專利名稱：一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，具體地說是涉及一種可在整個鉆進(jìn)過程中形成穩(wěn)定的孔底預(yù)破碎區(qū)，保證有效地由鉆頭唇面及時排除巖屑，從而有利于提高鉆頭的碎巖能力，防止燒鉆事故，顯著提高機(jī)械鉆速的巖石破碎工具，屬于地質(zhì)鉆探領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為克服資源短缺的瓶頸，我國地質(zhì)大調(diào)查的深部巖心鉆探工作量逐年遞增，急需進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命。理論與實(shí)踐研究都證明，在鉆進(jìn)過程中如果孔底已存在預(yù)破碎區(qū)，則可大幅度提高鉆頭的碎巖效率，降低功率消耗，并延長鉆頭壽命。在現(xiàn)有的鑲嵌體鉆頭中，已有許多種類的孕鑲金剛石鉆頭，但這類的孕鑲金剛石鉆頭通常沒有仔細(xì)研究切削具在胎體扇形塊上的合理安裝位置，對胎體中金剛石的粒徑也未提出合理的匹配范圍，從而不能保證在整個鉆進(jìn)進(jìn)程中形成穩(wěn)定的預(yù)破碎區(qū)，并伴有發(fā)生燒鉆事故的隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而從選擇鑲嵌體傾斜角、胎體金剛石粒徑和鑲嵌體直徑的關(guān)系、扇形塊和鑲嵌體與孔底接觸面積之比入手，改進(jìn)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以保證鉆頭在整個作業(yè)期間能形成穩(wěn)定的孔底預(yù)破碎區(qū)，及時有效地由唇面排除巖屑，防止鉆頭胎體被燒灼，從而提高鉆頭的碎巖能力，最終顯著提高機(jī)械鉆速。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，鉆頭鋼體與含金剛石的胎體相連，所述的沖洗水口設(shè)在孕鑲金剛石的胎體上，沖洗水口把胎體分割成4個扇形塊；所述的扇形塊上均傾斜鑲焊有2 3個圓柱形人造金剛石鑲嵌體，每個圓柱形人造金剛石鑲嵌體有一半體積埋在胎體中，另一半體積凸出于胎體唇面，使圓柱體縱截面對角線的兩個端點(diǎn)位于胎體表面同一直徑上，鑲焊的圓柱形人造金剛石鑲嵌體在鉆頭唇面上沿徑向均勻分布。本發(fā)明所述的含金剛石的胎體中的金剛石粒徑應(yīng)為鑲嵌體直徑的7% 14%。所述含金剛石的胎體扇形塊與巖石的接觸面積應(yīng)為扇形塊中鑲嵌體與巖石的總接觸面積的 1.纊2. 4倍。本發(fā)明從理論與實(shí)踐研究都證明，當(dāng)含金剛石的胎體金剛石粒徑為鑲嵌體直徑的7% 14%,且含金剛石的胎體扇形塊與巖石的接觸面積為鑲嵌體與巖石的總接觸面積的 1. 8^2. 4倍，則將獲得最佳鉆進(jìn)效果。在鉆進(jìn)過程中首先由凸出于胎體的鑲嵌體在所鉆巖石表面形成預(yù)破碎區(qū)，并伴隨鉆頭的整個鉆進(jìn)過程，然后由胎體中的金剛石在預(yù)破碎區(qū)完成孔底破碎過程，借助沖洗液把被破碎的巖屑帶到孔口地面。由于鑲嵌體前部(沿鉆頭回轉(zhuǎn)方向)凸出于胎體表面，所以在鑲嵌體和胎體唇面之間的空間將積聚部分巖屑，這些巖屑有助于對胎體金剛石的研磨出刃。當(dāng)凸出于胎體唇面的各鑲嵌體都與巖石接觸并發(fā)生作用時，鉆頭將獲得最大的碎巖能力。研究表明，如果胎體中金剛石的粒徑小于鑲嵌體直徑的7%，那么這種粒徑的孕鑲金剛石不利于有效地破碎在鑲嵌體后方積聚的大顆粒巖屑，而巖屑自身又不可能通過胎體唇面(金剛石出刃)與孔底之間的小間隙。未被破碎的大顆粒巖屑將積存在孔底間隙中，增加對胎體的磨損。于是，增加了碎巖的功率消耗，降低鉆頭的壽命，而且還可能出現(xiàn)燒鉆事故。