边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头制造技术

本发明专利技术公开的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，涉及干热岩钻探钻具技术领域，包括钻头体、冲锤、止流杆、顶部水口、心管、冲击射流流道、钻头体中心通道、环形空间、上喷孔、下喷孔、边齿、中心齿及清洗孔底的钻井液流道，本发明专利技术的钻头体上针对边齿冷却降温设置了双束冲击射流喷孔，由于附壁作用，可将高速流体直接喷到边齿表面的高温区域，起到了强力冷却边齿的效果，降低齿面磨损，提高钻头寿命。冲锤下部增设止流杆和带有冲击射流流道的心管，在冲锤往复运动过程中，形成脉冲射流，既可清除岩屑，又能形成高速射流对边齿进行充分冷却。

Double-bundle wall-attached jet with edge teeth impacting strong cold dry-hot rock DTH hammer bit

The invention discloses a side-tooth double-bundle wall-attached jet impingement cold dry-hot rock DTH hammer bit, which relates to the technical field of dry-hot rock drilling tools, including a bit body, a hammer, a stop rod, a top nozzle, a core pipe, an impingement jet channel, a central channel of the bit body, a ring space, an upper jet hole, a lower jet hole, a side tooth, a central tooth and a drilling fluid flow channel for cleaning the bottom of the hole. A double-beam impinging jet orifice is set up for cooling edge teeth. Because of wall attachment, high-speed fluid can be directly sprayed to the high-temperature area of the edge teeth surface, which has the effect of strong cooling edge teeth, reduces the wear of the teeth surface and improves the life of the drill bit. In the process of reciprocating movement of the hammer, a pulsed jet is formed, which can not only remove debris, but also form a high-speed jet to fully cool the edge teeth.

