一种极地深部冰层钻进用冰钻钻头的制作方法

本发明涉及一种冰钻钻头，特别涉及一种极地深部冰层钻进用冰钻钻头。

背景技术：

目前，极地冰芯分辨率高、记录时间尺度长、信息包含量大，不仅可以揭示历史气候的变化过程，而且可以揭示人类活动对于气候环境影响的各种信息，通过极地冰芯研究已经取得了许多重大发现，为重建地球气候历史演化以及预测全球气候变迁做出了重要贡献。为了获得年代更为久远的冰芯，世界各国都在竞相开展极地深冰心钻探工程。然而受极地冰盖底部地质环境的影响，取芯钻探较为复杂。尤其在温度较高的暖冰区，由于冰的温度和上覆压力较高而接近甚至达到冰的压力熔点，回转切削产生的切削热量极易使冰屑融化或处于融融状态。融化产生的水或者融融状态的冰屑聚结成团粘附在钻头切削具或钻头体上，阻碍钻井液的循环流通，影响冰屑的携带并降低切削效率，甚至会再次冻结而发生卡钻事故。在极地恶劣气候和环境条件下，卡钻事故处理极为困难，造成巨大的经济损失。因此设计出能够降低切削热量并减少冰屑粘附的冰钻钻头，避免回转切削造成的卡钻事故，对提高极地冰钻效率，保障极地钻孔安全具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决在极地冰芯钻取过程中所使用的冰钻钻头存在诸多问题而提供的一种极地深部冰层钻进用冰钻钻头。

本发明提供的极地深部冰层钻进用冰钻钻头包括有钻头本体、切削具和垫鞋，其中钻头本体上装配有冰心卡断器，切削具固连在钻头本体的下端，垫鞋固连在切削具的下部，钻头本体的周圈等距开设有数个弧形槽，切削具为沟槽形，设有数个，数个切削具均布在钻头本体的底唇面上，其前刀面位于钻头本体弧形槽底部位置，切削具的前刀面与两侧面设有数个圆弧形沟槽，前刀面底部设有第一台肩，两侧面底部设有第二台肩。

钻头本体的外表面喷涂有二氧化硅或特氟龙涂层，钻头本体的外表面布设有数排半圆形凹坑，半圆形凹坑直径为0.3mm-2mm，相邻半圆形凹坑的间距为5-10mm。

垫鞋通过螺钉与切削具和钻头本体相连，垫鞋的尾部设有锯齿形凸起，用于调整和控制切削具切入冰层的深度。

冰心卡断器通过销轴和弹簧片固定在钻头本体上。

本发明的工作原理：

深部冰层钻进时，钻头本体外表面的亲油涂层使钻井液吸附在钻头表面并滞留在半圆形凹坑内，在冰屑与钻头之间形成疏水层，避免冰屑的粘附和再次冻结。由于凹坑的存在，可降低冰屑在钻头本体和切削具上的冻结力，同时不影响钻头强度。沟槽形切削具在钻头回转带动下切削冰层，产生的冰屑沿前刀面运动，冰屑与前刀面的接触面积较小。由于前刀面设有第一台肩，冰屑仅在第一台肩处运动，减少接触面积，同时切削具两侧面仅在第二台肩处与孔壁接触，利于降低摩擦热。钻井液从钻头本体的弧形槽内向下流动，直接冲洗切削具前刀面剪切下的冰屑，避免产生较大尺寸的冰屑并能对切削具和冰屑直接冷却。当钻至一定深度时，上提钻具，冰心卡断器将冰心卡断，钻进回次结束。

本发明的有益效果：

本发明提供的极地深部冰层钻进用冰钻钻头在钻头本体外表面设计的半圆形凹坑及表面亲油涂层，可使钻井液吸附在钻头上，产生的冰屑与钻头之间存在疏水隔层，能够有效防止冰屑在钻头上的粘附。即使冰屑粘附在钻头上，由于凹坑的尺寸远小于冰屑尺寸，冰屑不能进入凹坑，冰屑与钻头的接触面积降低，其冻结力较弱，避免发生卡钻。钻头切削具上布置的半圆形沟槽，可减少冰屑与前刀面的接触面积，利于降低摩擦热量，同时钻井液吸附在沟槽内，能够避免冰屑在切削具上粘附和冻结，并可降低冰屑附着力。切削具前刀面及两侧面底部设置的第一台肩和第二台肩与冰层、冰屑接触，其它部位不与冰层和冰屑接触，因此可降低冰屑及两侧面与冰层之间的摩擦阻力和摩擦生热。切削具前刀面位于钻头本体弧形槽底部，钻井液直接冲洗冰屑和切削具，大幅提高了冰屑携带和冷却效果。而垫鞋上设计的锯齿形凸起上同样设置若干沟槽，可降低垫鞋与冰层之间的摩擦热量。因此，本发明提出的冰钻钻头能够降低钻进切削产生的热量，同时避免冰屑在钻头上的粘附和冻结，利于钻井液携带冰屑和冷却切削具，因此能够有效防止深冰心钻探卡钻事故的发生。

