專利名稱：用于潛孔鉆的鉆頭的制作方法
用于潛孔鉆的鉆頭本發(fā)明涉及用于根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的潛孔鉆(down-the-hole)的鉆頭。在潛孔鉆孔期間，不僅旋轉(zhuǎn)力，而且沖擊能形式的沖擊力都從鉆機(jī)(drill rig，鉆架)傳遞至潛孔錘鉆(hammer drill)，所述錘鉆被插入到將被鉆出的鉆孔中。旋轉(zhuǎn)力借助外部管傳遞，該外部管能夠被旋轉(zhuǎn)并且引起外部管的附接至鉆頭的一端旋轉(zhuǎn)，同時沖擊力借助活塞傳遞，該活塞能夠沿外部管的縱向方向向前和向后位移并且定位在外部管中。使用卡盤(chuck)或其他傳遞裝置傳遞旋轉(zhuǎn)力，該裝置固定地旋擰至外部管，同時一組花鍵存在于該傳遞裝置內(nèi)部，這些花鍵與鉆頭的軸上的外部花鍵相互作用，因此通過所述花鍵或花鍵連接件之間的相互作用而將鉆頭限制為在傳遞裝置中可軸向移動，以便鉆頭能夠沿傳遞裝置中的軸線位移。隨著通過鉆機(jī)傳遞的動力增加，組件材料經(jīng)受的負(fù)荷也增加。特別是自從引入液體驅(qū)動鉆機(jī)之后。主要用于在堅硬巖石中鉆孔(例如，鉆水井或鉆炸藥孔)的潛孔鉆的鉆頭受到非常大的負(fù)荷。特別地，問題隨著以下情況而出現(xiàn)，即裂紋的形成、以及鉆頭的軸在傳遞裝置與所述軸之間的花鍵連接件處的隨后的破裂。所述裂紋可通過鉆頭的軸導(dǎo)致機(jī)器故障，很簡單的，導(dǎo)致破壞。這依次能夠引起鉆頭丟失并保留在鉆孔中，這意味著必須鉆出一個完全新的孔。近年來，潛孔錘鉆已經(jīng)越來越多地用于所謂的“引導(dǎo)鉆孔”，其包括鉆出非直線的孔。在引導(dǎo)鉆孔期間，鉆巖機(jī)暴露于非常尖銳的攻擊角，并且由此暴露于非常大的彎曲力。對于鉆頭的明顯更厚的前部部分由其如此。該部分稱為“鉆機(jī)頭部”，并且具有沿鉆孔方向的中的突出部(overhang)的形式，其在傳遞裝置前方突出并且以此方式形成一杠桿的形式，該部分的樞轉(zhuǎn)點位于這樣的區(qū)域中，即鉆頭的后部(或臺肩)在此處經(jīng)過而進(jìn)入軸，該部分具有明顯更小的直徑。應(yīng)理解，在鉆頭中的具有長突出部的該部分處產(chǎn)生特別大的彎曲負(fù)荷，所述突出部通過從傳遞裝置突出的軸向延伸鉆頭形成。本發(fā)明的目的是實現(xiàn)用于潛孔錘鉆的鉆頭，上述問題能夠通過該鉆頭減輕。特別地，期望實現(xiàn)具有高性能以及長使用壽命的鉆頭，以及特別適合用于引導(dǎo)鉆孔的鉆頭。本發(fā)明的上述目的通過這樣的潛孔鉆的鉆頭實現(xiàn)，其展示權(quán)利要求1中明確說明的特征和性質(zhì)。形成本發(fā)明的基礎(chǔ)的洞察力在于，軸以及因此花鍵連接件的有效力吸收(active force-absorbing)區(qū)域能夠通過非有效(inactive)材料的重新分配而增加，該非有效材料位于鉆機(jī)頭部后面的鉆頭的圓柱形部分中，以便其位于鉆頭的軸上。這能夠在不對鉆頭的重量或其他性質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下實現(xiàn)。通過材料的重新分配引起鉆頭的圓柱形后部分沿鉆頭軸向方向減小、以及臺肩沖擊表面向前位移的事實，鉆機(jī)頭部的實際總軸向長度減小，并且因而也減小了鉆頭長度的在潛孔錘的傳遞裝置或外部管前方突出的部分，該部分稱為“突出部”。其結(jié)果在于，引導(dǎo)鉆孔期間在鉆頭中產(chǎn)生的彎曲力降低。以下通過在附圖中示出的非限制性實施方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中MI示出了通過根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的潛孔錘鉆的縱向截面，其具有鄰近鉆頭的部分， Mi示出了在圖ι所示的潛孔錘鉆中使用的類型的鉆頭的側(cè)視圖，ai示出了通過潛孔錘
