CN1285023A - 岩层钻具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻具,更具体来讲是一种转动钻进和/或冲击钻进的岩层钻具(1)。为了改善所述钻具的钻进特性,钻孔屑清除槽(7)被分隔成至少两个清除槽部分。每个部分包括一个钻屑运送面。如图所示,在清除槽(7)中设置了一个所谓的侧条(13),所述的侧条(13)基本是主侧条(8)的缩小形状。长度为h2的清除槽(7)被分成长度为h4的底槽部分和长度为h5的顶槽部分。侧条(13)的厚度用h8表示。侧条(13)的外脊面用数字标号(22)表示。外脊面(22)的外径用d3表示。
Description
本发明涉及一种钻具，尤其是如本申请权利要求1前序部分所述的岩层钻具。
岩层钻具包括：一个钻头，在该部位通常设置了一个碳化物切削刀片；一个邻接所述钻头部位的单头或多头螺旋状输送螺杆；以及一个在螺杆后面的夹紧杆，用于将钻具固定在一个钻机上。在岩层钻具中，输送螺杆的主要作用是将碳化物切削刃刮削下来的材料、即钻屑或岩粉输送到钻孔外面去。因而，钻屑槽的尺寸、即有效输送截面的尺寸对钻具的性能是致关重要的，也就是说，具有好的钻屑排出能力可保证钻具具有良好的掘进性，并防止钻具在钻孔中发生跳刮和由于钻具卡死、过热或其它故障而造成的损坏。钻屑槽具有良好的输送性能还可以延长钻具的工作寿命。
此外，输送螺杆还必须满足钻具在钻孔中的刚性导向性能的要求。
单头或多头输送螺杆上用于输送钻屑的排屑槽是由两个相同的螺旋盘曲肋板围成的。因而，这些肋板就形成了钻屑的运送面或运输面，所述运送面延伸向钻屑的输出方向、即朝向夹紧杆的方向。肋板的外周面或侧面形成了所谓的肋板脊面，并具有一定的脊宽，该脊面的宽度越大，钻具在钻孔中的导向稳定性就越好。但缺点在于，大的脊宽就增加了在钻孔中的摩擦阻力，并减小了用于输出钻屑的排屑槽的容积。相应地，在设计中必须折衷考虑两个方面：即一方面是肋板的脊面宽度和对应的输送槽容积；另一方面是理想的导向性能。
在专利文献DE-B 2013328的附图中表示了这样的双头输送螺杆的基本结构。
目前有许多种设计构思来改进钻屑槽的输送性能。例如，专利文献EP 012640982就提出这样的方案：通过在指向钻具夹紧端的方向上增加输送螺杆的螺距高度，来使得钻头部位的肋板面数增加，从而改善了导向性能。这同时也在指向夹紧端的方向上、即钻屑的传输方向上增大了钻屑槽的尺寸，因而避免了发生钻具卡死的现象。
在专利文献ED 3014693 C2中提出了这样的构思：只要使孔壁和排屑槽中的钻屑之间的摩擦力大于钻屑和排屑槽表面间的摩擦力就可使传输螺杆具有良好的输送性能，然而，为了实现这一关系，钻屑槽的容积必须始终和所提升的岩屑数量相适应，才能保证这样的摩擦比。但由于在不同的掘进条件下具有不同的钻屑掘取量，这一要求是不可能的。因此，该现有技术提出了在朝向钻具夹紧端的方向上分段增加钻屑槽的构思。
专利文献DE-4338667公开了一种岩层钻具，在该文献中通过在螺旋形肋板的脊面上设置沟槽来减小钻具和孔壁的摩擦力。这些次级沟槽显著地减小了肋板脊面的面积，从而减小了摩擦。在一定程度上，这些沟槽也起到排出钻屑的作用，虽然这只是一个次要的效果。
本发明的目的是提供一种钻具，这种钻具相对于现有的钻具具有改善的钻屑输送能力，并具有小的孔壁摩擦力。因而，通过尽可能简单、因而也是高性价比的设计措施，实现理想的效果。
该目的是通过由权利要求1前序部分所述的钻具出发，用该权利要求中的区别技术特征进行限定而实现的。
权利要求1中所限定的岩层钻具的优点和其它适当的扩展形式在从属权利要求中进行了限定。
本发明基于这样的发现：钻屑在钻屑槽中良好的输送性能还受到钻屑运送面尺寸的很大影响。该面积是由排屑槽的数目、及每个排屑槽相关肋板上的运送面决定的。足够数目的钻屑运送面是由螺旋形延伸的肋板上的侧面组成的，所述侧面大体垂直于钻具的纵向轴线。根据本发明所设计的钻具中，在除了设置通常的具有相应运送面、输送刃面或输送侧面的主肋板之外，还设置了例如次级肋板或次级侧肋的所谓次级输送元件，而这些次级输送元件又额外提供了另外的钻屑运送面。因而，该次级肋板可类似于主肋板进行设计。但是，它们的外直径要基本小于输送螺杆的的外直径，从而在改善输送性能的同时减小摩擦损耗。还可以在芯杆上设置凹槽来为钻屑提供另外的运送面或输送刃面。
