专利名称：一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，具体地说是涉及一种可在整个钻进过程中形成稳定的孔底预破碎区，保证有效地由钻头唇面及时排除岩屑，从而有利于提高钻头的碎岩能力，防止烧钻事故，显著提高机械钻速的岩石破碎工具，属于地质钻探领域。
背景技术：
为克服资源短缺的瓶颈，我国地质大调查的深部岩心钻探工作量逐年递增，急需进一步提高机械钻速和钻头寿命。理论与实践研究都证明，在钻进过程中如果孔底已存在预破碎区，则可大幅度提高钻头的碎岩效率，降低功率消耗，并延长钻头寿命。在现有的镶嵌体钻头中，已有许多种类的孕镶金刚石钻头，但这类的孕镶金刚石钻头通常没有仔细研究切削具在胎体扇形块上的合理安装位置，对胎体中金刚石的粒径也未提出合理的匹配范围，从而不能保证在整个钻进进程中形成稳定的预破碎区，并伴有发生烧钻事故的隐患。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的问题，而从选择镶嵌体倾斜角、胎体金刚石粒径和镶嵌体直径的关系、扇形块和镶嵌体与孔底接触面积之比入手，改进金刚石钻头的结构设计，以保证钻头在整个作业期间能形成稳定的孔底预破碎区，及时有效地由唇面排除岩屑，防止钻头胎体被烧灼，从而提高钻头的碎岩能力，最终显著提高机械钻速。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是提供一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，钻头钢体与含金刚石的胎体相连，所述的冲洗水口设在孕镶金刚石的胎体上，冲洗水口把胎体分割成4个扇形块；所述的扇形块上均倾斜镶焊有2 3个圆柱形人造金刚石镶嵌体，每个圆柱形人造金刚石镶嵌体有一半体积埋在胎体中，另一半体积凸出于胎体唇面，使圆柱体纵截面对角线的两个端点位于胎体表面同一直径上，镶焊的圆柱形人造金刚石镶嵌体在钻头唇面上沿径向均勻分布。本发明所述的含金刚石的胎体中的金刚石粒径应为镶嵌体直径的7% 14%。所述含金刚石的胎体扇形块与岩石的接触面积应为扇形块中镶嵌体与岩石的总接触面积的 1.纩2. 4倍。本发明从理论与实践研究都证明，当含金刚石的胎体金刚石粒径为镶嵌体直径的7% 14%,且含金刚石的胎体扇形块与岩石的接触面积为镶嵌体与岩石的总接触面积的 1. 8^2. 4倍，则将获得最佳钻进效果。在钻进过程中首先由凸出于胎体的镶嵌体在所钻岩石表面形成预破碎区，并伴随钻头的整个钻进过程，然后由胎体中的金刚石在预破碎区完成孔底破碎过程，借助冲洗液把被破碎的岩屑带到孔口地面。由于镶嵌体前部(沿钻头回转方向)凸出于胎体表面，所以在镶嵌体和胎体唇面之间的空间将积聚部分岩屑，这些岩屑有助于对胎体金刚石的研磨出刃。当凸出于胎体唇面的各镶嵌体都与岩石接触并发生作用时，钻头将获得最大的碎岩能力。研究表明，如果胎体中金刚石的粒径小于镶嵌体直径的7%，那么这种粒径的孕镶金刚石不利于有效地破碎在镶嵌体后方积聚的大颗粒岩屑，而岩屑自身又不可能通过胎体唇面(金刚石出刃)与孔底之间的小间隙。未被破碎的大颗粒岩屑将积存在孔底间隙中，增加对胎体的磨损。于是，增加了碎岩的功率消耗，降低钻头的寿命，而且还可能出现烧钻事故。如果胎体中的金刚石粒径大于镶嵌体直径的14%，那么岩屑颗粒将被研磨得很细，明显小于胎体唇面与孔底之间的间隙，将完全被冲洗液带走。这对于胎体的正常磨损和胎体金刚石出刃是不利的。在这种情况下，钻头的工作效率也会降低。因此，最佳的胎体金刚石粒径是在镶嵌体直径的79Γ14%之间。研究表明，随岩石物理力学性质的不同，岩石破碎槽的宽度可达切削具吃入宽度的2倍以上。如果胎体扇形块与岩石的接触面积与扇形块中切削具的接触总面积之比小于 1.8倍，破碎槽的宽度将减小，那么钻进过程中在切削具移过后孔底将留下未破碎的岩脊， 迫使孕镶层的金刚石不得不对这些岩脊进行补充破碎。为此，将增加功率消耗，并使钻速下降。如果胎体扇形块接触面积与扇形块中切削具接触总面积之比大于2. 4倍，那么在钻进过程中首先吃入岩石的切削具将建立发育充分的预破碎区，跟随其后的切削具只是再次将预破碎区的岩屑碾磨得更细。为此，消耗于预破碎区岩石重复破碎的能量将增大，并使积聚在金刚石出刃间隙中的岩粉量增加，还可能导致烧钻。只有当胎体扇形块与岩石的接触面积与扇形块中镶嵌体与岩石的的接触总面积之比为1. 8^2. 4倍时，钻头的岩石破碎过程才是最优的。本发明钻头的优点是钻头从选择镶嵌体倾斜角、胎体金刚石粒径和镶嵌体直径的关系、扇形块和镶嵌体与孔底接触面积之比入手，改进金刚石钻头的结构设计，可在整个钻进过程中形成稳定的孔底预破碎区，保证有效地由钻头唇面及时排除岩屑，从而可降低功率消耗，防止烧钻事故，显著提高机械钻速，并延长钻头寿命。