3鉆的縱向截面，其具有根據(jù)本發(fā)明的鉆頭以及鄰近該鉆頭定位的部分，以及m示出了根據(jù)本發(fā)明的鉆頭的側(cè)視圖。
具體實施例方式

圖1示出旨在用于液體驅(qū)動潛孔錘鉆中的已知的鉆頭1。在鉆頭1的前部部分 2 (該部分稱為“鉆機(jī)頭部”)中，為了能夠鉆通巖石，已插入多個(例如)硬金屬的銷3。鉆頭1進(jìn)一步包含軸4，其在鉆機(jī)頭部2產(chǎn)生，并且其直徑比鉆機(jī)頭部的直徑小相當(dāng)多。軸4 具有縱向花鍵5。鉆頭1具有這樣的后端部分6，其通過接觸7的平面稍微加厚，為潛孔錘鉆的構(gòu)件的錘活塞8布置為沖擊在該接觸上。鉆頭1在內(nèi)部具有縱向沖洗通道9，從而通過鉆頭前部的開口將沖洗流體引走。所述沖洗流體的任務(wù)不僅是作為冷卻劑，而且也從鉆頭 1的前部運輸鉆孔切割物，并且沿鉆頭的外表面向上運輸出鉆孔后部。潛孔錘鉆具有用于與鉆頭的軸4上的縱向花鍵相互作用的傳遞裝置10，該傳遞裝置內(nèi)部具有對應(yīng)于軸4的花鍵5的花鍵5'。傳遞裝置10具有鞘的形式，并且在外部沿其長度的至少一部分具有螺紋11，傳遞裝置通過該螺紋旋擰附接在外部管12的前端，所述前端具有對相應(yīng)于傳遞裝置的螺紋的內(nèi)部螺紋11'，以便所述外部管至少部分圍繞不僅傳遞裝置而且還有鉆頭的軸。外部管12也圍繞錘活塞8。傳遞裝置10具有在其前端的平面端表面13以及具有臺肩14，當(dāng)傳遞裝置固定于外部管時，外部管12的平面端表面15與所述臺肩抵靠接觸。止動環(huán)16定位在形成為凹口(indentation)的隔間中，其具有外部管的內(nèi)表面中的軌道的形式。止動環(huán)16的任務(wù)是防止鉆頭1從外部管掉落，并且在鉆孔期間限制鉆頭向前的軸向運動。在鉆孔期間，傳遞裝置的螺紋連接部11、11 ‘原則上不受來自任何扭矩的任何負(fù)荷實際上所有的扭矩都由花鍵連接件吸收。潛孔錘鉆能夠通過接頭延伸，并且能夠形成期望長度的鉆串(drill string)。通過鉆機(jī)的影響，給予外部管12旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)運動被傳遞至傳遞裝置10，傳遞裝置10依次通過花鍵連接件將該旋轉(zhuǎn)運動傳遞至鉆頭1，以便其以與每次沖擊相關(guān)的預(yù)定度數(shù)旋轉(zhuǎn)。在所有的鉆孔期間，并且特別在鉆長孔的期間(在此期間大量的鉆孔切割物被移除)，必須在鉆出的孔的壁與鉆串之間產(chǎn)生稱為“間隙”的空間。為了實現(xiàn)所述間隙空間，鉆機(jī)頭部1的外徑超過外部管12的外徑，并且對于該目的，鉆頭具有部分徑向向外指引的銷。如圖2最清晰示出，當(dāng)沿鉆機(jī)頭部2的軸線方向觀察時，其具有前部圓柱體部分20 和后部圓柱體部分21，其中為了形成間隙空間，前部部分具有這樣的直徑，其比后部部分的直徑和外部管的直徑都稍微大一些。前部部分20在其周界外表面上具有多個切割物通道 22，這些切割物通道沿鉆頭的縱向或軸向方向延伸，并且其任務(wù)為將鉆孔切割物和沖洗流體從鉆頭的前部、向后沿傳遞裝置10的長度的一部分并且向上沿外部管12的外部表面引導(dǎo)走。切割物通道22圍繞鉆頭的頭部的周界或周界均勻分布。每個切割物通道22都被第一和第二切割物表面23、24的限制，所述第一和第二切割物表面23J4兩者在低谷25處相交，所述低谷25位于沿后部部分21的周界線處并且穿過其打開。相對于鉆機(jī)頭部2的前部部分20，后部部分21以這樣的方式下陷，即后部部分的周界與低谷25的底部基本處于相同的水平位置，以便為清除切割物提供低阻力。所述后部部分21與軸4之間的過渡被設(shè)計為臺肩沖擊表面沈，其與傳遞裝置10的前部端表面13相互作用，并且限制鉆頭的縮回后部位置。傳遞裝置10在其面對鉆頭1的頭部2的端部分具有這樣的外徑，其基本對應(yīng)于鉆機(jī)頭部的所述后部部分21的外徑，并且以該方式形成其延伸部。在圖3和圖4中示出本發(fā)明，其中來自鉆頭的圓柱形后部部分21的多余材料向后重新分配至軸4，以便所述材料以具有大的力吸收區(qū)域的花鍵連接件5、5'的形式形成力吸收部分。