用于钻土和其他硬质材料的钻头的制作方法

1.本发明涉及用于钻穿土、混凝土和其他硬质材料的钻头。


背景技术：

2.对现有技术的方法、装置或文件的任何参考文件均不应被视为构成它们形成或构成公知常识的一部分的任何证据或认可。
3.专用钻头用于在各种目的中钻探井眼、井孔和土中的其他孔，包括水井、油气井、注入井、地热井、监测井、采矿中使用的孔等。这些钻头有两种常见类型：圆锥滚子钻头和固定切割器钻头。
4.通常通过将钻头附接或联接至旋转钻头的装置来钻探地球上的井眼和其他孔。钻头可直接附接到由电动机、发动机、驱动器或其他提供扭矩以旋转钻头的装置旋转的轴上。例如，在石油和天然气钻探中，钻头通常联接到钻柱的下端，而钻柱的下端又在上端处联接到地面上的电动机或驱动器，电动机或驱动器一起旋转钻柱和钻头。钻柱通常包括若干元件，这些元件可以包括特殊的井下马达，该马达配置成提供附加的或者如果没有提供地面马达或驱动器，则是转动钻头的唯一手段。
5.固定切割器钻头通常包括多个切割器，例如非常耐用的多晶金刚石复合片(pdc)切割器、碳化钨切割器、天然或合成金刚石或它们的组合。这些钻头被称为固定切割器钻头，因为它们采用定位在选定位置或随机分布的一个或多个固定刀片上的切割元件。固定的切割器在地层上滑动，以通过剪切操作去除岩石。通过各种改进，与制造固定切割器的较高的前期成本相比，固定切割器的耐用性已得到充分提高，以使其在钻孔过程中在节省时间方面具有成本效益。
6.需要具有成本效益且坚固的钻头，其能够更好地钻穿各种天然和/或人造地层或物体，包括土、钢、铝、混凝土、铸铁和其他硬质材料。还希望提供一种易于维修的钻头。


技术实现要素：

7.在一个方面，本发明提供了一种用于穿过土钻孔的钻头组件，该钻头包括：
8.钻头主体，沿钻头主体的纵向轴线在第一端和第二端之间延伸，连接装置定位在钻头主体的第一端，用于将钻头主体联接到旋转轴，以向钻头主体提供旋转扭矩；
9.切割头，其包括前尖端部分和尾部接收部分，前尖端部分用于切入土，该尾部接收部分用于在由接收部分限定的内腔中接收钻头主体的第二端，以允许切割头可去除地联接至钻头主体的第二端；以及
10.保持装置，以将钻头主体的第二端保持在切割头的接收部分中。
11.在实施例中，钻头主体包括沿钻头主体的外壁定位的限位构件，以限制切割头的接收部分朝向钻头主体的第一端的轴向运动，从而接合保持装置。在实施例中，限位构件可以被成形为周向形成的限位构件，以与切割头的接收部分接合并限制轴向运动。
12.在实施例中，连接装置包括在钻头主体的第一端处或邻近钻头主体的第一端沿着
外壁部分设置的螺旋螺纹，以将钻头主体联接至旋转轴，以向钻头主体提供旋转扭矩。
13.在实施例中，切割头的尖端部分包括多晶金刚石复合片(pdc)材料。
14.在实施例中，钻头主体还包括沿钻头主体的纵向轴线从第一端延伸至第二端的孔，提供该孔以将润滑剂输送到钻头主体的第二端。
15.在实施例中，钻头主体的第二端包括润滑剂释放装置，以将润滑剂释放到切割尖端的内腔中，从而润滑钻头主体的第二端的轴承表面和切割尖端的内部轴承表面。
16.在实施例中，钻头组件还包括：定位在钻头主体的第一端处的填充润滑剂接头；以及定位在钻头主体的第二端处的释放接头。
17.在实施例中，保持装置还包括开口环构件，其中开口环构件的内部适于定位并接合在沿钻头主体的外壁设置的凹槽中，以及开口环的外部适于接合沿切割头的接收部分的内壁设置的内凹槽。
18.在实施例中，开口环包括不联接的第一和第二周向端点。
19.切割头可通过在切割头和钻头主体之间进行相对轴向运动而被推入配合到钻头主体中，使得切割头的接收部分接收钻头主体的第二端，并且轴向运动导致切割头中的内凹槽定位成与开口环接合，从而导致钻头主体的第二端保持在切割头的接收部分中。
20.在可选实施例中，保持装置包括制动组件，该制动组件用于可拆卸地互锁切割头和钻头主体。
21.在实施例中，制动组件包括：
