具有冲洗槽的冲击凿岩钻头的制作方法
【专利摘要】一种冲击凿岩钻头具有头部(100)和柄部(101)，其中多个冲洗槽(107)从前面(103)径向向外并轴向向后延伸。所述冲洗槽被构造用以优化夹带在冲洗流体中的岩石颗粒和细屑的轴向向后流。特别地，每个槽相对于所述钻头的纵向轴线(102)大体上成凸形，并且从第一槽端部到第二槽端部相对于所述轴线连续地下倾。
【专利说明】
具有冲洗槽的冲击凿岩钻头
技术领域
[0001]本发明涉及一种冲击凿岩钻头，并且特别地但非排它地涉及一种具有带有多个冲洗槽的头部的钻头，所述多个冲洗槽通过它们相对于钻头的轴线的定位而得到优化，其显著地促进轴向向后冲洗从岩面切割下来的碎片和细肩。
【背景技术】
[0002]冲击钻头在硬质岩石中钻较浅孔和产生深钻孔方面都有广泛的应用。在后一种应用中，典型地使用钻柱，其中随着钻孔深度的增加，经由螺纹接头将多个钻杆头尾联接。地面机器可操作用来将组合的冲击和旋转驱动运动传递到钻柱的上端，而定位在下端处的钻头可操作用来破碎岩石和形成钻孔。W02006/033606公开了一种典型的钻头，其包括安装有多个坚硬的切割刀片的钻头头部，这些刀片通常被称为球齿。这些球齿包括硬质合金基材料，用以提尚钻头的使用寿命。
[0003]流体典型地流经钻柱并经由钻头头部的一些孔口而在钻孔的底部处离开，从而将来自钻孔区域的钻肩冲刷走，以通过钻柱的外侧周围的钻孔向后输送。冲击钻头进一步的示例被公开在 DE3519592、US3，388，756、GB692，373、RU2019674、US2002/0153174、US3，357，507、US2008/0087473、W02009/067073和W02013/068262中。
[0004]通常，多个冲洗槽凹进到钻头中，以允许碎裂材料经由冲洗流体从钻头向后输送。US5，794，728公开了具有多个流体通路的冲击凿岩钻头，流体通路从钻头的中心钻孔延伸，以在前面处的冲洗槽处浮现。然而，常规的钻头由于许多原因是不利的。特别地，常规的冲洗槽并未优化用以促进流体从前面轴向向后流动，并且这降低了相应的钻凿性能和特别是钻头的穿进速率。此外，对于冲洗流体通路的轴向最前部分，由于接触岩石而被损坏不是不寻常的，而由于接触岩石而被损坏减少输送到前面的流体并且也减少向后冲洗从岩面上切割下来的细肩和碎片材料的效率。因此，需要解决上述问题的钻头。
【发明内容】
[0005]本发明的一个目的是提供一种冲击凿岩钻头，其优化钻进效率并且特别地提供提高的钻凿穿进速率。另一具体目的是提供一种钻头，其有效地优化轴向向后冲洗从岩面上切割下来的岩石碎片和细肩。本发明的另一个具体目的是，尽可能减少由于在切割期间接触岩面对流体冲洗通路的损害。
[0006]这些目的通过提供这样的钻头来实现，该钻头具有冲洗槽，冲洗槽从钻头的中心轴线径向向外延伸且从钻头轴向地向后延伸到钻头柄部，冲洗槽具有优化的流体流动路径长度。优化由于槽内的流体流动路径长度(从头部的轴向最前区域到在柄部的区域处的头部的径向外周界)没有突脊或尖锐的角过渡部而实现，突脊或尖锐的角过渡部否则会影响流体流动，且因此降低切割下来的碎片和细肩(其被夹带在冲洗流体中)通过槽轴向向后流动的效率。此外，经由通路在冲洗槽内出现的位置，本发明的钻头被优化用以保护流体流动通路的轴向最前区域免受岩面损坏。即，限定冲洗通路的出口孔(在前面附近)的环形前边缘定位在每个相应的冲洗槽的槽底区域处，使得该孔口边缘被定位为从前面轴向向后，并且因此在切割期间远离岩面，以避免与岩石摩擦接触过程中的损坏。因此，通路的出口孔的形状轮廓在长时间使用之后被保留下来。因此，由通路输送的流体的预期流动通路保持不受钻头的使用的影响，特别是不受前面上的损坏或磨损的影响。
