CN116075626A - 切出的钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头，包括柄部和钻头头部，该柄部和钻头头部均以纵向轴线为中心；其中钻头头部具有保径部和前部面，该前部面带有邻近所述保径部的外围边缘，该外围边缘具有直径D1，且所述外围边缘内的面积限定了所述前部面的总面积；其中所述前部面具有在其径向最内区段处的中心岛部、在其邻近所述外围边缘的径向最外区段处的多个外围平台，以及径向定位于所述中心岛部和所述外围平台之间的凹进区段；其中所述中心岛部和所述外围平台相比于所述凹进区段轴向凸起；其中多个内部前嵌入件定位于所述中心岛部上，并且至少一个外部前嵌入件定位于每个所述外围平台上；其特征在于，所述凹进区段的面积大于所述前部面的总面积的面积的62％。

Description

切出的钻头

技术领域

本发明涉及用于冲击凿岩工具的钻头，更具体地说，涉及使用硬质嵌入件(inserts)的这种钻头。

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和用于形成深钻孔。对于后一种应用，通常使用钻柱，其中多个钻杆相互连接起来，以推进钻头并增加孔的深度。在“顶部锤钻凿”中，地面机器可操作用以将组合的冲击和旋转驱动运动传递到钻柱的上端，同时定位于下端的钻头可操作用以破碎岩石并形成钻孔。在“潜孔”钻凿中，冲击不是通过钻柱的上端传递的，而是通过锤传递的，该锤在孔内直接连接到钻头。

钻头通常包括安装有多个硬质切削嵌入件(通常称为球齿)的钻头部。这种嵌入件包括基于碳化物的材料，以提高钻头的寿命。通常，钻头包括周向分布在头部的外周界的多个保径嵌入件，这些保径嵌入件被构造用以接合待破碎的材料并确定钻孔的直径。该头部还安装有多个前嵌入件，这些前嵌入件设置在头部的前部面，以用于在钻凿的轴向最前区域处接合待破碎的材料。一个或多个流动开口通常延伸穿过钻头的长度，并通向形成在钻头头部的前表面中的流动通道。冲洗流体通过附接到钻头上的钻管而被引入钻凿部位，并且碎屑通过沿着钻头头部的侧面形成的轴向延伸的凹槽而从钻凿部位被冲洗掉。

问题是：当切削嵌入件磨损时，钻的前部面上的钢与被钻凿的岩石接触。这是不希望的，因为这样被钻凿的岩石将不会以有效的方式破碎岩石，因此钻凿速度将会降低。

一些已知的设计具有这样的前嵌入件，该前嵌入件布置成使得多个内部前嵌入件定位在凸起的中心岛部上并且多个外部前嵌入件定位在凸起的外部前部面区段上，并且在它们之间定位有凹进区段，该凹进区段连接到钻头头部的侧面上的凹槽，以便于从钻头的前部面冲走碎屑并避免当嵌入件磨损时钢与岩石接触。然而，仍然需要进一步改善避免钢接触，以进一步提高钻凿效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种新颖且改进的设计，该设计降低了当嵌入件磨损时钢与岩石接触的风险。该目的通过提供一种钻头来实现，该钻头包括柄部和钻头头部，所述柄部和钻头头部都以纵向轴线为中心；其中钻头头部具有保径部和前部面，该前部面带有邻近保径部的外围边缘，该外围边缘具有直径D1，并且所述外围边缘内的面积限定了前部面的总面积；其中前部面具有在其径向最内区段处的中心岛部、在其邻近外围边缘的径向最外区段处的多个外围平台，以及径向定位于中心岛部和外围平台之间的凹进区段；其中中心岛部和外围平台相比于凹进区段轴向地凸起；其中多个内部前嵌入件定位于中心岛部上，并且至少一个外部前嵌入件定位于每个外围平台上；其特征在于，凹进区段的面积大于前部面的总面积的面积的62％。

有利地是，通过在钻头的前部面上使增加面积的钢凹进或切出增加面积的钢，当嵌入件磨损时，降低了钢与岩石接触的风险。避免钢与岩石接触是优选的，因为钢与岩石接触将会对钻凿性能产生负面影响。

