[发明专利]钻头

说明书

一种多压头钻头，其包括布置在钻头面的钻探表面上的多个压头，总压头面积与钻头面面积的比率由参数KPI₁(以百分比表示)限定；平均单个压头面积与所述钻头面面积的比率由参数KPI₂(以百分比表示)限定，并且其中KPI₁与KPI₂之间的关系由等式限定。

技术领域

本发明涉及冲击钻钻头，并且更具体地涉及钻头上的多个压头的尺寸、数目放置和间距。

背景技术

现代冲击钻钻头使用球形或(或多或少)锥形压头(也称为“按钮”)来从岩体中移除碎屑(图1)。当钻探时，当用基本上穿透岩体的足够的力加载压头并且随后卸载所述力时，在压头的作用下的岩石中产生裂缝网络。当这些裂缝与岩体的自由表面相交时，岩石碎屑被释放出来。从钻探生产率的角度来看，在释放的碎屑体积/施加的功的比率尽可能高的情况下能够最有效地利用每个加载循环的施加的功(即，力x穿透距离)。如果出于任何原因，由压头产生的裂缝网络不与岩石表面相交，那么它不会释放岩石碎屑，并且实际上，浪费了施加到压头上的大部分功。

由单个压头释放的碎屑体积为施加到压头的功、压头的直径和形状以及被钻探的岩石的性质的函数。更小直径的压头需要更少的施加的功来将岩石穿透到给定距离，“更尖锐”(即，更具锥形)的压头也是如此。因此，一般而言，对于给定的岩石强度，更小、更尖锐的压头将产生比更大、更“钝”压头更好的碎屑体积/施加的功的比率(即，更有效)。

当两个(或更多个)压头相互紧靠放置并同时被加载和卸载时，每个压头产生的裂缝网络可能会合并(图2)。在这种情况下，来自单个压头的裂缝将组合成(其不然可能不能释放岩石碎屑)使得释放的碎屑比单独操作的压头将释放的碎屑的体积更大。因此，这种效果可以更有效地利用应用于施加到压头的功。释放的总体积(通过局部裂缝和压头间裂缝的组合)是上述所有变量的函数，并且也是压头间距的函数。间距太窄将不能提供裂缝的最佳聚结，而太宽的间距可能根本不会导致任何聚结。也就是说，如果压头间距太大，则相对于单独操作的压头，碎屑的释放体积不会增加(图2d)。因此，优化钻头上的压头之间的间距将提供相对于间距未被优化的对应钻头的改进的钻探性能。一般而言，压头的最佳间距将随着岩石强度的增加而减小，并且随着每个加载循环的施加的功变高而增大。因此，在岩石强度增加的情况下，如果可以适当地增加施加的功，则最佳压头间距将保持相对恒定。

现在，在冲击钻探中，通过移动的“冲击活塞”与钻头的碰撞产生施加的功(其导致压头穿透)。该功的大小是冲击活塞的质量和碰撞速度的函数。质量越大以及速度越高，施加的功越高。然而，实际上，每个循环可用的功的量受到冲击活塞和钻头本身两者的机械强度的限制。更大的冲击机构可以施加更多的功，但对于可施加到钻头的整体功水平存在实际限制，因此，平均而言，对每个压头的可用功的量也存在限制。因此，在岩石强度增加的情况下，可能无法充分调整施加的功，并且最佳压头间距可能随后减小。因此，为了有效地钻探这种高强度岩石类型，需要将钻头设计改变到压头间距减小的设计。对于给定尺寸的钻头，这意味着具有更多压头的钻头。

现在，在钻头设计变为具有更多压头的钻头设计的情况下，平均施加的功/压头下降。这进一步减小了最佳间距，从而再次需要更多的压头。实际上，鉴于这种“正反馈回路”，通过只改变压头数目可能无法达到最佳压头间距。在这些情况下，最可能只能通过还改变压头尺寸和/或形状来达到最佳间距。最需要的是具有更小和/或更尖锐的压头的钻头设计。

存在另一个实际考虑因素：在压头数目较少的钻头和/或压头尺寸相对于钻头尺寸较小的钻头中，压头在使用期间将会受到更多的磨损，因此将不会长时间保持其形状(即，它们将趋于更快地变钝)。这将改变使用期间的最佳间距。这种磨损寿命考虑倾向于将目前的钻头设计导向更大的压头，这增加了最佳压头间距并且还降低了钻探效率。然而，磨损寿命“问题”同样可以通过增加压头的数目以增加由压头占据的钻头面的比例来解决。在现有的钻头设计中，这在很大程度上被忽视了。