[0007]有利地是，冲洗槽具有流体流动路径，该流体流动路径大体上相对于钻头的轴线成凸形，并且其远离前面(相对于轴线)连续地向后倾斜，以促进轴向向后流。因此，本发明的冲洗槽在流体流动长度内没有任何区域可以被视为垂直于轴线，这否则会使流体流径向向外偏转。对现有的钻头构造来说，这样的布置结构是常见的，且其具有通过当颗粒和细肩从轴线径向向外且从钻头表面轴向向后行进时对颗粒和细肩提供障碍而中断轴向向后流体流的效果。
[0008]根据本发明的第一个方面，提供一种冲击凿岩钻头包括:头部，所述头部设置在伸长的柄部的一端处，所述柄部具有从所述柄部的一端朝向所述头部轴向延伸的内部钻孔；所述头部具有前面和多个轴颈段，所述多个轴颈段绕所述钻头的纵向轴线周向隔开且定位在所述前面的周界处，所述前面大体上是圆顶形的；设置在所述前面上的多个前切割球齿和设置在所述轴颈段上的多个保径切割球齿；多个冲洗槽，所述多个冲洗槽在所述前面处沿从所述轴线径向向外的方向延伸并且在轴向向后的方向上继续，以限定并周向地分隔所述轴颈段，所述槽中的每个槽终止在所述柄部的附近处;至少一个流体通路，所述流体通路被连接到所述钻孔且在所述冲洗槽中的至少一个冲洗槽内在所述前面的附近作为孔口浮现，所述孔口在所述至少一个槽内从所述前面轴向凹进;其特征在于:所述冲洗槽中的每一个冲洗槽的流动路径长度大体上在从所述前面到所述柄部的方向上相对于所述钻头的所述轴线成凸形;并且所述流动路径长度被对准为从所述孔口的区域朝向所述柄部连续地轴向向后延伸，使得所述流动路径长度的任何部分都不垂直于所述钻头的所述轴线对准，以便提供用于流体从所述孔口朝向所述柄部流动的且在所述轴颈段之间的不受阻碍的轴向向后流动路径。
[0009]本发明与现有的钻头相反，现有的钻头通常包括突脊、台肩或相对尖锐的角过渡部，其垂直于每个槽的伸长主体长度对准且被定位在大致径向延伸的前面与大致轴向延伸的头部的向后区域之间的过渡部处。因此，本发明有利于允许冲洗流体内的进入的岩石颗粒不受阻碍的轴向向后流。特别地，并且优选地是，每个槽包括大体上定位在前面处的第一区域和大体上定位在每个轴颈段之间的第二区域，其中，第一和第二区域之间的过渡部是无缝的，并且没有垂直于每个槽的流体流动路径对准的任何突脊或边缘。头部的轴向向前区域和头部的轴向向后区域之间的过渡区域已根据本发明被优化，以具有引导或汇集流体轴向向后的效果并且不引导流体径向向外流动。因此，冲洗流体被保留在每个槽内，并且这提供了切割下来的岩石碎块的轴向向后运输的优化，这则增加了钻头的穿进速度，并且对于给定的深度，钻凿总时间因此而减少。
[0010]优选地，每个槽轴向向前延伸超过每个孔口。这样的布置结构有利于捕捉在钻头的最前区域处的切割下来的岩石颗粒。
[0011]优选地，在所述孔口的轴向前方且轴向后方的所述第一区域中的所述槽中的每个槽的所述流动路径长度的对准角度基本上相同。每个槽在孔口的区域处的相对定位提供不受阻碍的流体流和高效的从槽的第一(轴向向前)端到第二 (轴向向后)端的岩石颗粒的运输。本发明的槽被构造用以为流体流提供最小的破坏以及因此槽的区域处的岩石颗粒的不希望的‘聚集’或堆积，这否则可能阻碍轴向向后流。优选地，在所述第一区域和所述第二区域之间的所述过渡部处，所述槽中的每个槽包括在所述流动路径长度中的相对于所述轴线的凸形弯曲。过渡区域处的曲率可以由圆的弧表示，所述圆具有单个半径，其大约相应于头部和/或柱形柄部的半径。
[0012]可选地，第一区域内的流动路径长度对准成下倾，以便以相对于所述轴线成40至80°、45至65°或50至60°的范围中的角度朝向所述轴线倾斜。可选地，第二区域内的流动路径长度对准成下倾，以便以相对于所述轴线成5至30°、10至25°或10至20°的范围中的角度朝向所述轴线倾斜。倾斜角度对应于穿过钻头的轴向横截面，在轴线和每个槽的槽底区域之间延伸的角度。当在将槽的槽底区域一分为二的轴向平面中穿过每个槽的横截面看时，每个槽包括具有大致圆顶形轮廓的相对于轴线的大致凸形外形。限定每个槽的侧壁可以绕轴线在周向方向上弯曲，使得垂直于槽的流动路径长度的槽的宽度可以按照大致V形或U形轮廓增加。这样的布置结构有利于保持槽内流体流和优化每个槽内的颗粒的轴向向后流。