优选地是，凹进区段的面积大于钻头头部的前部面的总面积的面积的63％。有利的是，这进一步降低了钢接触的风险。

优选地是，凹进区段的面积小于钻头头部的前部面的总面积的面积的80％。有利的是，这将为嵌入件提供更好的支撑，这将降低嵌入件脱离的风险。

优选地是，凹进区段在每个外围平台上的每个外部前嵌入件之间延伸到具有直径D2的凹进区段外边缘，其中D2大于D1的70％，更优选大于D1的80％。有利的是，这意味着来自前部面的更多的钢被去除，因此当嵌入件磨损时，钢与岩石接触的机会减少。

可选地是，D2高达D1的100％，换句话说，D2可以等同于D1。有利的是，最大面积的钢因此被去除，所以进一步降低了钢与岩石接触的风险。

优选地是，凹进区段在外围平台上的每个内部前嵌入件之间延伸至具有直径D3的凹进区段内边缘，其中D3小于D1的40％，优选地是小于D1的32％。有利的是，这意味着来自前部面的更多的钢被去除，因此当嵌入件磨损时，钢与岩石接触的机会减少。

优选地是，D3大于D1的10％，更优选地大是于D1的15％。有利的是，这意味着嵌入件周围有足够的钢来将它们牢固地保持在适当的位置。

优选地是，凹进区段距嵌入件至少1.0mm。有利的是，这确保了每个嵌入件周围有足够的钢来将它们牢固地保持在适当的位置。

优选地是，保径部具有侧表面，并且其中轴线和侧表面之间的角度α≥5°，更优选地是≥6°。有利的是，这增加了钢和岩石之间的间隙，这减少了反锥形(anti-taper)的发生，如果由于保径嵌入件磨损，钢接触岩石，就会发生反锥形。

优选地是，α≤12°，更优选≤9°。有利的是，这在保径嵌入件孔和保径部的侧表面之间提供了良好的支撑。

优选地是，有2至4个，更优选地是3个内部前嵌入件定位在中心岛部上。有利的是，这确保了嵌入件充分覆盖前部面。

优选地是，在每个外围平台上定位有1至3个，更优选2个外部前部面嵌入件。有利的是，这确保了嵌入件充分覆盖前部面。

优选地是，有3至8个外部外围平台。有利的是，这确保了嵌入件充分覆盖前部面。

优选地是，外围平台围绕每个外部前嵌入件的周围的至少10％、优选至少20％具有小于2.5mm、优选小于2.0mm的宽度。

优选地是，中心岛部围绕每个内部前嵌入件的周围的至少50％、优选至少60％具有小于2.5mm、优选小于2.0mm的宽度。

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：

图1是钻头的立体图。

图2是钻头头部的前部面的俯视图。

图3是钻头的横截面图。

具体实施方式

图1示出了包括钻头头部4和柄部6的钻头2，该钻头头部4和柄部6都以纵向轴线8为中心。头部4具有前部面10，该前部面10限定头部4的最前端。该前部面通常是圆锥形或截头圆锥形的，但也可以是任何其它形状，诸如平坦的、落心式的(drop centre)或凹形的。在前部面10上设置有多个孔，以用于接纳前嵌入件12(也称为球齿)，嵌入件12通常具有大致圆顶的形状，但是可以具有圆化形、圆锥形、弹道形、半球形、平坦的或尖的轴向向前的切削尖端。嵌入件12嵌入钻头头部，从而轴向突出于前部面10挺立。嵌入件12由非常硬的材料(诸如硬质合金)制成，而钻头2的其余部分将由不同的材料(通常是钢)制成。

保径部14围绕前部面10，该保径部14上设置有多个孔，以用于接纳保径嵌入件16，保径嵌入件16形成围绕钻头头部4的外围环。保径嵌入件16径向向外倾斜，从而是大致倾斜的并且从轴线8向外面向。凹槽18(也称为容屑槽)设置在相邻的外围保径嵌入件16之间的区域中，冲洗介质可以穿过该凹槽。