利于本发明的措施，就可能使排屑槽成为所谓的双槽或多槽形式，使得在一个排屑槽中最好形成了一组单个的沟槽，这些沟槽都具有相应的钻屑运送面。
该基本发现产生了很多种实现该基本构思的可能的设计方案。这些可能的设计方案包括改变次级肋板的布置形式和/或改变以次级输送刃面形式出现的次级运送面的形状。还可以改变次级输送元件的数目，这就明显地将排屑槽分成了几个具有相同或不同大小、相同或不同深度的亚沟槽。
在下文的描述和附图中，对根据本发明基本设计构思的多种示例性的实施方式进行了详细的描述，在附图中：
图1是根据本发明的一种钻具的整体视图；以及
图2到图13表示了图1中钻具的多种变化形式。
表示在图1中的示例性的实施方式组成了本发明的基本型。此处，是这样来实现设置主肋板与次级肋板的基本发明原理的：在一个现有的排屑沟槽7中形成几个单独的排屑槽部分，所述的各个部分形成了它们自己另外的钻屑运送面。对这一基本型进行变形的实施方式表示在图2到图13中。
图1所示的岩层钻具1包括一个钻头2，其最好是设置在端头部的一个碳化物切削刀片3；一个螺杆4，其带有一个输送螺旋5；以及一个与此相邻的夹紧杆6，用于将钻具***到一个驱动机械上。
在图1所示的示例性的实施例中，螺旋输送杆是螺距高为h1的单头螺旋，这就在周围形成了螺旋状的排屑槽7，其槽高为h2，其两侧由相同的螺旋延伸肋板8围成。肋板高度h3形成了肋板8的外周面或脊面9。脊面9的直径d1即为输送螺杆的外径。钻具的标定直径是由碳化物刀头3的外径D确定的。钻具输送螺杆芯杆部分31的直径表示为d2。
由钻屑槽或排屑槽7输送的钻屑或岩料堆积在运送面11上，该运送面延伸向输送方向10，其断面轮廓基本垂直于钻具的纵轴线。
在图1所示和图2中的放大表示中，在排屑槽7中设置了一个所谓的次级肋板13。该次级肋板13基本为主肋板8缩小比例的变型。但是，它也可以有其它的几何形状。高度为h2的排屑槽7由次级肋板13分成了一个高度为h4的底槽部分14和一个高度为h5的顶槽部分15。次级肋板13的高度为h8。次级肋板13的外脊面表示为22。该外脊面22的外径用d3表示。
相对于主肋板8设置的另外次级肋板13形成了额外的运送面17，该运送面也同样大致垂直于钻具的纵轴线10。
在图1、2所示的实施例中，次级肋板的外径d3被设置得只比输送螺杆7的外径d1略小一些。这样，排屑槽7就形成了具有两个槽部14、15的双槽结构，并具有用于排出钻屑的主运送面11和副运送面17。相应地，次级肋板13在排屑槽7中同样延伸成了一个螺旋状的次级输送螺杆，其螺距为h7。
如图1、2所示，槽高分别为h4、h5的底槽部分14和顶槽部分15被设计成近似相同的尺寸。在图3所示的实施例中这两部分也是相同的。图3中相同的部分采用了相同的数字标号。但在图3中，次级肋板18的外径d3被设计得相当地小，这就使得用于输送钻屑的运送面17的面积相对很小。和图2中一样，沟槽部分14、15在图3中也是对称设置的，即h4≈h5。在图2、3所示的示例性的实施例中，d3和d1的直径比大约在0．7到0.95之间，以形成足够的次级运送面17。在特定的情况下，采用具有相同数值的外径也是适宜的。
图5到图11具体表示了对上述图2和图3中的实施例的进一步变型。在这些图中，相同的部件用相同的数字标号表示。
在图4和图5中，不同于图2所示的实施例，无论是主肋板8’还是次级肋板19都设计成了锯齿形，也就是，在主肋板8’上和次级肋板19上和运送面11、17相对的另一侧上的表面被分别设计成了斜面20和斜面21。
在图4中，排屑槽14、15也采用了对称设计，即h4≈h5。在图5中，槽的划分是不对称的，在图5的情况中为h4＜h5，即排屑槽14部分要小于排屑槽15部分。次级肋板19的外脊面22的直径d3可类比于图2、3所示进行设计。在图4、5的表示中，直径d3的设计是相同的。
对本发明进一步的改动表示在图6、7中。在这些图中，排屑槽7被分成了三个亚槽部分14、15、16，各个排屑槽部分的高度分别为h4、h5、h6。类比于图2、3中的实施例的设计，主肋板8基本为直角形设计，而类比于图4、5中的实施例的设计，第二肋板19被设计成锯齿的形状。