[0013]优选地，前面大体上是圆顶形的，且没有基本垂直于轴线对准的区域。基本垂直于轴线对准的这样的区域否则可能显著破坏岩石颗粒的轴向向后运输。
[0014]优选地，每个轴颈段包括保径球齿，且前面包括前球齿。可选地，钻头包括三个前球齿和六个保径球齿。可选地，两个保径球齿被设置在每个轴颈段上且周向定位在每个槽之间。具有相同数量的槽和前球齿已被发现优化了相对于破碎的颗粒被轴向向后运输的速率的岩石破碎速率。类似地，本发明包括相对于槽的数量两倍数量的保径球齿，以在不影响破碎的碎片材料轴向向后运输的情况下优化切割。
[0015]优选地，每个槽的深度大体上从前面朝向柄部增加。槽深度被优化以便提供朝向每个槽的轴向向后端的更大的容积，以便容纳从保径球齿的区域传递到槽的碎片颗粒的增加体积。再一次，这样的布置结构有利于优化岩石颗粒的切割和冲洗。
[0016]优选地，该装置还包括沟槽，该沟槽在前面中轴向凹进并且绕轴线周向地且垂直于槽延伸，其中每个孔口定位在沟槽的周向路径上，使得在每个孔口附近，沟槽和每个槽的轴向深度基本上相同。沟槽为通路的每个孔口有效地提供凹进区域。特别地，沟槽的径向内部部分地由台肩限定，该台肩的作用是偏转和遮蔽环形边缘(其限定孔口)不受岩面和碎片材料影响。
[0017]可选地，钻头包括三个流体通路和三个槽。因此，每个槽提供有它们各自的流体流。可以理解，在本发明的范围内，在没有损害或不利于切割下来的材料的轴向向后运输的情况下，考虑切割效率，前球齿、保径球齿和槽的具体数量和构造可以不同。
【附图说明】
[0018]现在将仅通过举例方式并参照附图描述本发明的具体实施例:
[0019]图1是根据本发明的具体实施例的冲击凿岩钻头的外部透视图，该冲击凿岩钻头具有头部和柄部，其中多个冲洗槽在头部上延伸；
[0020]图2是图1的钻头的头部的外部端面视图；
[0021]图3是图1的钻头头部的另一外部透视图；
[0022 ]图4是穿过图1的冲击钻头的轴向横截面视图；
[0023]图5是图4的钻头头部的放大透视横截面视图；
[0024]图6为图4的钻头头部的另一放大透视横截面视图。
[0025]本发明的
【具体实施方式】
[0026]参照图1至3，冲击凿岩钻头包括钻头头部100和从头部100向后凸出的柄部101。头部100和柄部101都以伸长的钻头轴线102为中心。头部100包括多个硬质切割刀片(此处称为切割球齿)。特别地，球齿可被分类为前球齿(front button) 105和保径球齿(gaugebutton) 106。头部100大体上是具有顶点区域112的圆顶形，顶点区域112代表前面103的轴向最前区域，前面103代表头部100的向前面向的表面。前面103形成角度，以从轴线102在向后方向上下倾(decline)，并且在其周界上通过多个轴颈段104定界。轴颈段104代表绕轴线102周向分布且大体上形成在头部100和柄部101之间的结合部处的周界地带。
[0027]前球齿105紧靠顶点112和轴线102位于前面103上。径向外部的保径球齿106设置在轴颈段104上。根据具体实施例，头部100包括三个前球齿105和六个保径球齿106，其中每个轴颈段104包括两个保径球齿106。前面103包含(encompasses)轴颈段104的向前面向的表面116并且大体上从顶点112到头部周界边缘115轴向向后连续地成锥形(taper)，头部周界边缘115代表头部100的最大外径。
[0028]总体上由附图标记107表示的多个冲洗槽被布置在头部100上。第一槽区域109大体上从轴线102径向向外延伸，并且第二槽区域110大体上从前面103且特别是顶点112轴向向后延伸。每个槽107凹进到头部100中，使得每个槽107的槽底区域117从前面103轴向向后凹进。每个槽107进一步由倾斜侧面200限定，倾斜侧面200提供从轴颈段表面116和槽底区域117的大致平稳过渡。槽107包括如由壁面200和槽底区域117限定的大致V形的轮廓和构造。该V形的轮廓大体上沿每个槽107的全部长度在顶点112的附近且在柄部101与头部100之间的过渡区域113延伸。