軸4因此延伸，同時保持與圖2中示出的現(xiàn)有技術(shù)鉆頭基本相同的重量，或者如果需要，比其稍微低的重量。在圓柱形后部部分21的范圍已在軸向方向上縮小的同時，在軸的過渡處的臺肩沖擊表面沈已位于非常接近鉆機(jī)頭部2的切割物通道22的向后朝著傳遞裝置的外部周界打開的部分。此外，軸4以及因此花鍵5也已延伸，因此適當(dāng)?shù)?，傳遞裝置配置有隆起(ridge)和凹槽的形式的對應(yīng)延伸花鍵5'。圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的鉆頭1，其中Ll表示軸4的從臺肩沈到端表面7的軸向長度，L2表示鉆機(jī)頭部2的從前表面的主平面到臺肩平面的總長度，因而包括圓柱形狀的前部部分20和后部部分21兩者，L3表示鉆機(jī)頭部的圓柱形狀前部部分21的軸向長度， 以及L4表示鉆機(jī)頭部的圓柱形狀后部部分的軸向長度。此外，Dl表示在鉆機(jī)頭部的圓柱形狀前部部分20處測量的鉆機(jī)頭部2的最大直徑，該最大直徑是與鉆機(jī)頭部的實心部分形成切線的圓周，所述實心部分位于切割物通道22之間離中心最遠(yuǎn)距離處；D2是鉆機(jī)頭部的圓柱形狀后部部分21的直徑，以及D3是軸4的最大直徑。D1/D2的比始終大于1，并且始終小于1.25 優(yōu)選地，所述比為大約1.05。臺肩的最外部部分描繪了一個圓周，應(yīng)明白，該圓周的直徑為鉆頭1的圓柱形狀后部部分21的延伸。軸4的最大直徑D3形成這樣的虛構(gòu)圓柱體，該虛構(gòu)圓柱體向前朝著鉆頭的前表面延伸，并且與位于前表面的中央處的至少一些銷3'相交，所述至少一些銷主要在所述中央銷的有效破碎表面(active crushing surface)的中心處，或者鄰近中央部分。為軸4選擇的相對于鉆頭前部處的中央銷3'的位置的直徑將沖擊能朝著鉆頭中心的區(qū)域引導(dǎo)，即沿朝著鉆機(jī)頭部的重心的方向引導(dǎo)。因此應(yīng)理解，傳遞至軸4的端表面7的沖擊能被向上和向前引導(dǎo)到達(dá)鉆頭前部的這樣的部分，鉆頭在這些部分處具有最大益處。如通過附圖清晰示出，外部管12具有均勻的外徑，其基本對應(yīng)于鉆頭1的圓柱形后部部分21的外徑D2。因而，所述部分的外部周界基本相互排成直線。此外，選擇鉆機(jī)頭部2的總軸向長度L2，以便其始終小于軸4的從臺肩沈至端表面7的軸向長度Li，并且另外，選擇鉆機(jī)頭部2的后部部分21的軸向長度L4，以便其始終小于鉆機(jī)頭部的前部部分20 的軸向長度L3。比L3/L2，即鉆機(jī)頭部的前部部分的長度L3相對于鉆機(jī)頭部的圓柱形狀后部部分的軸向長度L4的比，始終大于1。比L3/L2在從2至4的區(qū)間內(nèi)是合適的，并且優(yōu)選地所述比為大約3。鉆機(jī)頭部2的總軸向長度L2與軸4的從臺肩沈至端表面7的軸向長度Ll之間的比(即L2/L1)小于0. 3，優(yōu)選地為0. 15。本發(fā)明不限于上面已描述的以及在附圖中所示的實施方式能夠在所附權(quán)利要求限定的創(chuàng)新觀念的范圍內(nèi)以若干種不同方式改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種鉆頭，旨在用于潛孔鉆，并且包括具有前表面的鉆機(jī)頭部0)，所述前表面設(shè)有鉆機(jī)銷C3)和軸G)，其中所述軸比所述鉆機(jī)頭部窄，并且旨在以這樣的方式插入，即允許軸向滑動至鉆機(jī)夾盤的端部中，所述鉆機(jī)夾盤是潛孔鉆的構(gòu)件，并且所述軸具有后部端部分(6)，該后部端部分利用平面沖擊表面(7)稍微加厚，為所述潛孔錘鉆的構(gòu)件的錘活塞布置成撞擊到所述平面沖擊表面上，當(dāng)沿著所述鉆機(jī)頭部的軸向方向觀察時，所述鉆機(jī)頭部具有圓柱形狀前部部分OO)和圓柱形狀后部部分(21)，所述前部部分設(shè)有將鉆孔切割物引走的切割物通道(22)，所述后部部分定位在所述切割物通道的底部05)的相同水平高度處或稍微低于該底部以便接收鉆孔切割物，其中所述前部部分的直徑(Dl)比所述后部部分的直徑(擬)大，其特征在于，所述鉆機(jī)頭部( 