CN208330197U - 边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头 - Google Patents
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Abstract
边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，涉及干热岩钻探钻具技术领域，包括钻头体、中心空气流道、清洗孔底岩屑的空气流道、球齿、边齿及拉瓦尔喷管，拉瓦尔喷管的数量与边齿数量相同且一一对应，拉瓦尔喷管的进气端与中心空气流道相通，位于拉瓦尔喷管端部的喷射孔设置在边齿附近，拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线具有夹角。本实用新型的钻头可在风动潜孔锤钻进干热岩过程中，中心空气流道中的部分高温气流通过拉瓦尔喷管，速度增加，温度降低40℃～70℃，拉瓦尔喷管喷射超音速低温气体对边齿进行强制冷却，同时还可以对边齿周围干热岩体进行急速冷却降低干热岩的破坏强度并产生裂纹，提高干热岩钻进的效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及干热岩钻探钻具技术领域，特别是涉及一种用于提高干热岩钻进速度，延长钻头寿命的边齿强冷型干热岩气动潜孔锤钻头。
背景技术
地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。与水热型地热资源相比，更多的地热能储存于地下无水或少水的高温岩体中形成干热岩型地热资源。
钻井是干热岩开发的关键环节。目前，干热岩开发过程中，钻井成本占到总成本的70％左右。过高的钻井成本与较长的钻井周期严重制约了干热岩的大规模开发利用。
目前钻井成本居高不下，对干热岩开发有严重制约的原因主要分为两种：一是干热岩地层多为高温高压下形成的火成岩与变质岩，如花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、玄武岩等，地层研磨性强、可钻性差，一些岩层单轴抗压强度可达230MPa以上。二是常规回转钻进方法，碎岩效率低，钻头磨损快。运用潜孔锤钻进技术为大幅提高干热岩硬岩钻进效率提供了可能。在潜孔锤钻进干热岩地层中，由于干热岩岩体多为致密的研磨性较大的花岗岩，在凿岩过程中合金齿与岩石之间的撞击和摩擦导致合金表面温度升高，加上干热岩钻井深度较大，钻孔深部温度较高，在接触压力、速度和频率都很高的情况下，钻头边齿就会产生热疲劳，这种不利的影响会直接降低钻头的使用寿命，增加钻进成本，钻井事故发生的概率也会增大。现有钻头的冷却方式大多为井底流体自然流动冷却，但这种方式的换热速度慢，降温性能不佳，对于降低干热岩钻井井底钻头边齿的高温，提高钻进效率，延长钻头寿命还远达不到预期的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有干热岩钻井中潜孔锤钻头边齿磨损严重导致钻头寿命缩短的不足及干热岩碎岩效率低下等问题，提供一种新型可靠的用于提高钻进速度的边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头。
为达到上述目的，本所实用新型采用如下的技术方案：边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于，包括：钻头体、中心空气流道、清洗孔底岩屑的空气流道、球齿、边齿及拉瓦尔喷管，所述中心空气流道设置在钻头体中部，并沿钻头体轴向布置；所述清洗孔底岩屑的空气流道与中心空气流道连通；所述球齿和边齿设置在钻头体底部工作端面上，其中边齿均匀布置在钻头体底部工作端面的边缘部；所述拉瓦尔喷管镶嵌在钻头体的底部，拉瓦尔喷管的数量与边齿数量相同且一一对应，拉瓦尔喷管的进气端与中心空气流道相通，位于拉瓦尔喷管端部的喷射孔与边齿之间的距离为4mm～15mm，拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线具有夹角，该夹角为锐角。
所述中心空气流道的直径与整个钻头体的最大径向距离比值为23％～45％。
所述拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线形成20°～70°的夹角。
所述喷射孔的形状为圆形。
所述拉瓦尔喷管通过孔用弹性挡圈进行位置固定。
通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：
1、本实用新型钻头体上拉瓦尔喷管的出口流向线与钻头体工作时运动方向所在直线具有夹角，保证角度的设置在冷却边齿周围的同时又能与周围干热岩体形成局部气幕。这样设置拉瓦尔喷管的角度既起到了冷却边齿的效果，又能够对岩体形成冷裂，降低岩体强度，提高碎岩钻进效率。
2、本实用新型钻头体上拉瓦尔喷管数量根据现有钻头边齿数量而设置，保证拉瓦尔喷管数量足够，在钻进过程中能对边齿进行冷却。
3、本实用新型钻头体上拉瓦尔喷管设置在钻头体边齿附近，在保证冷却效果的同时，尽量减少了拉瓦尔喷管的数量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：
图1为本实用新型边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头的实施例中钻头左视图；
图2为本实用新型边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头的实施例中钻头剖面图；
图3为图2中I处拉瓦尔喷管局部放大图。
图中各标记如下：1-钻头体，2-中心空气流道，3-清洗孔底岩屑的空气流道，4-边齿，5-喷射孔，6-拉瓦尔喷管，7-孔用弹性挡圈。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。