[0029]钻头还包括位于前面103处且特别是位于每个槽107的槽底区域117处的多个孔口108。每个孔口 108由基本上圆形的边缘114限定，所述圆形的边缘114具有比切割球齿105、106的直径小的直径。根据具体实施例，钻头包括三个孔口 108，每个位于一个相应的槽107内且径向定位在前球齿105和保径球齿106之间。然而，孔口 108偏置地定位或被定位到延伸穿过前球齿105和保径球齿106中的每一个的假想径向辐条的一侧。即，头部100的从孔口108径向向内和径向向外的区域分别没有切割球齿105、106。
[0030]头部100还包括在轴颈段104的外周界内轴向延伸的多个通道111，通道111具有大约对应于在头部周界边缘115和过渡区域113之间的轴向距离的轴向长度。根据具体实施例，头部100包括三个通道111，分别定位于三个轴颈段104中的每一个上。根据具体实施例，通道111的(在径向方向上)深度明显小于槽107的对应深度。此外，通道111不径向向内延伸超过轴颈段表面116和保径球齿106。
[0031]参照图3，每个槽107包括总体由附图标记300表示的主要长度，该主要长度被定向成沿径向和轴向方向从顶点区域112延伸到过渡区域113。槽主要长度300表示流体流动路径长度，冲洗流体被构造成在该流体流动路径长度上每个从孔口 108径向向外且轴向向后从前面118朝向过渡区域113流动(且随后沿着柄部101轴向向后流动)。特别地，流动路径长度300包括第一区域300a，该第一区域300a大体上从顶点112径向向外延伸到轴颈段104之间的区域。路径长度然后在中间的弯曲区域300c处朝向中心轴线102回弯。槽107然后继续在路径长度第二区域300b处沿大致轴向向后方向在弯曲区域300c和过渡区域113之间延伸。因此，流体流动路径长度300在第一和第二区域300a、300b和弯曲的中间区域300c上连续地朝向轴线102下倾。此外，在区域300a、300b、300c处的路径长度300没有任何突脊、边缘、尖锐的过渡部、台肩或垂直或横向于流体流动路径长度300对准的其它障碍物，上述突脊、边缘、尖锐的过渡部、台肩或其它障碍物否则表示对从孔口 108流动到过渡区域113的流体的障碍。这样的布置结构有利于优化向后冲洗从岩面分离的岩石颗粒和细肩。目前的布置结构还确保了流体与岩石颗粒被保留在槽107内，并且不“泄漏(spill)”到前面区域103上。
[0032 ] 参照图4和图6，切割钻头包括纵向延伸的内部中心钻孔400。钻孔400从柄部1I的一端401延伸，并通过多个流体流动通路(passageray)402终止在头部100处。通路402每个包括与钻孔400流体连通地连接的第一端403和作为(如由边缘114限定的)孔口 108终止在前面103处的第二端404。由于在前面103处的孔口 108的相对定位，每个通路402从轴线102径向向外延伸。为了保护孔口边缘114免受由于与岩面接触而引起的损害，每个边缘114通过定位在每个槽107的槽底区域117处而从前面103轴向向后凹进。每个孔口 108被定位成相对于靠近过渡区域113轴向更接近顶点112。特别地，每个槽107包括定位在顶点112的附近处的第一端405和定位在过渡区域113附近处的第二端406。每个孔口 108被定位成相对于离槽的第二端406，离槽的第一端405相对较短的距离。