的圓柱形狀前部部分OO)具有從所述前表面的主平面到位于所述鉆機(jī)頭部( 與所述軸(4)之間的臺肩平面06)的軸向長度 (L3)，該軸向長度(U)比所述鉆機(jī)頭部的圓柱形狀后部部分的軸向長度(L4)長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆頭，其中，所述鉆機(jī)頭部的總軸向長度(U)選擇成使得該總軸向長度始終比所述軸的從所述臺肩平面06)計算至所述端表面或所述沖擊表面(7)的軸向長度(Li)短。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉆頭，其中，所述鉆機(jī)頭部的前部部分00)的軸向長度(L3)與所述鉆機(jī)頭部的圓柱形狀后部部分的軸向長度(L4)的比例，(即L3/L4)， 始終大于1。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆頭，其中，所述鉆機(jī)頭部(2)的所述前部部分00)與所述后部部分之間的比處于2-4的區(qū)間之內(nèi)，并且優(yōu)選地為3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的鉆頭，其中，所述鉆機(jī)頭部的所述前部部分 (20)的直徑(Dl)與所述后部部分的直徑(D2)之間的比處于1-1. 25的區(qū)間之內(nèi)，其中該比優(yōu)選地為1.05。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的鉆頭，其中，所述鉆機(jī)頭部的總軸向長度 (L2)與所述軸的從所述臺肩06)至所述端表面(7)的軸向長度(Li)之間的比，(即 L2/L1)，始終小于0. 3，并且優(yōu)選地為0. 15。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求1-6中任一項所述的鉆頭，其中，所述軸(4)的最大直徑(D3)形成這樣的虛構(gòu)圓柱體，該虛構(gòu)圓柱體向前朝著所述前表面延伸并且與位于所述前表面中央的至少一些鉆機(jī)銷(3')相交，所述至少一些鉆機(jī)銷主要處于所述銷的有效破碎表面的中心或者在有效破碎表面的中央部分附近。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鉆頭，其旨在用于潛孔鉆，并且包括具有前表面的鉆機(jī)頭部(2)，該前表面設(shè)有鉆機(jī)銷(3)和軸(4)，其中該軸比鉆機(jī)頭部更窄，并且旨在以這樣的方式插入，即允許軸向滑動進(jìn)鉆機(jī)夾盤的端部中，該鉆機(jī)夾盤為潛孔鉆的組件，并且該軸具有這樣的后部端部分(6)，其通過平面沖擊表面(7)稍微加厚，為潛孔錘鉆構(gòu)件的錘活塞(8)布置成沖擊到該平面沖擊表面上，當(dāng)沿其軸向方向觀察時，鉆機(jī)頭部包括具有切割物通道(22)的圓柱形狀前部部分(20)，定位在切割物通道的底部(25)的相同水平高度處或稍微低于該底部以接收鉆孔切割物的圓柱形狀后部部分(21)，其中前部部分的直徑(D1)比后部部分的直徑(D2)更大。在具有高性能和長使用壽命，并且此外特別適合用于引導(dǎo)鉆孔的鉆頭中，鉆機(jī)頭部(2)的圓柱形狀前部部分(20)具有從前表面的主平面至位于鉆機(jī)頭部(2)與軸(4)之間的臺肩平面(26)的軸向長度(L3)，其比鉆機(jī)頭部的圓柱形狀后部部分(21)的軸向長度(L4)更長。
文檔編號E21B10/36GK102282334SQ200980154598
公開日2011年12月14日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者彼得·F·約翰松, 芒努斯·赫爾曼 申請人:瓦薩拉股份公司