如果胎體中的金剛石粒徑大于鑲嵌體直徑的14%，那么巖屑顆粒將被研磨得很細(xì)，明顯小于胎體唇面與孔底之間的間隙，將完全被沖洗液帶走。這對于胎體的正常磨損和胎體金剛石出刃是不利的。在這種情況下，鉆頭的工作效率也會降低。因此，最佳的胎體金剛石粒徑是在鑲嵌體直徑的79Γ14%之間。研究表明，隨巖石物理力學(xué)性質(zhì)的不同，巖石破碎槽的寬度可達(dá)切削具吃入寬度的2倍以上。如果胎體扇形塊與巖石的接觸面積與扇形塊中切削具的接觸總面積之比小于 1.8倍，破碎槽的寬度將減小，那么鉆進(jìn)過程中在切削具移過后孔底將留下未破碎的巖脊， 迫使孕鑲層的金剛石不得不對這些巖脊進(jìn)行補(bǔ)充破碎。為此，將增加功率消耗，并使鉆速下降。如果胎體扇形塊接觸面積與扇形塊中切削具接觸總面積之比大于2. 4倍，那么在鉆進(jìn)過程中首先吃入巖石的切削具將建立發(fā)育充分的預(yù)破碎區(qū)，跟隨其后的切削具只是再次將預(yù)破碎區(qū)的巖屑碾磨得更細(xì)。為此，消耗于預(yù)破碎區(qū)巖石重復(fù)破碎的能量將增大，并使積聚在金剛石出刃間隙中的巖粉量增加，還可能導(dǎo)致燒鉆。只有當(dāng)胎體扇形塊與巖石的接觸面積與扇形塊中鑲嵌體與巖石的的接觸總面積之比為1. 8^2. 4倍時，鉆頭的巖石破碎過程才是最優(yōu)的。本發(fā)明鉆頭的優(yōu)點(diǎn)是鉆頭從選擇鑲嵌體傾斜角、胎體金剛石粒徑和鑲嵌體直徑的關(guān)系、扇形塊和鑲嵌體與孔底接觸面積之比入手，改進(jìn)金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可在整個鉆進(jìn)過程中形成穩(wěn)定的孔底預(yù)破碎區(qū)，保證有效地由鉆頭唇面及時排除巖屑，從而可降低功率消耗，防止燒鉆事故，顯著提高機(jī)械鉆速，并延長鉆頭壽命。


圖1為本發(fā)明的一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的鉆頭工作唇面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2Α-Α截面的放大示意圖。圖中1一鉆頭鋼體、2—胎體、3—沖洗水口、4一圓柱形人造金剛石鑲嵌體。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。實(shí)施例1 本發(fā)明的一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括鉆頭鋼體1、含金剛石的胎體2、沖洗水口 3和人造金剛石鑲嵌體4，所述的鉆頭鋼體1采用熱壓法制造，鉆頭鋼體1與含金剛石的胎體2相連。在孕鑲金剛石的胎體2上設(shè)有沖洗水口 3，所述的沖洗水口 3把胎體分割成4個扇形塊；借助模具在每個扇形塊上傾斜鑲焊3 個圓柱形人造金剛石鑲嵌體4 ；安裝圓柱形人造金剛石鑲嵌體時，每個圓柱形人造金剛石鑲嵌體4有一半體積埋在胎體2中，另一半體積凸出于胎體唇面，并使圓柱體縱截面對角線的兩個端點(diǎn)位于胎體表面同一直徑上；鉆頭工作唇面結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，鑲焊的圓柱形人造金剛石鑲嵌體在鉆頭唇面上沿徑向均勻分布。本發(fā)明還需要控制含金剛石的胎體中的金剛石粒徑J1應(yīng)為鑲嵌體直徑式的7%， 而胎體扇形塊與巖石的接觸面積應(yīng)為扇形塊中鑲嵌體與巖石的總接觸面積的1.8倍。這樣的鉆頭才能保證在鉆進(jìn)過程中取得最佳效果，并防止燒鉆事故的發(fā)生。本發(fā)明的一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭按下述方式工作