[0033]参照图5，每个槽107包括由附图标记50 Ia和50 Ib表不的第一部分和由附图标记500表示的第二部分。中间的弯曲区域502轴向定位在第一区域501a、501b和第二区域500之间。第一槽区域501a、501b从槽第一端405连续下倾，以便轴向向后倾斜和相对于前面103凹进。第一区域501a、501b可进一步划分为最内部的区域501a和最外部的区域501b。区域501a在孔口 108和槽的端部405之间径向延伸，而区域501b在孔口 108和弯曲区域502之间径向延伸。内部和外部区域501a、501b彼此以相同的下倾角度对准，使得在每个区域501a、501b处的槽底区域117在孔口 108的每个径向侧处共面。槽底区域117然后在弯曲区域502上延伸，弯曲区域502表示从第一区域501a、501b到径向外部(且大体上轴向延伸)的第二区域500的平稳过渡部。弯曲区域502也对准为朝向轴线102轴向向后连续地成锥形(taper)且没有任何否则将垂直轴线102对准的平台部或肩部。如图所示，每个槽107的深度大体上从第一端405到轴向延伸的第二区域500的附近增加。槽107的深度大体上沿着槽第二区域500在轴向向后方向上降低，以终止在第二端406处。
[0034]参照图6，槽第一区域501a、501b相对于轴线102轴向向后倾斜的角度总体上由角度α表示。类似地，槽第二区域500相对于轴线102向后倾斜的角度总体上由角度β表示。根据具体实施例，角度α大致为55°并且角度β大致为15°。因此，径向内部的第一区域501a、501b比第二槽区域500轴向向后倾斜较小的角度，相比于第一区域501a、501b，第二槽区域500具有的流动路径长度在轴向方向上比在径向方向上对准得较多(aligned more)。如所示的，中间的弯曲区域502形成为平滑的过渡部，使得(在孔口 108和弯曲区域502之间径向延伸的)区域501b在轴向向后方向上连续地倾斜。区域501b、502和500的具体形状轮廓和构造确保夹带在冲洗流体内的岩石颗粒和细肩被有效地从孔口 108运输到钻头柄部101。这明显地增加了旋转时的钻头的穿进速度，并且轴向向前切割通过碎裂的岩石材料的有效的轴向向后运输而得到优化。具体地，使孔口边缘114在槽底区域117处凹进防止了对边缘114的损害，以便保持在每个槽107内的冲洗流体的期望输送和流动。可以理解的是，如果边缘114变得损坏或磨损从而畸形，则流体的输送路径将会被影响且冲洗性能下降。每个孔口 108径向上在前球齿105和保径球齿106的径向位置中间的具体径向定位进一步优化边缘114在切割期间免受损害。通过径向定位在前球齿105和保径球齿106之间的大体周向延伸的沟槽(trench)118，边缘114的保护进一步提高。特别地，每个孔口 108位于每个沟槽118的槽底区域处。此外，大致周向延伸的肩部119限定沟槽118的径向内部区域，其具有通过将岩石碎片适当地偏转或引导到槽107中而为边缘114提供屏障的效果。
【主权项】
1.一种冲击凿岩钻头，包括: 头部(100)，所述头部(100)设置在伸长的柄部(101)的一端处，所述柄部(101)具有从所述柄部(101)的一端朝向所述头部(100)轴向延伸的内部钻孔(400); 所述头部(100)具有前面(103)和多个轴颈段(104)，所述多个轴颈段(104)绕所述钻头的纵向轴线(102)周向隔开且定位在所述前面(103)的周界(115)处，所述前面(103)大体上是圆顶形的； 设置在所述前面(103)上的多个前切割球齿(105)和设置在所述轴颈段(104)上的多个保径切割球齿(106); 多个冲洗槽(107)，所述多个冲洗槽(107)在所述前面(103)处沿从所述轴线(102)径向向外的方向延伸并且沿轴向向后的方向继续，以限定并周向地分隔所述轴颈段(104)，所述槽(107)中的每个槽终止在所述柄部(101)的附近处； 至少一个流体通路(402)，所述流体通路(402)被连接到所述钻孔(400)且在所述冲洗槽(107)中的至少一个冲洗槽内在所述前面(103)的附近作为孔口(108)浮现，所述孔口(108)在所述至少一个槽(107)内从所述前面(103)轴向凹进； 其特征在于: 所述冲洗槽(107)中的每一个冲洗槽的流动路径长度(300)大体上在从所述前面(103)到所述柄部(101)的方向上相对于所述钻头的所述轴线(102)成凸形;并且 所述流动路径长度(300)被对准为从所述孔口(108)的区域朝向所述柄部(101)连续地轴向向后延伸，使得所述流动路径长度(300)的任何部分都不垂直于所述钻头的所述轴线(102)对准，以便提供用于流体从所述孔口(108)朝向所述柄部(101)流动的且在所述轴颈段(104)之间流动的不受阻碍的轴向向后流动路径。