一种暖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，特别涉及一种暖冰层钻进用冰钻钻头。

背景技术：

目前，极地冰盖约占全球陆地面积的10％，其自然环境对人类具有重要价值。极地冰盖和冰川包含着数百万年随雪花下落而有序聚集的古代冰层，其中包含的尘埃颗粒、可溶性化学物质及冰中包裹的气体对研究全球气候变化、预测未来气候和环境变迁具有重要意义。世界各国都在竞相开展极地深冰心钻探工程，以期获得年代久远的高质量冰心。然而，极地钻探实践表明，冰盖底部存在暖冰区。在基底地温和上覆冰层压力作用下，冰的温度较高而接近甚至达到冰的压力熔点。回转切削钻进时，钻头切削产生的热量极易使冰屑融化或处于融融状态，这些近似融化状态的冰屑粘附聚结成团，不但难以有效排出，而且极易吸附在钻头切削具或钻具局部位置，阻碍钻井液的循环，影响钻进效率。这些冰屑甚至会再次冻结在钻具局部位置而导致发生卡钻事故，不但大幅增加了极地钻探成本，而且受极地环境制约，事故处理极为复杂和困难。许多深冰心钻探工程如北极格陵兰冰盖northgrip项目、南极domec钻探工程等均由于无法解决上述暖冰层钻进的技术难题而不得不终止钻进。因此，如何提高暖冰层钻进效率，确保暖冰层安全、快速钻进，已成为极地深冰心钻探工程急需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是在极地钻取冰心过程中为了提高暖冰层钻进效率，确保暖冰层安全、快速钻进而提供的一种暖冰层钻进用冰钻钻头。

本发明提供的暖冰层钻进用冰钻钻头包括有钻头本体、异型切削具和垫鞋，其中钻头本体的底部开设有数个水槽，通过该水槽使钻头本体的内腔与外壁之间形成一通道，数个异型切削具和垫鞋并列固定在钻头本体的底唇面上。

垫鞋的底面设置有数个微纳米级的凸起或凹坑。

异型切削具设置有两个切削刃，两个切削刃的前刀面与钻头本体底部水槽的位置相应，两个切削刃并列或前后或上下设置，两个切削刃并列设置时，两个切削刃之间设置有通槽，通槽为圆柱形或矩形，两个切削刃前后设置时，后切削刃的外径大于前切削刃的内径；两个切削刃上下设置时，上切削刃的外径大于下切削刃的内径。

钻头本体的侧壁上还装配有冰心卡断器，冰心卡断器通过销轴和弹性挡片固定在钻头体的侧面上，用于卡断和提取冰心。

本发明的工作原理：

钻头本体回转切削时，异型切削具的两个切削刃分别剪切冰层，产生冰屑，冰屑分别沿切削具的两个切削面上升，由于双切削刃的设计，不但减小了单个切削刃的宽度从而有效降低了回转切削产生的热量，而且其回转一周产生的冰屑量大幅降低。钻井液由钻头本体与冰层孔壁之间的环形间隙下行，流经钻头本体底部的水槽时，对异型切削具冷却并携带冰屑经钻头本体的内腔通道上返。由于异型切削具两切削刃之间存在较大的流动空间，有效改善了切削刃附近的流场，更利于钻井液对切削刃的冷却和携带冰屑。垫鞋直接通过螺栓安装在钻头本体底唇面上，避免与异型切削具直接接触，并可根据需要任意更换其结构尺寸，用于控制切削具切入冰层的深度，从而控制钻进速度和冰屑尺寸。当异型切削具的两个切削刃不在统一水平面上时，垫鞋主要控制上切削刃的切入深度。垫鞋底面上设计的微纳米级凸起结构或凹坑结构可有效降低其与冰层的摩擦阻力。

