[发明专利]掘进钻头

说明书

本发明设计一种用于在地层中钻孔的旋转钻头。在现有技术中已应用了多种类型的掘进钻头，例如牙轮钻头和喷射切割钻头。这些钻头上一般都设有锋利的切削元件，这些切削元件由具有高抗磨性的材料制成，例如广泛使用的金刚石、碳化钨硬质合金等材料。这些切削元件的切割作用主要是由切削件沿钻孔底部的刮擦获得的。钻头在钻孔中的进程(即钻进速度)取决于许多因素，例如切削元件的磨耗量、岩层的硬度和钻头上的承重等。由于井孔的钻进费用占井孔总投资的绝大部分，所以一直存在降低钻井费用，也就是增加钻井速度的需求。

因而本发明的目的是提供一种钻头，它可在地层中增加井孔的钻进速度。

根据本发明，提供了一种用于在地层中钻孔的旋转钻头。该钻头包括多个切削元件，这些切削元件用来在井孔的底部切削出多个径向间隔、大体为环状的切口，切削元件都至少包括一个切削/剪切部件，每个切削/剪切部件的设置方式是这样的：使其可在所说切削元件的另一个切削/剪切部件的一定的角度间隔之后切入到井孔的底部，由此在由该切削/剪切部件和所说的其它切削部件形成的切槽轨迹内就圈定了一块岩石料，所说的切削/剪切部件上还设置了用于在所说其它切削元件的切口方向上铲出所说岩石料体的装置。

岩石料体可被切削/剪切部件铲出的原因在于：1)其它的切削元件进行了最初的切口，这一切口形成了将岩石料体铲去的边界，以及2)由于最初切口提供了一个空间，在该空间内岩石料体在切削/剪切部件的作用下而被移走。因而，根据本发明的钻头具有切割和铲刮功能，从而本发明的钻头相比通常的钻头可从钻孔的底部掘去更多的岩石料。所以其钻进速度显著高于普通的钻头。

相应地，该旋转钻头还应包括一个钻头体、和多个与该钻头体转动连接以便于基本沿钻孔的底部进行转动的牙轮，牙轮的转动轴线在不同的径向定位方向延伸，在每个牙轮上都设置了至少一个所说的切削/剪切部件。

如果每个切削/剪切部件都形成一个绕安装了所说切削元件的牙轮旋转轴线方向延伸的盘式牙轮，则就可有效地切割和铲出岩石料体。

最好在每个牙轮上都设置一套所说的盘式牙轮，这些盘式牙轮沿牙轮的轴线间隔设置，不同牙轮上的多组盘式切轮在钻头的径向方向具有一定的相互位错。

下文将通过参照附图的实施例对本发明进行描述，图中：

图1示意表示了本发明第一种实施方式的钻头侧视图；

图2表示了图1中所示的第一实施方式的右半部结构；

图3示意表示了本发明钻头的第二种实施例的侧视图；以及

图4示意表示了本发明钻头的第三种实施例的侧视图。

在附图中相同的数字标号对应相同的部件。

图1和图2中第一种实施方式的钻头1包括一个钻头体3、一个用来将钻头1连接到钻杆上的螺纹连接件5、以及旋转连接到钻头体3上位置相对的两个牙轮7、9，由此使牙轮7、9的转动轴线10、11向下倾斜，并与钻头1的回转轴线12相交于交点14处。作为其它的方案，牙轮可被偏移一定程度，以使得牙轮的轴线不会和钻头1的回转轴线相交。在牙轮7上设置了一组切削/剪切部件，这组切削/剪切部件是以盘式牙轮7a、7b、7d、7e的形式出现的，在牙轮9上设置了一组切削/剪切部件，该组切削/剪切部件是以盘式牙轮9a、9b、9d、9e的形式出现的。每个属于牙轮7、9的盘式牙轮具有一个沿垂直于牙轮7、9转动轴线方向延伸的切割缘。盘式牙轮7a-d和9a-d的安装方式使得各盘式牙轮与钻孔底部接触点的包络线具有外凸的形状。

盘式牙轮组7b-e和9b-e被设置的方式使得它们在钻孔底部的径向方向相互交错。这样，如从径向方向看，盘式牙轮组7b-e和9b-e交错地接触钻孔的底部。为了表示盘式牙轮间的交错安装方式，盘式牙轮7b-e的下端部分以阴影形式表示在盘式牙轮9b-e的各个下端部分之间。这样，当钻头1从图1所示的定位状态转过180°时，盘式牙轮7b-e就处于以阴影表示的区域。

径向最外的盘式牙轮7a、9a被设置在钻头上基本对等的径向部位，在盘式牙轮7a对着钻孔壁的侧边上还设置了(外)插入切削元件16，以便切割钻孔的径向外周部分。类似地，在每个牙轮的内端部上还安装了(内)插入切削元件16，以便于掘出位于钻头1旋转轴线12附近的岩石料。

如图1所示，每个盘式牙轮具有两个侧面18、20，这两个面唯一确定了一个楔形的切割缘17，其它的盘式牙轮具有类似的侧表面和切割边缘。每个侧表面18沿垂直于盘式牙轮所属牙轮7、9的转动轴线10、11方向延伸。这样，在钻进过程中，侧面18在交点14的方向上推挤岩石。侧面20在与钻孔底部的接触点处，沿钻头1的转动轴线方向平行延伸。