图7所示的变型和图6所示变型的不同之处仍在于：沟槽部分14、15、16的划分是不均匀的，底槽部分14和中间槽部分15具有大体相同的槽高h4≈h5，而顶槽部分16的槽高h6则大约为h4、h5的两倍。
类似于图4、5的情况，在图7中的肋板8’、9也被设计成锯齿的形式。
在图6、7中，外脊面22的外径d3的尺寸和输送螺杆直径d1的关系与图2、3中的情况一样。
图8所示的实施例和图2所示的实施例极为相近，不同之处只在于次级肋板23是弧形的，并形成了一个顶尖角，次级肋板同样也在排屑槽7中对称设置。主肋板8仍然采用直角形设计，如图2、3中的情况那样。
图9所示的实施例中表示了一个三角形的次级肋板24，其也对称布置在排屑槽7中，而主肋板8则被设计成梯形的断面。同样，排屑槽7被对称地分成两个排屑槽部分14、15。
在图2到图9所示的实施例中，排屑槽部分的芯杆直径都大体按照同样的设计确定的。该芯杆直径表示为d2。
与此相反，在图10、图11所示的实施例中，排屑槽部分14、15的芯杆直径是不同的。
在图10中，底槽部分14的芯杆直径为d2，顶槽部分15的芯杆直径为d4，其中d2＜d4。通过减小顶槽部分15的芯杆直径，排屑槽的空间被进一步增大，以利于容纳钻屑。次级肋板13的次级运送面17也因而获得了增大。这就使得补偿因外直径d3(d3＜d1)减小而损失的空间成为可能。
在图11所示的实施例中则为相反的情况，在该实施例中，底槽部分14的芯杆直径d4较小，而顶槽部分15的芯杆直径d2则为正常值。
在图2到图11的实施例中，表示了本发明可能的多种形式，来通过相对于主肋板8、8’、8”设置次级肋板13、18、19而在一个单头或多头输送螺杆的排屑槽7中形成几个排屑槽部分。对次级肋板的几何结构有多种不同的设计。还可将多个排屑槽部分在排屑槽7中进行均匀布置或不均匀布置，来由此影响排屑槽的性能。最后，通过使槽部具有不同的芯杆直径而使槽的容积有所不同。
本发明进一步的变型表示在图12、图13的实施例中。在这些实施例中，取代于相对于主肋板8而言设置一个或多个另外的次级肋板，而是由多个凹口25、26来形成反肋板。因而，输送螺杆的芯杆断面被这些相应的凹口而削弱，同时却产生了对应的运送面17、28。
相应地，在图12所示的实施例中，在输送螺杆上形成了一个鼻形的切槽29，这就将芯杆的断面直径最大程度地减小到了d5。所形成的斜面相对于钻具纵轴线12的倾角α≈15°。
这些另外形成的运送面27将排屑槽7分成了一个高度为h4的底槽部分14和一个高度为h5的顶槽部分，其中h4≤h5。
在图12中的鼻形切槽29以及运送面27在图13的实施例中由一个半圆形的高度为h9的切槽30来代替。该半圆形切槽30也形成了另外一个用于容纳钻屑的运送面28。这样，在图13所示的实施例的情况中，排屑槽7也被分成了一个底槽部分14和一个顶槽部分15。
在所有这些附图中，箭头10表示钻屑在钻屑槽中的传输方向，该传输方向朝向于夹紧头6的方向。
本发明还可以这样进行实施：不是在现有的排屑槽中设置排屑槽部分，而是设置多个螺旋形的排屑槽，但在此情况下，各个排屑槽的限定肋板的外径应具有不同的数值。例如，在采用双螺旋或四螺旋的输送螺杆的情况下，每隔一个的肋板的外直径都要被设计得小一些，这样就降低了孔壁的摩擦力。这样的肋板外径变化在输送螺杆的长度方向上可以是均匀布置或非均匀布置的。还可以按照需要对肋板本身作这样的设计：即在肋板某一段转角范围n×360°(n可以等于1、2或3)内，外径增大或减小，这就恒定地减小了孔壁的摩擦力，同时保持了输送螺杆的输送能力。
本发明并不仅限于上述这些示例性的实施方式。而是覆盖了权利要求书所表达范围内的、对本领域普通技术人员来说相似的所有改动或变型。
1 钻具
2 钻头
3 碳化物切削刀片
4 螺旋杆
5 螺旋状输送螺杆
6 夹紧杆
7 排屑槽
8 肋板(主)
9 外周面(脊面)
10 输送方向
11 运送面(主)
12 钻具纵轴线
13 次级肋板
14 底槽部分
15 顶槽部分
16 槽部
17 运送面(次级)
18 次级肋板