图1为本发明的一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头总体结构示意图。图2为本发明的钻头工作唇面结构示意图。图3为图2Α-Α截面的放大示意图。图中1一钻头钢体、2—胎体、3—冲洗水口、4一圆柱形人造金刚石镶嵌体。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。实施例1 本发明的一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，其结构如图1所示，包括钻头钢体1、含金刚石的胎体2、冲洗水口 3和人造金刚石镶嵌体4，所述的钻头钢体1采用热压法制造，钻头钢体1与含金刚石的胎体2相连。在孕镶金刚石的胎体2上设有冲洗水口 3，所述的冲洗水口 3把胎体分割成4个扇形块；借助模具在每个扇形块上倾斜镶焊3 个圆柱形人造金刚石镶嵌体4 ；安装圆柱形人造金刚石镶嵌体时，每个圆柱形人造金刚石镶嵌体4有一半体积埋在胎体2中，另一半体积凸出于胎体唇面，并使圆柱体纵截面对角线的两个端点位于胎体表面同一直径上；钻头工作唇面结构如图2、图3所示，镶焊的圆柱形人造金刚石镶嵌体在钻头唇面上沿径向均勻分布。本发明还需要控制含金刚石的胎体中的金刚石粒径J1应为镶嵌体直径式的7%， 而胎体扇形块与岩石的接触面积应为扇形块中镶嵌体与岩石的总接触面积的1.8倍。这样的钻头才能保证在钻进过程中取得最佳效果，并防止烧钻事故的发生。本发明的一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头按下述方式工作
钻进时把轴向载荷和扭矩传递到钻头含金刚石的胎体2的扇形块上，这时凸出于胎体 2的圆柱形人造金刚石镶嵌体4参加岩石的预破碎，形成宏观和微观裂纹网络，而胎体2上的金刚石完成后续的岩石破碎过程，岩石的预破碎伴随着钻头的整个钻进过程。因为优选了胎体2中金刚石粒径与镶嵌体4的直径之比和胎体2扇形块接触面积与镶嵌体4的总接触面积之比，使破碎下来的岩屑尺寸略小于胎体唇面与孔底之间的间隙，大部分岩屑将被冲洗液顺利携带至孔口地面，一部分残余的岩屑将有利于胎体唇面的自锐。因此，可减少甚至消除孔底对大颗粒岩屑进行二次破碎的能量消耗，提高机械钻速，消除因大量岩屑积聚在孔底而导致烧钻事故的可能性。本发明的一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，其结构与工作方式同实施例1，不同的是在每个扇形块上只倾斜镶焊2个圆柱形人造金刚石镶嵌体；含金刚石的胎体中的金刚石粒径J1应为镶嵌体直径式的14% ；而胎体扇形块与岩石的接触面积应为扇形块中镶嵌体与岩石的总接触面积的2. 4倍。这样的钻头也能保证在钻进过程中取得最佳效果，并防止烧钻事故的发生。
权利要求
1.一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，包括钻头钢体、含金刚石的胎体、冲洗水口和人造金刚石镶嵌体，钻头钢体与含金刚石的胎体相连，其特征在于所述的冲洗水口设在孕镶金刚石的胎体上，冲洗水口把胎体分割成4个扇形块；所述的扇形块上均倾斜镶焊有2 3 个圆柱形人造金刚石镶嵌体，每个圆柱形人造金刚石镶嵌体有一半体积埋在胎体中，另一半体积凸出于胎体唇面，使圆柱体纵截面对角线的两个端点位于胎体表面同一直径上，镶焊的圆柱形人造金刚石镶嵌体在钻头唇面上沿径向均勻分布。
2.根据权利要求1所述的一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，其特征在于所述的含金刚石的胎体中的金刚石粒径应为镶嵌体直径的79Γ14%。
3.根据权利要求1所述的一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，其特征在于所述含金刚石的胎体扇形块与岩石的接触面积应为扇形块中镶嵌体与岩石的总接触面积的 1. 8 2. 4 倍。
全文摘要
本发明涉及一种形成稳定预破碎区的镶嵌体钻头，包括钻头钢体、胎体、冲洗水口和人造金刚石镶嵌体，在孕镶金刚石的胎体上设有冲洗水口把胎体分割成4个扇形块；在扇形块上倾斜镶焊圆柱形人造金刚石镶嵌体，圆柱形镶嵌体一半体积埋在胎体中，另一半体积凸出于胎体唇面，使圆柱体纵截面对角线的两个端点位于胎体表面同一直径上，镶焊的镶嵌体在钻头唇面上沿径向均匀分布。本钻头制造时应使胎体金刚石粒径为镶嵌体直径的7%~14%，胎体扇形块与岩石接触面积为镶嵌体总接触面积的1.8~2.4倍，则钻头在钻进中形成稳定的预破碎区，可获得最佳钻进效果。使用本钻头可提高机械钻速，延长钻头寿命；消除因大量岩屑积聚而导致烧钻事故的可能性。
文档编号E21B10/60GK102425379SQ201110285799
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者姚邹, 扎科拉А.P., 李田军, 波格丹诺夫R.К., 鄢泰宁 申请人:中国地质大学(武汉)