[发明专利]带切削刃的柱齿及其钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种带切削刃的柱齿及其钻头，适用于制造用于取水、采矿、石油及天然气钻探与开采、地质钻探等钻井作业和各种土建施工的凿岩等用的钻头，该钻头上采用带切削刃的柱齿。钻头包括以碾压方式工作的牙轮钻头，以旋冲方式工作的潜孔钻头与柱齿钎头等。

背景技术

从来的潜孔钻头、柱齿钎头与牙轮钻头上使用的柱齿，按头部几何形状分：旋转体的半球形柱齿、锥形柱齿、抛物线形柱齿等，非旋转体的如楔形柱齿、勺形柱齿等。其中在旋转体的基础上去掉一部分材料而形成的变形柱齿如尖爪柱齿，或楔形柱齿的楔形面凹陷而形成的勺形柱齿等。旋转体柱齿完全没有切削刃，但其变形如尖爪柱齿可以说具有切削刃，因结构上从旋转体中去除了一部分材料，其抗冲击的能力下降了，故很少应用于需要承受较大冲击的潜孔钻头上，虽然有专利号为：US5881828和US6119798的美国专利公开了这样的设计。楔形柱齿具有不锋利的切削刃，有一定的切削能力，但其抗冲击的能力也比旋转体的柱齿要低，它们较多地应用于牙轮钻头等，参见专利号为：US4598779和US6145605的美国专利。与本发明最接近的对比文件是专利号为004607712的美国专利，它的合金柱齿刃口凸出球面，并径向朝外分布，工作时它的刃口以既剪切又冲击的方式破岩工作，因而容易在冲击时破损，寿命不长。

镶有柱齿的钻头例如潜孔钻头与牙轮钻头等在工作时，柱齿特别是周边的柱齿或称边齿在破岩过程中既有对孔底部岩石的冲击，又有较多的对孔底，特别是对孔底部壁面岩石的切削。而要求柱齿同时满足既能冲击又能切削，也即要求柱齿材料同时具有极高的硬度与冲击韧性这个存在一定程度矛盾的要求，一直是技术上的一个难题。而头部是球形的柱齿在理论上就完全不适合切削岩石，特别是它的球头在岩石上作切向运动切削岩石的同时，在垂直于剪切运动的方向对岩石施加了很大的压力，大幅提高了岩石的抗剪切强度，不仅增加了切削阻力及摩擦功耗，消耗更多的钻机机械动力，还加快了柱齿的磨损速度。同时，现有的潜孔钻头上的柱齿也是安装成垂直于钻头头部旋转面的，因为边齿的紧固问题也是首先必须保证，所以难以在其起切削作用的柱齿前沿安排排渣槽或起排渣或暂存石渣作用的空间，因而该处的钢胎体容易在钻头旋转时被堆积的石渣磨损，形成边齿紧固圈的缺损，造成边齿的早期脱落。再加上边齿侧面对孔壁起切削作用的部位磨损后，所钻孔孔径缩小，造成排渣困难，使得钻进速度降低的同时加剧磨损钻头钢胎体，进一步加速了钻头的失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种带切削刃的柱齿及其钻头，与常规方式相比，钻头柱齿的头部在与孔底面岩石接触承受冲击负荷处基本保持现有设计所采用的球形或其它如子弹头形等，而在柱齿头部与孔壁面接触并且刮削孔壁的柱齿头部侧面位置，则设计带有切削刃。

本发明的目的是这样实现的：根据钻头包括潜孔钻头与牙轮钻头磨损最快的柱齿是边齿，并且其柱齿头部承受冲击的部位与负担主要切削任务的部位大致上垂直只有少量重叠，而将主要承受冲击并且最先与井底接触的柱齿头部部位基本保持现有设计的球头状或子弹头状等，与负担井壁切削任务并且只与井壁接触的柱齿边侧设计为带有切削刃，并且切削刃结构是从承受井底冲击的柱齿头部附近连续过渡到主要负担井壁切削任务的柱齿边侧时切削刃的刃前面与刃后面尺寸为最大的。与从旋转体中去掉了一部分材料形成的尖爪柱齿和楔形柱齿的楔形面凹陷而形成的勺形柱齿等不同，本发明的柱齿在采用了垂直于头部受冲击表面的切削刃设计的同时，基本保持了柱齿头部原有的旋转体结构，并且它的冲击与切削工作部位是独立分开的。对潜孔钻头而言，冲击工作与切削工作也在时间上分开。因而既保持了原有的抗冲击强度，切削刃也有较长的寿命。

由于采用上述方案，可以方便地构成具有较好制造经济性与较长使用寿命的带切削刃的柱齿及其钻头，包括潜孔钻头、柱齿钎头与牙轮钻头，而潜孔钻头也包括液动与气动的潜孔钻头及其派生的变形如扩孔钻头、取心钻头等。

附图说明