CN2235011Y - 带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头 - Google Patents

Abstract

一种新型的带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头。它是属于对人造聚晶金刚石复合片类钻头的结构上的改进。它是通过在常规的PDC钻头上加设“自锐式”切削齿和合理的水力喷射系统，即在常规的PDC钻头上设置了若干个中圈斜向喷嘴和自锐式切削齿。

Description

带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头

本实用新型涉及一种新型的带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头。它是属于对人造聚晶金刚石复合片类钻头的结构上的改进。它是通过在常规的PDC钻头上加设“自锐式”切削齿和合理的水力喷射系统，从而提高常规PDC钻头的破岩效果和使用寿命。它主要是自锐式切削齿及水力喷射系统组成。

目前，在石油钻井和地质探矿等过程的钻孔中，广泛地使用PDC(人造聚晶金刚石复合片)类钻头，这类钻头均以切削方式为主要破碎岩石的手段而完成钻孔。在钻头破岩过程中，由于切削齿要对岩石进行切削，就必须与岩石接触并产生相对运动，故使得切削齿受到严重的磨损，并因此产生大量的摩擦热而加速切削齿的磨损，导致了钻头寿命的降低。尤其是PDC钻头的切削齿是人造聚晶金刚石复合片制成，其磨损速度受温度影响更为严重。试验表面，当温度超过750℃时，PDC齿的磨损速度迅速增加，温度再升高，甚至会使其碳化而失效。因此，不能及时、合理地对切削齿进行冷却和清洗是导致PDC钻头不能达到应有的效果和寿命的重要原因。另外，钻头水力布置的不合理，也会导致几股射流之间相互干扰，浪费了水力能量，并造成了钻头中心部位及其它地方存在有流动“死区”，使岩屑不易及时清除，严重影响了钻进速度。又由于常规的PDC钻头的切削齿是以一定的负前角(大都为20°)斜立的圆片，由碳化钨柱墩支撑，主要靠复合片的底边棱作为切削刃吃入地层，如果PDC齿的刃太尖、太薄，则易崩掉或磨损而变钝，并使得寿命变短；如果PDC齿的刃太短、太厚，则又难以吃入地层，使得破岩效率降低。

本实用新型的目的就在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种新型的带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头。它是通过采用多层复合的自锐式切削齿和合理优化的水力喷射系统，既可提高对工作中的重点切削齿的冷却，又可实现水力—机械联合破岩的目的。它的主要技术结构是由钻头基体、水力喷射系统及自锐式切削齿构成，其主要的技术特征是水力喷射系统是由布置在钻头基体顶端的中心径向倾斜喷嘴、中圈斜向喷嘴和外圈近切向喷嘴组成，并按一定的布齿方式将自锐式切削齿布置在钻头基体的顶端。

附图即为本实用新型的结构示意图。

附图的图面说明如下：

1---中心径向倾斜喷嘴    2---中圈斜向喷嘴    3---中圈斜向喷嘴

4---中圈斜向喷嘴        5---中圈斜向喷嘴    6---外圈近切向喷嘴

7---自锐式切削齿        8---自锐式切削齿    9---钻头体

为了更好的实现本实用新型的上述目的，本实用新型的设计者是将水力喷射系统中的中心径向倾斜喷嘴(1)是设置在钻头基体(9)几何轴心的一边，并出口的轴线指向钻头基体(9)的几何轴线；其中圈斜向喷嘴(2)、中圈斜向喷嘴(3)、中圈斜向喷嘴(4)及中圈斜向喷嘴(5)则设置在钻头基体(9)顶端的中圈部分，并依次倾斜设置；其外圈切向喷嘴(6)则是沿钻头基体(9)顶端的外圈切线方向倾斜设置；其自锐式切削齿(7)及自锐式切削齿(8)则是设计成不同形状、由多层各种硬度的人造聚晶金刚石复合片和其它硬质材料复合烧结而成，其复合的方式是将最硬、最耐磨的材料置于最前层，其它则按硬度的大小依次排列复合，最后层则是韧性好、耐磨性差的材料。

下面将结合附图和实施例来详叙本实用新型的结构特点：

在实际设计和制造中，本实用新型的设计者是将中心径向倾斜喷嘴设置在钻头基体几何轴线的一边，其出口的轴线则指向钻头基体的几何轴线，以导引射流冲击到井底岩石的中心；其中圈的斜向喷嘴则分别以30～45°的空间角设置在钻头的中圈部位，并能导引射流冲击到1～2个重点切削齿前或切削齿后的位置，以辅助这些重点切削齿破岩，并强化对这些切削齿的冷却，增加向外携带岩屑的流体流量和速度；外圈近切向喷嘴则设置在钻头的外圈部，使其喷嘴的轴线指向外圈的切向方向，从而导引射流在近切线方向冲击到外圈牙齿前或后，增强对外圈的破岩效果和清岩效果，使得井底流场形成有序的向外发散式的螺旋流，以提高冷却和清洗的效果。其自锐式切削齿的设计则是采用不同硬度的材料多层复合而成，其复合的方式是按照最硬、最耐磨的置于最前层，韧性好、耐磨性最差的置于最后层的顺序排列，以保证在切削岩石的磨损中，首先磨掉后面的支撑部分而露出前面的硬的切削部分，不断形成锋利的切削刃，并用弧棱齿与圆片齿相配合，以压碎和切削两种破岩方式相补充，来提高破岩效率。在实际使用和加工中，制造方法同普通的PDC钻头相类似，喷嘴可用普通钻头的标准喷嘴，也可使用旋转射流喷嘴。

试验结果表明，由于本实用新型采用了合理的水力喷射系统和自锐式切削齿，使得重点切削齿实现与水力联合破岩的目的，弥补了普通PDC类钻头的纯机械切削、切削齿过快钝化及清岩不畅等缺陷，可大幅度地提高钻进速度。而且制造方便，有着极大的推广前景和市场潜力。

Claims (3)

1.带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头，它是由钻头基体(9)、水力喷射系统及自锐式切削齿(7)和自锐式切削齿(8)构成，其特征在于水力喷射系统是由布置在钻头基体顶端的中心径向倾斜喷嘴(1)、中圈斜向喷嘴(2)、中圈斜向喷嘴(3)中圈斜向喷嘴(4)和中圈斜向喷嘴(5)及外圈近切向喷嘴(6)组成，并将自锐式切削齿(7)和自锐式切削齿(8)布置在钻头基体(9)的顶端。

2.根据权利要求1所述的带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头，其特征在于水力喷射系统中的中心径向倾斜喷嘴(1)是设置在钻头基体(9)几何轴心的一边，并指向钻头基体(9)的几何轴线；其中圈斜向喷嘴(2)、中圈斜向喷嘴(3)、中圈斜向喷嘴(4)及中圈斜向喷嘴(5)则设置在钻头基体(9)顶端的中圈部分，并依次倾斜设置；其外圈切向喷嘴(6)则是沿钻头基体(9)顶端的外圈切线方向倾斜设置。

3.根据权利要求1所述的带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头，其特征在于自锐式切削齿(7)及自锐式切削齿(8)是由各种硬度的人造聚晶金刚石复合片和其它硬质材料多层复合烧结而成，其复合的方式是将最硬、最耐磨的材料置于最前层，其它则按硬度的大小依次排列复合，最后层则是韧性好、耐磨性差的材料。

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