2.如权利要求1所述的钻头，其中，所述槽(107)中的每个槽包括大体上定位在所述前面(103)处的第一区域(501a、501b)和大体上定位在所述轴颈段(104)中的每个轴颈段之间的第二区域(500)，其中，所述第一区域(501a、501b)和所述第二区域(500)之间的过渡部(502)是无缝的并且没有任何垂直于所述槽(107)中的每个槽的所述流体流动路径对准的突脊或边缘。3.如权利要求2所述的钻头，其中，所述槽(107)中的每个槽轴向向前延伸超过每个孔口(108)。4.如权利要求3所述的钻头，其中，在所述孔口(108)的轴向前方和轴向后方的所述第一区域(501a、501b)中的所述槽(107)中的每个槽的所述流动路径长度(300)的对准角度基本上相同。5.如权利要求2至4中的任一项所述的钻头，其中，在所述第一区域(501a、501b)和所述第二区域(500)之间的所述过渡部(502)处，所述槽(107)中的每个槽包括在所述流动路径长度(300)中的相对于所述轴线(102)的凸形弯曲。6.如权利要求2至5中的任一项所述的钻头，其中，所述第一区域(501a、501b)中的所述流动路径长度(300)对准成下倾，以便以相对于所述轴线(102)成40°至80°的范围中的角度(α)朝向所述轴线(102)倾斜。7.如权利要求2至6中的任一项所述的钻头，其中，所述第二区域(500)中的所述流动路径长度(300)对准成下倾，以便以相对于所述轴线(102)成5°至30°的范围中的角度(β)朝向所述轴线(I 02)倾斜。8.如任一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述槽(107)中的每个槽包括轴向最前区域(501a)，所述轴向最前区域(501a)在所述前球齿(105)之间沿径向和轴向的方向延伸。9.如任一项前述权利要求所述的钻头，其中，每个槽(107)包括定位在所述前面(103)的轴向最前区域(112)的附近处的第一端(405)和定位在所述柄部(101)的附近处的第二端(406)，其中，所述孔口(108)被定位成相比靠近所述第二端(406)更靠近所述第一端(405)。10.如任一项前述权利要求所述的钻头，其中，所述槽(107)中的每个槽包括在垂直于所述槽(107)中的每个槽的所述流动路径长度(300)的平面中的大致V形轮廓。11.如权利要求10所述的钻头，其中，所述槽(107)中的每个槽的深度大体上从所述前面(103)朝向所述柄部(101)增加。12.如任一项前述权利要求所述的钻头，进一步包括沟槽(118)，所述沟槽(118)在所述前面(103)中轴向凹进且绕所述轴线(102)周向地并垂直于所述槽(107)延伸，每个孔口(108)被定位在所述沟槽(118)的周向路径上，使得所述沟槽(118)和每个槽(107)在每个孔口(108)的附近处的轴向深度基本上相同。13.如任一项前述权利要求所述的钻头，包括三个冲洗通路(402)和三个槽(107)。
【文档编号】E21B10/40GK105917068SQ201480070830
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年12月15日
【发明人】安德烈亚斯·林德斯卡尔, 约翰·哈马尔格伦
【申请人】山特维克知识产权股份有限公司