22.制动凹槽，其沿着接收部分的内壁定位，该内壁限定用于接收钻头主体的第二端的内腔；
23.制动件，沿钻头主体的外壁在钻头主体的第二端处或邻近钻头主体的第二端提供制动件；
24.其中，切割头的接收部分朝向钻头主体的第一端的轴向运动导致制动件接合和保持在制动凹槽内。
25.在实施例中，钻头主体包括中空通道，用于接收形成保持装置的部分的弹簧加载销构件。
26.在实施例中，销构件被弹簧构件偏压以朝向钻头主体的第一端运动。
27.在实施例中，钻头组件还包括盖构件，以将销构件保持在钻头主体的中空通道内并限制销构件在朝向着钻头主体的第一端的方向上的运动。
28.在实施例中，销构件包括：
29.头部，适于定位为邻近钻头主体的第一端；
30.尾部，适于定位为邻近钻头主体的第二端；和
31.销主体部分，在销构件的头部和尾部之间延伸。
32.在实施例中，尾部比销主体部分窄，以在销构件的尾部的外壁与钻头主体的限定中空腔的内壁之间接收弹性构件(例如螺旋弹簧)。
33.在实施例中，弹性构件推压销主体部分的肩部以在销构件上施加弹性偏压。
34.在实施例中，钻头主体的中空腔包括朝向第二端延伸的较窄的喉部，并且其中，通过抵抗弹性构件的弹性偏压而施加力而导致销构件朝向钻头主体的第二端的轴向运动导致通过松开保持装置使切割头与钻头主体分开。
35.在实施例中，销构件包括定位在销主体上的凹口，使得销构件朝向钻头主体中的第二端的轴向运动导致凹口轴向移位并定位成邻近制动组件，从而允许制动件接收在凹口中并从切割体的制动孔中释放出来。
36.在实施例中，切割头相对于钻头主体可运动地安装。优选地，切割头相对于钻头主体可旋转地安装。
附图说明
37.本发明的优选特征、实施方式和变型可以从以下详细说明中看出，该详细说明为本领域技术人员提供了足够的信息来实施本发明。该详细描述不应被视为以任何方式限制前述发明内容的范围。详细说明将参考以下多个附图：
38.图1是以联接配置示出的根据第一实施例的钻头组件100的透视图。
39.图2是处于联接配置的钻头组件100的侧视图。
40.图3是处于联接配置的钻头组件100的截面图。
41.图4是处于未联接配置的钻头组件100的分解透视图。
42.图5是处于未联接配置的钻头组件100的分解侧视图。
43.图6是处于未联接配置的根据第二实施例的钻头组件200的分解透视图。
44.图7是示出为联接配置的钻头组件200的透视图。
45.图8是钻头组件200的截面图。
46.图9是钻头组件200的分解截面图。
具体实施方式
47.如以下段落中，相对于用于钻穿土、混凝土和其他硬质材料的其他装置和方法，钻头组件100或200的实施例提供显着的优点和益处。然而，所列举的优点并不意味着以任何方式进行限制，因为本领域的技术人员将理解，在实施本发明时也可以实现其他优点。
48.图1至图5示出了根据本发明的第一实施例的钻头组件100，并且包括沿钻头的纵向轴线111在第一端112和第二端114之间延伸的钻头主体110。在第一端112处，提供有螺旋螺纹115，以允许将主体110联接至旋转轴(未示出)，该旋转轴联接至用于向钻头组件100提供旋转扭矩或力的旋转装置。例如顶部马达、井下马达、发动机、涡轮机或也位于地面附近的其他类型的驱动器，或其他一些旋转装置。
49.钻头主体110的第二端114可去除地联接至切割头120，切割头120包括由多晶金刚石材料组成的切割尖端123，该切割尖端以pdc插入件122的形式提供，定位在切割尖端123的暴露部分中以帮助切入土或其他硬质材料。尽管在图1至图5的示例性钻头组件100中的切割尖端122是pdc刀片，但是应该清楚地理解，其他类型的切割元件，例如立方氮化硼，或其他超硬材料，或诸如金属碳化物的硬质材料，也可用于根据本发明制成的钻头中。切割头120包括大致截头圆锥形的配置，其中pdc尖端在切割头120中形成尖端的顶尖部分。
50.切割头120还包括尾部接收部分124，用于将钻头主体110的第二端114接收到由接收部分124限定的内腔126中，以允许切割头120可去除地联接至钻头主体110的第二端114。
