[发明专利]一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头

说明书

一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头，属于地质钻探技术领域，包括钻头胎体、钢体、水口、热管和导热柱，所述钻头胎体与钢体连接，钻头胎体由胎体工作层和胎体过度层组成，在钢体上沿轴向开设有钢体螺纹孔；所述水口开设在钻头胎体上并将钻头胎体分隔成若干刀翼，且在刀翼上对应钢体螺纹孔位置开设有沿刀翼轴向贯穿的胎体螺纹孔；所述热管分为蒸发段和冷凝段两部分，且蒸发段安装在胎体螺纹孔内，冷凝段安装在钢体螺纹孔内，在热管内注入有工质；所述导热柱与热管螺纹连接构成传热部件，导热柱安装在胎体螺纹孔内，且导热柱高度与胎体工作层高度相等，本发明提及的钻头结构设计起到双重散热降温的效果，加快金刚石钻头胎体底部的冷却。

技术领域

本发明属于地质钻探技术领域，具体为一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头。

背景技术

在地质钻探领域，金刚石钻头的非正常磨损率高达30％～40％，该非正常磨损中，大部分属于热磨损。因此，加快钻头工作过程中的散热，强化钻头传热，快速降低钻头胎体温度是人们一直努力攻克的难题。金刚石钻头在钻进岩层过程中，胎体工作层不断与岩石、岩屑摩擦，在胎体工作层底部积聚大量的摩擦热，导致钻头磨削部位温度快速升高，过高的温度加快钻头的磨损，甚至导致烧钻等孔内事故的发生。

钻头在钻进岩层过程中钻头与胎体产生大量的摩擦热，由于岩石的导热率低，热能向岩石深度传递小，泥浆与钻头高温区接触面积小，有效散热面积很小，热量在短时间内不易散发。这样，就会有大量的热量积聚在金刚石钻头胎体底部，因此，如何快速、有效的对钻头胎体进行散热，进而强化散热，减少钻头的非正常磨损十分重要。

金刚石胎体钻头在钻进过程中其胎体温度会存在一个临界规程，即当钻压P和转速n达到某一值时，胎体温度由100℃～200℃急剧升至600℃～700℃的高温。此时，钻头胎体的钻进规程由正常规程转入了临界规程，对于不同的岩石对应有不同的临界规程。地层由复杂多变的岩石构成，钻头在地层中钻进时，其所需的钻压及转速是很难掌控的，因此钻头胎体温度急剧上升的现象就时有发生，为加快钻头胎体冷却需要增大冲洗液的泵量。由于金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙很小，为增大冲洗液的泵量，需要增大冲洗液的泵压，但泵压过大会导致钻头举离孔底，甚至会冲蚀胎体和岩心，同时冲洗液的冷却效果也是有限的，不能单纯依靠增大泥浆液泵量来防止烧钻的发生。并且，由于增大冲洗液泵量只能较小提高传热系数，而钻头有效散热面积仍只是钻头底部工作面，没有增大有效散热面积，并且有效散热面积还较小，因而钻头在孔底与泥浆进行对流传热时，总的散热量依然提高不大。

热管技术由于其高效相变传热特性，超强的导热能力被广泛应用在宇航、军工、散热器制造等行业。热管一端靠近热源，另一端靠近温度较低区域，依靠工作液体的汽、液相变在较小的温度梯度下进行热量传输，热阻很小，具有极高的传热效率。同时制造工艺简单、生产成本低廉、对环境友好、安全、可靠。热管轴向导热性极强，将其应用到金刚石地质取心钻头上可以改善单纯依靠大泵量冲洗液来获得更好散热效果的单一散热模式，利用热管技术能以较小的泥浆液泵量获得满意的效果。在达到钻头胎体冷却效果的同时，减少了泥浆冲洗液的使用成本及泥浆冲洗液排放对环境造成的污染。但目前热管在地质钻探领域的应用报道较少，在钻头方面仅见中国专利ZL201510292176.3公开的一种具有金刚石复合片的钻头，该专利中采用有芯热管来加强对金刚石复合片钻头的散热，该专利仍有如下缺陷：首先由于金刚石复合片钻头自身结构决定，支撑体上的金刚石复合片切削齿切削底部产生的热量并不能及时传导到热管的蒸发段，当钻头处于极限工况时，导致热管不能及时发挥散热作用；同时该专利中的热管排布使得热管将热量集中传导到基体的丝扣端，钻头在工作中容易出现脱扣现象；其次，金刚石复合片钻头切削刀翼之间的空隙较大，冲洗液达到切削齿上的流量大，在冲洗液的循环作用下基本能满足自身的散热；再者，专利中所选用的有芯热管，冷凝液在回流时通过吸芯液受到的阻力大，轴向热流量也会受到较小毛细极限的限制。

发明内容