19 次级肋板
20 斜面
21 斜面
22 外脊面
23 次级肋板
24 次级肋板
25 凹口
26 凹口
27 运送面
28 运送面
29 鼻形切槽
30 半圆形切槽
31 钻具芯杆
h1 主输送螺杆的螺距高
h2 槽高
h3 肋板8的高度
h4 底槽部分高度
h5 中央槽部分高度
h6 顶槽部分高度
h7 次级输送螺杆的螺距高
h8 肋板13的厚度
h9 凹口部分高度
d1 输送螺杆的直径
D 标称直径
d2 芯杆直径
d3 次级输送螺杆的外径
d4 芯杆直径
d5 芯杆直径
t1 槽深(d1-d2)
t2 槽深(d3-d2)
Claims (13)
1．一种钻具，尤其是一种用于转动钻进和/或冲击钻进的岩层钻具，该钻具包括一个钻头；一个和所述钻头部位相邻的单头或多头螺旋状输送螺杆，其具有至少一个用于排出钻屑的排屑槽；以及一个夹紧杆，输送螺杆的排屑槽是由螺旋延伸的肋板围成的，其特征在于：为了形成主肋板(8)和次级肋板(13、18、19、23、24)，在输送螺杆的至少部分长度上和/或输送螺杆外周面的部分区域上，围成排屑槽(7)的肋板(8、13、18、19、23、24)具有不同的外直径(d1、d3)和/或不同的肋板脊面宽度(h3、h8)。
2．根据权利要求1所述的钻具，其特征在于：每个排屑槽(7、14、15、16)都是由具有不同外直径(d1、d3)的两个肋板(8、13、18、19、23、24)围成的。
3．根据权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：设置了一个双螺旋线或四螺旋线输送螺杆，那些围成各个排屑槽的肋板交错地具有不同的外径(d1、d2)和/或不同的脊面宽度(h3、h8)。
4．根据权利要求1到3中任一项所述的钻具，其特征在于：输送螺杆的一个或几个排屑槽(7)都被分隔成两个或多个排屑槽部分(14、15、16)，每个部分都具有一个钻屑运送面(11、17、17′、27、28)。
5．根据权利要求1到4中任一项所述的钻具，其特征在于：所述的排屑槽(7)是由两个主肋板(8)围成的，在两个主肋板(8)之间由至少一个次级肋板(13、18、19、23、24)形成了至少一个另外的钻屑运送面(17、27、28)，和/或在钻具芯杆(31)上至少设置了一个凹口(25、26)。
6．根据权利要求1或2所述的钻具，其特征在于：次级肋板(13、18、19、23、24)的外径(d3)被设计得小于主肋板(8、8′)的直径(d1)，次级肋板(13、18、19、23、24)的外直径最好大约为主肋板(8、8′)的外直径(d1)的70％到90％。
7．根据权利要求1到6中所述任一项的钻具，其特征在于：次级肋板(13、18、19、23、24)的脊面厚度(h8)小于主肋板(8、8′)的脊面厚度(h3)。
8．根据权利要求1到7中所述任一项的钻具，其特征在于：为了形成钻屑运送面，主肋板(8、8′)和/或次级肋板(13、18、19)的运送面相对于钻具的纵轴线(12)基本为直角轮廓。
9．根据权利要求1到8中所述任一项的钻具，其特征在于：主肋板(8、8′)和/或次级肋板(13、18、19、23、24)的运送面(11)为平面、凸面、或穴状的轮廓。
10．根据上述权利要求中任一项的钻具，其特征在于：主肋板(8、8′)和/或次级肋板(13、18、19、23、24)的截面(11)采用矩形、梯形、直角梯形、三角形、半圆形设计，和/或交汇成一个顶尖点或平坦或圆弧形设计。
11．根据上述权利要求中任一项的钻具，其特征在于：排屑槽部分的槽深(t1、t2)尺寸是相同或不同的，可将位于输送方向上的排屑槽部分或朝向钻头方向的排屑槽部分设计为较大的槽深(t1、t2)。
12．根据上述权利要求中任一项的钻具，其特征在于：次级肋板由钻具芯杆(31)上的一个凹口(25、26)代替，从而形成穴状的运送面(27、28)。
13．根据上述权利要求中任一项的钻具，其特征在于：单头或多头输送螺杆的一个或多个肋板在螺旋状的外周面部分上具有不同的外直径和/或有不同的肋板脊宽(h3、h8)。
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