51.提供保持装置150以将钻头主体110的第二端114保持在切割头120的接收部分124中。保持装置的详细视图已经在图3、4和5中示出，其清楚地示出了保持装置150包括开口环
构件152，其中开口环构件152的内部适于定位并接合在沿钻头主体110的外壁提供的外凹槽154中(见图4和5)，以及开口环152的外部适于与沿切割头120的接收部分124的内壁提供的内凹槽156(见图4和5)接合。开口环152为环形构件的形式，其第一和第二周向端点不联接，并且开口环构件的周长略小于钻头主体110的外凹槽154的周长。
52.开口环152的提供允许切割头120通过在切割头120和钻头主体110之间的相对轴向运动而被推入配合到钻头主体110，使得切割头120的接收部分124接收钻头主体110的第二端114，并且轴向运动导致切割头120的内凹槽156定位成通过推到开口环152上而与开口环152接合，从而导致开口环152的圆周端靠近并运动到钻头主体110的外凹槽154上。该动作导致钻头主体110的第二端114保持在切割头120的接收部分124中。
53.开口环152的配置以及钻头主体154的外凹槽和切割头120的内凹槽156的定位允许切割头120相对于钻头主体110自由旋转。因此，开口环152提供了一种轴承装置，以使钻头主体110和切割头120之间能够相对旋转运动。
54.切割头120还包括异型(profiled)限位构件129，其沿着钻头主体110的外壁定位，以限制切割头120的接收部分124朝向钻头主体110的第一端112的轴向运动。为了组装钻头组件100，将要求操作者实现切割头120朝向钻头主体110的轴向运动，以使切割头120的内凹槽156与外凹槽154对准，由此导致将推力施加到开口环152上，这导致切割头120被卡扣配合到钻头主体110的接收部分124上。切割头120的这种轴向运动导致切割头120上的异形限位构件129邻接沿钻头主体110的外壁提供的周向轴环构件119，从而限制了当钻头主体110的第二端114接收到切割头124的接收部分124的内腔中时切割头之间的相对轴向运动的程度。前述布置允许通过在切割头120上施加拉力以将切割头120沿轴向方向拉离钻头主体110的第一端112来使切割头120与钻头主体110分开。
55.钻头主体110还包括沿钻头主体110的纵向轴线从第一端112延伸到第二端114的孔116。孔116提供成将润滑剂从钻头主体110的第一端112输送到第二端114。填充润滑剂接头117定位在钻头主体110的第一端112处，释放接头118定位在钻头主体110的第二端114处。释放接头118布置成将润滑剂释放到切割尖端的内腔121中，从而润滑钻头主体110的第二端114的支承表面125和切割刀片120的内部轴承表面。
56.参照图6至图9，已经示出了根据本发明的第二实施例的钻头组件200。相同的参考数字表示先前在较早的部分中已经描述的相同的零件。钻头组件200与先前描述的钻头组件100之间的主要区别在于钻头主体210的配置，该配置与先前部分中所描述的钻头主体110不同。此外，接收在钻头主体210内的释放销250提供了机械装置，以允许切割头120从钻头主体210释放，如在前述部分中将描述的。
57.钻头主体210也在第一端212和第二端214之间延伸。切割头120通过制动组件130可拆卸地联接或互锁至钻头主体210的第二端114。制动组件130包括：沿着内壁127定位的制动凹槽156，该内壁127限定了用于接收钻头主体210的第二端214的接收部分124的内腔。邻近钻头主体210的第二端214沿钻头主体210的外壁提供有制动球134。钻头组件200解决的问题之一涉及容易地更换切割头120，同时还减少维护时间。切割头120的接收部分124朝向钻头主体210的第一端212的轴向运动导致制动球134与制动凹槽156接合，从而捕获制动球134并将切割头120保持为与钻头主体110的第二端114处于联接配置。因此，制动组件130提供了一种保持装置，以将钻头主体210的第二端114保持在切割头120的接收部分124中。