岩石钻头2将通过螺纹连接(未示出)联接到钻柱中的钻管或钻杆，或者联接到潜孔锤的驱动接头(未示出)，从而以通常的方式传递旋转运动。该钻管或钻杆包括通道，以用于将冲洗介质输送到钻头2的内部，然后通过定位于凹进区段22的冲洗孔20输送到前部面10。凹进区段22与凹槽18连通。换句话说，凹进区段22实际上是前部面10的被切掉的区段。然后，通常为水或空气的冲洗介质将碎屑从前部面10上的凹进区段22冲洗到凹槽18中，以便移除。

前部面10具有邻近保径部14的外围边缘24，其具有直径D1。存在外围平台26(也称为外部岛部或凸起的外部前部面区段)，其在每个凹槽18之间从外围边缘24延伸，相比于凹进区段22，该外围平台轴向凸起，使得其从凹进区段22直立。图1示出了存在三个外围平台26，其中凹进区段22在每个外围平台26之间突出，但是可以有不同数量的外围平台26，诸如两个、四个或五个。前部面10还具有中心岛部28(也称为中心平台)，与凹进区段22相比，该中心岛部28也轴向凸起，或者该中心岛部28也从凹进区段22轴线直立。在一个实施例中，中心岛部28基本上垂直于轴线8对齐，而外部外围平台26被倒角，以相对于轴线8向后成锥形，从而相对于中心岛部28倾斜。径向定位在中心岛部28和外围平台26之间的凹进区段22也被倒角，以相对于轴线8径向成锥形，从而相对于中心岛部28下倾，但是凹进区段22从轴线8延伸的下倾角度小于外围平台26相对于轴线8延伸的相应角度，这意味着前部面10基本上是圆顶形的。因此，中心岛部28、凹进区段22和外部岛部26共同形成从周界边缘24向前突出的、大致凸形或平坦的前部面10。

与已知的设计相比，凹进区段22的面积增加了。前部面10的总面积被认为是直到外围边缘24的面积。在本发明的一个实施例中，凹进区段22的面积大于前部面10的总面积的总体的62％，优选大于前部面10的总面积的总体的63％，甚至更优选大于前部面10的总面积的总体的64％。换句话说，前部面10的总面积的超过62％已经被轴向切出。

在一个实施例中，凹进区段22的面积小于前部面10的总面积的总体的80％，优选小于前部面10的总面积的总体的75％。

凹进区段22相对于中心岛部的深度通常为大约1-7mm，诸如大约3mm。可选地是，定位于中心岛部28和凹进区段22之间或外围平台26之间的过渡区域40可选地是具有半径或被倒角。

图2示出了定位于每个外围平台26上的多个外部前嵌入件30，通常每个外围平台26上有两个外部前嵌入件30，但是也可以是不同的数量，诸如一个或三个。外围平台26是围绕外部前嵌入件30的钢。外部前嵌入件30可以定位在离轴线8相同或不同的径向距离处。凹进区段22在每个外部前嵌入件30之间延伸到具有直径D2的凹进区段外边缘32。在一个实施例中，D2是D1的至少70％，优选是D1的至少80％。优选地是，凹进区段22的面积应该尽可能大，即，在每个相邻的外部前部面嵌入件30之间切出的钢的量应该尽可能大，但是同时留出围绕每个嵌入件的周围凸起的(即，不围绕每个外部前嵌入件30的边缘凹进的)至少1.0mm，诸如在1.0和5.0mm之间。D2可以高达D1的100％，换句话说，D1和D2可以是相等的。典型地是，有三个外围平台26，但是可以有不同的数量，诸如在3和8之间。