鉆進(jìn)時把軸向載荷和扭矩傳遞到鉆頭含金剛石的胎體2的扇形塊上，這時凸出于胎體 2的圓柱形人造金剛石鑲嵌體4參加巖石的預(yù)破碎，形成宏觀和微觀裂紋網(wǎng)絡(luò)，而胎體2上的金剛石完成后續(xù)的巖石破碎過程，巖石的預(yù)破碎伴隨著鉆頭的整個鉆進(jìn)過程。因?yàn)閮?yōu)選了胎體2中金剛石粒徑與鑲嵌體4的直徑之比和胎體2扇形塊接觸面積與鑲嵌體4的總接觸面積之比，使破碎下來的巖屑尺寸略小于胎體唇面與孔底之間的間隙，大部分巖屑將被沖洗液順利攜帶至孔口地面，一部分殘余的巖屑將有利于胎體唇面的自銳。因此，可減少甚至消除孔底對大顆粒巖屑進(jìn)行二次破碎的能量消耗，提高機(jī)械鉆速，消除因大量巖屑積聚在孔底而導(dǎo)致燒鉆事故的可能性。本發(fā)明的一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，其結(jié)構(gòu)與工作方式同實(shí)施例1，不同的是在每個扇形塊上只傾斜鑲焊2個圓柱形人造金剛石鑲嵌體；含金剛石的胎體中的金剛石粒徑J1應(yīng)為鑲嵌體直徑式的14% ；而胎體扇形塊與巖石的接觸面積應(yīng)為扇形塊中鑲嵌體與巖石的總接觸面積的2. 4倍。這樣的鉆頭也能保證在鉆進(jìn)過程中取得最佳效果，并防止燒鉆事故的發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，包括鉆頭鋼體、含金剛石的胎體、沖洗水口和人造金剛石鑲嵌體，鉆頭鋼體與含金剛石的胎體相連，其特征在于所述的沖洗水口設(shè)在孕鑲金剛石的胎體上，沖洗水口把胎體分割成4個扇形塊；所述的扇形塊上均傾斜鑲焊有2 3 個圓柱形人造金剛石鑲嵌體，每個圓柱形人造金剛石鑲嵌體有一半體積埋在胎體中，另一半體積凸出于胎體唇面，使圓柱體縱截面對角線的兩個端點(diǎn)位于胎體表面同一直徑上，鑲焊的圓柱形人造金剛石鑲嵌體在鉆頭唇面上沿徑向均勻分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，其特征在于所述的含金剛石的胎體中的金剛石粒徑應(yīng)為鑲嵌體直徑的79Γ14%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，其特征在于所述含金剛石的胎體扇形塊與巖石的接觸面積應(yīng)為扇形塊中鑲嵌體與巖石的總接觸面積的 1. 8 2. 4 倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種形成穩(wěn)定預(yù)破碎區(qū)的鑲嵌體鉆頭，包括鉆頭鋼體、胎體、沖洗水口和人造金剛石鑲嵌體，在孕鑲金剛石的胎體上設(shè)有沖洗水口把胎體分割成4個扇形塊；在扇形塊上傾斜鑲焊圓柱形人造金剛石鑲嵌體，圓柱形鑲嵌體一半體積埋在胎體中，另一半體積凸出于胎體唇面，使圓柱體縱截面對角線的兩個端點(diǎn)位于胎體表面同一直徑上，鑲焊的鑲嵌體在鉆頭唇面上沿徑向均勻分布。本鉆頭制造時應(yīng)使胎體金剛石粒徑為鑲嵌體直徑的7%~14%，胎體扇形塊與巖石接觸面積為鑲嵌體總接觸面積的1.8~2.4倍，則鉆頭在鉆進(jìn)中形成穩(wěn)定的預(yù)破碎區(qū)，可獲得最佳鉆進(jìn)效果。使用本鉆頭可提高機(jī)械鉆速，延長鉆頭壽命；消除因大量巖屑積聚而導(dǎo)致燒鉆事故的可能性。
文檔編號E21B10/60GK102425379SQ201110285799
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者姚鄒, 扎科拉А.P., 李田軍, 波格丹諾夫R.К., 鄢泰寧 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)