附图说明

图1为本发明所述冰钻钻头整体结构示意图。

图2为本发明所述切削具结构示意图。

图3为本发明所述垫鞋结构示意图。

1、钻头本体2、切削具3、垫鞋4、冰心卡断器5、弧形槽

6、半圆形凹坑7、圆弧形沟槽8、第一台肩9、第二台肩

10、锯齿形凸起。

具体实施方式

请参阅图1至图3所示：

本发明提供的极地深部冰层钻进用冰钻钻头包括有钻头本体1、切削具2和垫鞋3，其中钻头本体1上装配有冰心卡断器4，切削具2固连在钻头本体1的下端，垫鞋3固连在切削具2的下部，钻头本体1的周圈等距开设有三个弧形槽5，切削具2为沟槽形，设有三个，三个切削具2通过螺钉均布在钻头本体1的底唇面上，其前刀面位于钻头本体1弧形槽5底部位置，切削具2的前刀面与两侧面设有数个圆弧形沟槽7，前刀面底部设有第一台肩8，两侧面底部设有第二台肩9。

钻头本体1的外表面喷涂有二氧化硅或特氟龙涂层，钻头本体1的外表面布设有数排半圆形凹坑6，半圆形凹坑6直径为0.3mm-2mm，相邻半圆形凹坑6的间距为5-10mm。

垫鞋3通过螺钉与切削具2和钻头本体1相连，垫鞋3的尾部设有锯齿形凸起10，用于调整和控制切削具2切入冰层的深度。

冰心卡断器4通过销轴和弹簧片固定在钻头本体1的外表面。

本发明的工作原理：

深部冰层钻进时，钻头本体1外表面的亲油涂层使钻井液吸附在钻头表面并滞留在半圆形凹坑6内，在冰屑与钻头之间形成疏水层，避免冰屑的粘附和再次冻结。由于凹坑的存在，可降低冰屑在钻头本体1和切削具2上的冻结力，同时不影响钻头强度。沟槽形切削具2在钻头回转带动下切削冰层，产生的冰屑沿前刀面运动，冰屑与前刀面的接触面积较小。由于前刀面设有第一台肩8，冰屑仅在第一台肩8处运动，减少接触面积，同时切削具2两侧面仅在第二台肩9处与孔壁接触，利于降低摩擦热。钻井液从钻头本体1的弧形槽5内向下流动，直接冲洗切削具2前刀面剪切下的冰屑，避免产生较大尺寸的冰屑并能对切削具2和冰屑直接冷却。当钻至一定深度时，上提钻具，冰心卡断器4将冰心卡断，钻进回次结束。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种极地深部冰层钻进用冰钻钻头，包括有钻头本体、切削具和垫鞋，其中钻头本体上装配有冰心卡断器，切削具固连在钻头本体的下端，垫鞋固连在切削具的下部，钻头本体的周圈等距开设有数个弧形槽，切削具为沟槽形，设有数个，数个切削具均布在钻头本体的底唇面上，其前刀面位于钻头本体弧形槽底部位置，切削具的前刀面与两侧面设有数个圆弧形沟槽，前刀面底部设有第一台肩，两侧面底部设有第二台肩。有益效果：本发明提出的冰钻钻头能够降低钻进切削产生的热量，同时避免冰屑在钻头上的粘附和冻结，利于钻井液携带冰屑和冷却切削具，因此能够有效防止深冰心钻探卡钻事故的发生。

技术研发人员：曹品鲁;陈卓;陈宝义;范晓鹏;杨阳;王如生;刘苗苗;赵齐
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2017.08.15
技术公布日：2017.10.24