本发明的有益效果：

异型切削具双切削刃的设计，减少了单个切削具的切削刃宽度，可大幅降低单个切削刃产生的切削热量，从而减少其附近冰屑的温度提升。同时，相同条件下钻头本体回转一周，切削刃产生的冰屑量大幅减少，避免冰屑在切削面上大量堆积，有利于钻井液冰屑携带效果。此外，异型切削具双切削刃和双切削面前后阶梯型或上下阶梯型布置，为钻井液循环提供了更大的空间，有利于钻井液对切削刃和冰屑的冷却。当异型切削具双切削刃左右并列布置时，中间存在一个矩形或其它形状的通槽，钻井液能够在该通槽内循环，改善了切削刃的冷却效果。钻头本体上的水槽设计，可降低钻井液的循环阻力，更利于钻井液在异型切削具附近流动，因此利于冷却切削具和携带冰屑。垫鞋直接通过螺栓固定在钻头本体底唇面上，不与切削具接触，不但结构简单且更换方便，而且其与底部冰层的摩擦热量不直接传到切削具。其底面微纳米级的凸起或凹坑设计，形成了非光滑表面，可减少垫鞋与冰层的摩擦，有利于降低钻头底部的摩擦热量。因此，本发明提出的冰钻钻头能够降低切削热量，利于钻井液冷却和携带冰屑，能够有效防止和避免冰屑的大量粘附、聚结，可在冰川暖冰层中安全、快速钻进。

附图说明

图1为本发明所述钻头整体结构示意图。

图2为本发明所述异型切削具的两个切削刃并列布置结构示意图。

图3为本发明所述异型切削具的两个切削刃前后布置结构示意图。

图4为本发明所述异型切削具的两个切削刃上下布置结构示意图。

图5为本发明所述垫鞋结构示意图。

1、钻头本体2、异型切削具3、垫鞋4、水槽5、冰心卡断器6、销轴7、弹性挡片8、凸起9、凹坑10、通槽11、后切削刃12、前切削刃13、上切削刃14、下切削刃。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示：

本发明提供的暖冰层钻进用冰钻钻头包括有钻头本体1、异型切削具2和垫鞋3，其中钻头本体1的底部开设有数个水槽4，通过该水槽4使钻头本体1的内腔与外壁之间形成一通道，数个异型切削具2和垫鞋3并列固定在钻头本体1的底唇面上。

钻头本体1的侧壁上还装配有冰心卡断器5，冰心卡断器5通过销轴6和弹性挡片7固定在钻头体1的侧面上，用于卡断和提取冰心。

垫鞋3的底面设置有数个微纳米级的凸起8或凹坑9。

异型切削具2设置有两个切削刃，两个切削刃的前刀面与钻头本体1底部水槽4的位置相应，两个切削刃并列或前后或上下设置，具体实施例如下：

实施例一：

异型切削具2的两个切削刃并列设置时，两个切削刃之间设置有通槽10，通槽10为圆柱形或矩形。

实施例二：

异型切削具2的两个切削刃前后设置时，后切削刃11的外径大于前切削刃12的内径。

实施例三：

异型切削具2的两个切削刃上下设置时，上切削刃13的外径大于下切削刃14的内径。

本发明的工作原理：

钻头本体1回转切削时，异型切削具2的两个切削刃分别剪切冰层，产生冰屑，冰屑分别沿异型切削具2的两个切削面上升，由于双切削刃的设计，不但减小了单个切削刃的宽度从而有效降低了回转切削产生的热量，而且其回转一周产生的冰屑量大幅降低。钻井液由钻头本体1与冰层孔壁之间的环形间隙下行，流经钻头本体1底部的水槽4时，对异型切削具2冷却并携带冰屑经钻头本体1的内腔通道上返。由于异型切削具2两切削刃之间存在较大的流动空间，有效改善了切削刃附近的流场，更利于钻井液对切削刃的冷却和携带冰屑。垫鞋3直接通过螺栓安装在钻头本体1的底唇面上，避免与异型切削具2直接接触，并可根据需要任意更换其结构尺寸，用于控制异型切削具2切入冰层的深度，从而控制钻进速度和冰屑尺寸。当异型切削具2的两个切削刃不在统一水平面上时，垫鞋主要控制上切削刃13的切入深度。垫鞋3底面上设计的微纳米级凸起8结构或凹坑9结构可有效降低其与冰层的摩擦阻力。