层，31-耐磨片，32-金刚石胎体，33-垫片，34-衬片，35-排屑槽，4-水口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参照图1至图3，本发明的一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，包括钻头体1和设置于钻头体1端部的钻头胎体，所述钻头体1为圆管形，钻头体1远离钻头胎体的端部内壁设有用于连接岩心管或钻杆的连接螺纹。
所述钻头胎体包括多个扇形块，所有扇形块大小相等，且所有扇形块周向均匀固定连接于钻头体1端部，所有扇形块均间隔设置，相邻的扇形块之间的间隙为水口4，所有水口4的宽度均相等。本实施例中，所述扇形块的数量为六个，六个扇形块之间形成六个水口4，所述水口4用于在该钻头在钻井过程中使钻头内的钻井液排出。
所述扇形块包括连接层2和底刃层3，其中所述底刃层3用于切削岩石，所述连接层2用于将底刃层连接于钻头体1上，所述底刃层3包括多个凸起的弧形刃，所有弧形刃均以同心圆弧的方式排布于连接层2上，位于同一扇形块上的相邻的弧形刃之间设有排屑槽35，本实施例中，每一扇形块的底刃层3包括四个弧形刃，即所有扇形块上的所有弧形刃的刃部位于四个同心圆的圆弧线上。
每一弧形刃包括位于弧形刃前部的耐磨片31以及位于弧形刃后部的金刚石胎体32(钻头旋转时，弧形刃旋转前进方向为前方)，所述金刚石胎体32材质为含有金刚石材质的烧结料，所述耐磨层为不含金刚石材质的耐磨材料，金刚石胎体32和耐磨片31以焊接的方式焊接为一整体，所有耐磨片31的上表面为斜面，位于同一扇形块上的所有耐磨片31的上表面形成倾斜设置的楔面，每一金刚石胎体32内设有一倾斜设置的加强层，所述加强层嵌入所述金刚石胎体内，具体地，所述加强层包括垫片33和衬片34，其中衬片34位于垫片33后方，所述垫片33材质可为聚晶金刚石片材质，衬片34的耐磨性强于其所述的金刚石胎体32，所述垫片33材质可为金刚石符合片，垫片33和衬片34组合形成新的切削单元，可对岩石进行二次破碎。
本发明钻进裂隙硬岩层或硬脆碎地层的金刚石钻头在地层中工作过程如下：该钻头的钻头体1通过螺纹与岩心管钻杆上，岩心管或钻杆携带该钻头延伸到井底，且在钻机驱动下带动该钻头旋转，同时岩心管或钻杆中通入钻井液，钻井液不断地从水口4溢出，钻头钻进时，底刃层2对井底的岩石进行破碎，底刃层2的弧形刃结构降低钻头与岩石的接触面积，增加钻头对待破碎岩石的压强，提高钻头破碎岩石的能力；底刃层3前方的耐磨片31和后方的金刚石胎体32先后与岩石及钻井液进行接触，钻井液在经过耐磨片31时，产生水力动力学效应，使待破碎的岩石上形成有效预破碎区和破碎区，从而可以更有效切入和破碎岩石，同时金刚石胎体32内的垫片33、衬片34组合成切削单元可对破碎的岩石进行二次破碎，此外金刚石胎体内的衬片34的耐磨性强，其磨损相较于金刚石胎体32其余部分较轻，故在钻进时可以与待破碎的岩石保持接触，进而更有效对岩石进行破碎，提高机械钻速，增加钻头进尺。
使用这种结构的钻头可以破碎中硬及以上的岩石，能有效提高金刚石钻头的钻进效率和使用寿命，有助于降低钻探工程成本。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，其特征在于：包括钻头体和设置于钻头体端部的钻头胎体，所述钻头胎体包括多个环绕设置在钻头体上的扇形块，所有扇形块均间隔设置，相邻的扇形块之间的间隙为水口，所述扇形块包括连接层和底刃层，其中所述底刃层用于切削岩石，所述连接层用于将底刃层连接于钻头体上，所述底刃层包括多个凸起的弧形刃，所有弧形刃均以同心圆弧结构排布，每一所述弧形刃包括一耐磨片和金刚石胎体，位于同一扇形块上的所有耐磨片的上表面形成倾斜设置的楔面，每一所述金刚石胎体内设有一倾斜设置的加强层，所述加强层嵌入所述金刚石胎体内；所述加强层为双层结构，所述加强层包括垫片和衬片，所述垫片为聚晶金刚石材质，所述衬片的耐磨性高于其所在的金刚石胎体。
2.根据权利要求1所述的一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，其特征在于：所述钻头体为圆管体，所述钻头体远离所述钻头胎体的端部设有连接螺纹。
3.根据权利要求1所述的一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，其特征在于：所述扇形块的数量为六个，六个扇形块之间形成六个水口，所述水口的宽度均相等。
4.根据权利要求1所述的一种用于钻进裂隙硬岩层的金刚石钻头，其特征在于：位于同一扇形块上的相邻的弧形刃之间设有排屑槽。
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