如图1、图2及图3所示，本实用新型提出了一种边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其包括钻头体1、中心空气流道2、清洗孔底岩屑的空气流道3、球齿、边齿4以及用于喷射低温气体的拉瓦尔喷管6，所述中心空气流道2设置在钻头体1中部，并沿钻头体1轴向布置；所述清洗孔底岩屑的空气流道3与中心空气流道2连通；所述球齿和边齿4设置在钻头体1底部工作端面上，其中边齿4均匀布置在钻头体1底部工作端面的边缘部；所述拉瓦尔喷管6镶嵌在钻头体1的底部，并通过孔用弹性挡圈7对拉瓦尔喷管6进行位置固定，拉瓦尔喷管6的数量与边齿4数量相同且一一对应，拉瓦尔喷管6的进气端与中心空气流道2相通，位于拉瓦尔喷管6端部的喷射孔5与边齿4之间的距离为4mm～15mm，拉瓦尔喷管6的出口流向线与钻头体1工作时运动方向均呈一定角度。
所述拉瓦尔喷管6的数量随着钻头体1上边齿4数量的变化而变化，保证拉瓦尔喷管6的数量足够并能对边齿4进行充分冷却。
所述拉瓦尔喷管6布置在钻头体1的边齿4附近，保证能对边齿4进行充分预冷的效果同时尽量减少了拉瓦尔喷管6的数量。
所述拉瓦尔喷管6的出口流向线与钻头体1工作时运动方向所在直线形成20°～70°的夹角，并保证喷射出的超音速低温气体能在目标边齿4周围形成局部低温气幕冷却边齿4。
本实用新型的工作原理：干热岩钻井属于硬岩钻井的一种，硬岩钻井中，钻头体1的边齿4部位的岩石最难破碎，花岗岩研磨性较大，在凿岩过程中合金齿与岩石之间的撞击和摩擦导致合金表面温度升高，加上干热岩钻井深度较大，钻孔深部温度较高，在接触压力、速度和频率都很高的情况下，钻头的边齿4就会产生热疲劳，这种不利的影响会直接降低钻头的使用寿命。在钻头工作时，中心空气流道2的部分高温气体通过拉瓦尔喷管6速度增加，温度降低40℃～70℃，形成超音速低温气体喷射在边齿4周围形成局部低温气幕对边齿4进行强制制冷，保证钻头的边齿4处于较低温度，延长钻头寿命。同时喷射到干热岩岩体的超音速低温气流可起到冷裂碎岩，提高钻进效率的作用。
实施例1
本实例提供一种边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，位于钻头体1中部的中心空气流道2的直径与钻头体1的径向直径最大处比值为23％～45％，既保证钻头体1的强度和刚度，又保证空气顺畅流至拉瓦尔喷管6处，中心空气流道2内的气体经过拉瓦尔喷管6速度增加，温度降低40℃～70℃变成超音速低温气体经拉瓦尔喷管6以一定的角度从喷射孔5射出往钻头体1的运动方向喷射，在钻进过程中能够在边齿4周围形成局部低温气幕持续冷却边齿4，同时低温气体还可以对边齿4周围干热岩体进行冷裂，提高钻进效率。
所述喷射孔5的形状为圆形，便于加工并控制钻头整体成本。
所述拉瓦尔喷管6镶嵌在钻头体1的底部，并通过孔用弹性挡圈7对拉瓦尔喷管6进行位置固定，拉瓦尔喷管6的数量和角度根据钻头体1上边齿4的排布而设定，保证每个拉瓦尔喷管6设置于边齿4附近，位于拉瓦尔喷管6端部的喷射孔5与边齿4之间的距离为4mm～15mm，拉瓦尔喷管6喷出的超音速低温气体能够在边齿4周围形成局部低温气幕持续冷却边齿，同时低温流体还可以对边齿周围干热岩体进行冷裂，提高钻进效率。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (5)
1.边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于，包括：钻头体(1)、中心空气流道(2)、清洗孔底岩屑的空气流道(3)、球齿、边齿(4)及拉瓦尔喷管(6)，所述中心空气流道(2)设置在钻头体(1)中部，并沿钻头体(1)轴向布置；所述清洗孔底岩屑的空气流道(3)与中心空气流道(2)连通；所述球齿和边齿(4)设置在钻头体(1)底部工作端面上，其中边齿(4)均匀布置在钻头体(1)底部工作端面的边缘部；所述拉瓦尔喷管(6)镶嵌在钻头体(1)的底部，拉瓦尔喷管(6)的数量与边齿(4)数量相同且一一对应，拉瓦尔喷管(6)的进气端与中心空气流道(2)相通，位于拉瓦尔喷管(6)端部的喷射孔(5)与边齿(4)之间的距离为4mm～15mm，拉瓦尔喷管(6)的出口流向线与钻头体(1)工作时运动方向所在直线具有夹角，该夹角为锐角。
2.根据权利要求1所述的边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于：所述中心空气流道(2)的直径与整个钻头体(1)的最大径向距离比值为23％～45％。
3.根据权利要求1或2所述的边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于：所述拉瓦尔喷管(6)的出口流向线与钻头体(1)工作时运动方向所在直线形成20°～70°的夹角。
4.根据权利要求3所述的边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于：所述喷射孔(5)的形状为圆形。
5.根据权利要求4所述的边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头，其特征在于：所述拉瓦尔喷管(6)通过孔用弹性挡圈(7)进行位置固定。
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Cited By (1)
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| CN108625791A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-10-09 | 吉林大学 | 边齿强冷型干热岩风动潜孔锤钻头 |
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2018
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