多个内部前嵌入件34定位在中央岛部28上，通常有三个内部前嵌入件34，但是也可以有不同数量的内部前嵌入件34，诸如两个或四个。优选地是，内部前嵌入件34定位在距轴线8相同的径向距离处，但是内部前嵌入件34也可以定位在距轴线8不同的径向距离处，彼此之间的最大距离为6mm。中心岛部28是围绕内部前嵌入件34的钢。凹进区段22在每个内部前嵌入件34之间延伸到具有直径D3的凹进区段内边缘36。在一个实施例中，D3小于D1的40％，优选小于D1的32％。在一个实施例中，D3大于10％，优选大于15％。优选地是，凹进区段22的面积应该尽可能大，即，在每对相邻的内部前部面嵌入件36之间切出的钢的量应该尽可能大，但是同时围绕每个内部前部面嵌入件36的周围留出至少1.0mm的凸起的钢，即，在每个外部前部面嵌入件30的边缘周围没有凹进。优选地是，围绕每个前部面嵌入件30的周围有不超过5.0mm的凸起的钢。

在一个实施例中，外围平台26围绕每个外部前嵌入件30的周围的至少10％、优选20％具有小于2.5mm、优选2.0mm的宽度。在一个实施例中，中心岛部28围绕每个内部前嵌入件34的周围的至少50％、优选60％具有小于2.5mm、优选2.0mm的宽度。

图3示出了钻头2的横截面。钻头头部间隙角度α是轴线8和保径部14的侧表面38之间的角度。在本发明的一个实施例中，α≥5°，优选≥6°。在本发明的一个实施例中，α≤12°，优选≤9°。

上文和下文描述的钻头2可以用于任何冲击钻凿设备(例如顶部锤钻或潜孔(DTH)钻)。

Claims (15)

1.一种钻头(2)，包括柄部(6)和钻头头部(4)，所述柄部(6)和所述钻头头部(4)都以纵向轴线(8)为中心；

其中所述钻头头部(4)具有保径部(14)和前部面(10)，所述前部面(10)带有邻近所述保径部(14)的外围边缘(24)，所述外围边缘(24)具有直径D1，且所述外围边缘(24)内的面积限定所述前部面(10)的总面积；

其中所述前部面(10)具有在其径向最内区段处的中心岛部(28)、在其邻近所述外围边缘(24)的径向最外区段处的多个外围平台(26)，以及径向定位在所述中心岛部(28)和所述外围平台(26)之间的凹进区段(22)；

其中所述中心岛部(28)和所述外围平台(26)相比于所述凹进区段(22)轴向地凸起；

其中多个内部前嵌入件(34)定位在所述中心岛部(28)上，并且至少一个外部前嵌入件(30)定位在所述外围平台(26)中的每一个外围平台上；

其特征在于：

所述凹进区段(22)的面积大于所述前部面(10)的总面积的面积的62％。

2.根据权利要求1所述的钻头(2)，其中，所述凹进区段(22)的面积大于所述钻头头部(4)的所述前部面(10)的总面积的面积的63％。

3.根据权利要求1或2所述的钻头(2)，其中，所述凹进区段(22)的面积小于所述钻头头部(4)的所述前部面(10)的总面积的面积的80％。

4.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，所述凹进区段(22)在所述外围平台(26)中的每一个外围平台上的所述外部前嵌入件(30)中的每一个嵌入件之间延伸到具有直径D2的凹进区段外边缘(32)，其中D2大于D1的70％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，D2高达D1的100％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，所述凹进区段(22)在所述外围平台(26)上的所述内部前嵌入件(34)中的每一个嵌入件之间延伸到具有直径D3的凹进区段内边缘(36)，其中D3小于D1的40％。

7.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中D3大于D1的10％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，所述凹进区段(22)距所述嵌入件(30，34)至少1.0mm。

9.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，所述保径部(14)具有侧表面(38)，并且其中所述轴线(8)和所述侧表面(38)之间的角度α≥5°。

10.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中α≤12°。

11.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，在所述中心岛部(28)上定位有2至4个内部前嵌入件(34)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，在所述外围平台(26)中的每一个外围平台上定位有1至3个外部前部面嵌入件(30)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，有3至8个外围平台(26)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，所述外围平台(26)围绕所述外部前嵌入件(30)中的每一个嵌入件的周围的至少10％具有小于2.5mm的宽度。

15.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(2)，其中，所述中心岛部(28)围绕所述内部前嵌入件(34)中的每一个嵌入件的周围的至少50％具有小于2.5mm的宽度。

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