58.切割头120还包括异形限位构件129，该异形限位构件129沿着钻头主体110的外壁定位，以限制切割头120的接收部分124朝向钻头主体210的第一端212的轴向运动。切割头120的轴向运动导致异形限位构件129邻接沿钻头主体210的外壁提供的周向轴环构件219，从而限制了当钻头主体210的第二端214接收到切割头124的接收部分124的内腔中时切割头120与钻头主体210之间的相对轴向运动的程度。
59.参照图8和9，钻头主体210包括在第一端212和第二端214之间延伸的中空通道216。中空通道216配置成用于接收弹簧加载销构件250，该弹簧加载销构件250允许切割头120从钻头主体210释放。销构件250被弹簧构件260偏压(如将在前面的部分中说明的那样，该弹簧构件推压销构件250)，以朝向钻头主体110的第一端212运动。提供盖构件270以将释放销构件250保持在钻头主体210的中空通道216内，并限制释放销构件250在朝向钻头主体210的第一端212的方向上的轴向运动。
60.销构件250与弹簧构件260组合以及中空通道216的形状的配置使得切割头120能够从钻头主体210机械地释放，并且使得切割头120易于更换。参照图9，销构件250包括：头部250a，适于定位为邻近钻头主体210的第一端212；尾部250b，适于定位为邻近钻头主体210的第二端214；以及销主体部分250c，在销构件250的头部250a和尾部250b之间延伸。尾部250b比销主体部分250c窄，并且有助于将弹性弹簧构件260接收在释放销构件250的尾部250b的外壁与钻头主体210的限定中空腔/通道216的内壁之间。在中性配置中，弹簧构件260推压销主体部分250c的肩部255以在销250上施加弹性偏压。中空通道216包括朝向钻头主体210的第二端214延伸的较窄的收缩部分217。
61.释放销构件250的前述配置提供了机械布置，该机械布置允许切割头120容易地与钻头主体210分开。提供了平头螺钉270形式的盖构件，以用作弹簧加载销构件250的限位，并将切割头120保持在与钻头主体210的互锁位置。为了将钻头主体210与切割头120分开，平头螺钉270需要通过转动平头螺钉(270)而轴向向前运动，以便将销构件推向钻头主体210的第二端214。通过转动平头螺钉270向内推动销构件250，导致较窄的尾部250b插入内腔121中(见图8)。销主体250c包括沿销主体250c的外壁定位的凹口257，使得销构件250朝向钻头主体210的第二端214的轴向运动导致凹口257轴向移位并变得邻近制动组件130。一旦凹口与制动球134对准，操作者就可以在切割头120上施加拉力。如前，由于通过转动平头螺钉270使释放销构件250轴向位移，切割头120的拉动导致制动凹槽156的壁将制动动球134推入凹口257(该凹口257定位为与制动球134对准)。
62.再次，通过将所有制动件134与制动凹槽156组合提供，还允许切割头120相对于钻头主体210自由旋转。因此，制动装置130还提供了轴承装置，以使钻头主体210和切割头120之间能够相对运动。
63.重要的是要认识到，切割头120包括可根据用户的钻孔要求与钻头主体110或钻头主体210一起使用的配置。
64.根据法规，已经以或多或少地限定结构或方法特征的语言描述了本发明。术语“包括”及其变体，例如“包括”和“由...组成”在全文中以包括性含义使用，而不是排除任何其他特征。
65.应理解，本发明不限于所示的特定特征，因为本文描述的装置包括将本发明实施的优选形式。
66.因此，在本领域技术人员适当解释的所附权利要求书的适当范围内，以其任何形式或修改要求保护本发明。