【技术实现步骤摘要】
边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头
本专利技术涉及干热岩钻探钻具
，特别是涉及一种用于提高干热岩钻进速度，延长钻头寿命的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头。
技术介绍
干热岩作为一种储量大、分布广的可再生清洁能源，具有极高的利用价值与应用前景。目前，钻井仍是干热岩开发的唯一手段，采用常规回转钻进的方法，碎岩效率低，钻头磨损快，钻井成本高。从碎岩理论来看，潜孔锤钻进技术是当今解决硬岩钻进难题的最有效的方法之一。干热岩开发过程中，钻井成本占到总成本的70％左右。过高的钻井成本与较长的钻井周期严重制约了干热岩的大规模开发利用。目前钻井成本居高不下，对干热岩开发有严重制约的原因主要分为两种：一是干热岩地层多为高温高压下形成的火成岩与变质岩，如花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、玄武岩等，地层研磨性强、可钻性差，一些岩层单轴抗压强度可达230MPa以上。二是常规回转钻进方法，碎岩效率低，钻头磨损快。运用潜孔锤钻进技术为大幅提高干热岩硬岩钻进效率提供了可能。在潜孔锤钻进干热岩地层中，由于干热岩岩体多为致密的研磨性较大的花岗岩，在凿岩过程中硬质合金齿与岩石之间的撞击和摩擦导致其表面温度大幅升高，加上干热岩钻井深度较大，钻孔深部温度较高，在接触压力、速度和频率都很高的情况下，钻头边齿就会产生热损伤，局部超过1000℃的高温会使岩石侵入硬质合金齿表面，导致粘结剂Co含量降低，WC颗粒脱出，硬质合金齿边缘强度下降，从而产生严重磨损，这种不利的影响会直接降低钻头的使用寿命，增加钻进成本，钻井事故发生的概率也会增大。现有钻头的冷却方式大多为井底流体漫流冷却，但这种方式流速低，换热速度慢，降温性能不佳，对于降低干热岩钻井井底钻头边齿的高温，提高钻进效率，延长钻头寿命还远达不到预期的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有干热岩钻井中干热岩潜孔锤钻头边齿磨损严重导致钻头寿命缩短及干热岩碎岩效率低下等问题，提供一种新型可靠的用于降低边齿磨损，提高钻进速度的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于，包括钻头体、冲锤、止流杆、顶部水口、心管、冲击射流流道、钻头体中心通道、环形空间、上喷孔、下喷孔、边齿、中心齿及清洗孔底的钻井液流道，所述冲锤位于钻头体上方；所述止流杆设置在冲锤的下部，止流杆形状为圆柱形，止流杆的中心线与冲锤的中心线重合，止流杆的直径与钻头体中心通道的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口设置在钻头体顶部，且呈均匀布置；所述心管设置在钻头体内部并与钻头体同轴；所述钻头体中心通道设置在心管内；所述冲击射流流道设置在心管的外壁上，冲击射流流道的数量与顶部水口的数量相同且一一对应，冲击射流流道的中心线与钻头体的中心线平行，冲击射流流道下部为环形空间；所述环形空间由钻头体内壁与心管外壁包围形成；所述中心齿设置在钻头体底部工作端面上；所述边齿均匀布置在钻头体底部工作端面的边缘部，边齿位于上喷孔和下喷孔之间，边齿、上喷孔及下喷孔数量相同；所述上喷孔和下喷孔的上部均与环形空间连通，上喷孔的轴线、边齿的中心线及钻头体的中心线设置在同一竖直平面内，上喷孔的末端设置在钻头体侧部端面上，上喷孔的末端中心点与其所对应的边齿的中心点及钻头体的底部端面中心点设置在同一弧线上；下喷孔的末端设置在钻头体的底部端面上，下喷孔的末端中心点与其所对应的边齿的中心点及钻头体的底部端面中心点设置在同一弧线上。优选的，所述顶部水口的截面面积总和与钻头体中心通道的截面面积比为0.4～0.8。进一步，所述心管的上部与钻头体之间设置有卡簧和定位键，卡簧用于限制心管沿钻头体的轴向移动，定位键用于限制心管相对钻头体的转动。优选的，所述冲击射流流道的横截面积总和与顶部水口的横截面积总和比为0.5～0.8。优选的，所述钻头体中心通道的直径与整个钻头体的最大径向距离比值为0.2～0.5。其中，所述上喷孔和下喷孔的形状均为圆形，且直径相等。优选的，所述上喷孔及下喷孔的直径与边齿的直径比为0.2～0.4。进一步，所述上喷孔和下喷孔的轴线与钻头体的中心轴线所成角度为30°～60°。更进一步，所述上喷孔与边齿之间的距离及下喷孔与边齿之间的距离均为整个钻头体的最大径向距离的0.04～0.1。通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：1、本专利技术钻头体上针对边齿冷却降温设置了双束冲击射流喷孔，由于附壁作用，可将高速流体直接喷到边齿表面的高温区域，起到了强力冷却边齿的效果，降低齿面磨损，提高钻头寿命。2、本专利技术冲锤下部增设止流杆和带有冲击射流流道的心管，在冲锤冲程末段和回程初段，止流杆进入钻头体中心通道时，钻头体中心通道被止流杆堵住，高速钻井液通过钻头体顶部水口进入冲击射流流道内，经过环形空间和双喷孔，形成高速射流喷到边齿表面；在冲锤回程末段和冲程初段，止流杆离开钻头体中心通道，由于钻头体中心通道尺寸较大，大部分钻井液会通过钻头体中心通道进入孔底，从底部钻井液流道喷出，清除井底岩屑，在冲锤往复运动过程中，形成脉冲射流，既可清除岩屑，又能形成高速射流对边齿进行充分冷却。3、本专利技术中双束冲击射流喷孔沿边齿表面喷射高速流体，可显著提高边齿轮廓区域流体速度，更有利于孔底外缘区域岩屑的运移，解决了边齿周围岩屑滞留的问题；本专利技术钻头体上冲击射流流道喷孔位置设置在钻头体边齿附近，在保证钻头体强度、携岩效果和中心齿冷却的同时，又能够对周围岩体形成冷裂，降低岩体强度，提高钻进效率。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术示意性实施例及其说明用于理解本专利技术，并不构成本专利技术的不当限定，在附图中：图1为根据本专利技术实施例中边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头的剖面图。图2为图1的A-A线断面图。图中各标记如下：1-钻头体，2-冲锤，3-止流杆，4-顶部水口，5-卡簧，6-心管，7-冲击射流流道，8-钻头体中心通道，9-环形空间，10-上喷孔，11-下喷孔，12-边齿，13-中心齿，14-清洗孔底的钻井液流道，15-定位键，16-花键套，17-外管。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。为了避免混淆本专利技术的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。如图1所示，本实施例中边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头包括钻头体1、冲锤2、止流杆3、顶部水口4、心管6、冲击射流流道7、钻头体中心通道8、环形空间9、上喷孔10、下喷孔11、边齿12、中心齿13及清洗孔底的钻井液流道14，所述冲锤2位于钻头体1上方；所述止流杆3设置在冲锤2的下部，止流杆3形状为圆柱形，止流杆3的中心线与冲锤2的中心线重合，止流杆3的直径与钻头体中心通道8的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口4设置在钻头体1顶部，且呈均匀布置，顶部水口4的截面面积总和与钻头体中心通道8的截面面积比为0.4～0.8；所述心管6设置在钻头体1内部并与钻头体1同轴，心管6的上部与钻头体1之间设置有卡簧5和定位键15，卡簧5用于限制心管6沿钻头体1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于，包括钻头体(1)、冲锤(2)、止流杆(3)、顶部水口(4)、心管(6)、冲击射流流道(7)、钻头体中心通道(8)、环形空间(9)、上喷孔(10)、下喷孔(11)、边齿(12)、中心齿(13)及清洗孔底的钻井液流道(14)，所述冲锤(2)位于钻头体(1)上方；所述止流杆(3)设置在冲锤(2)的下部，止流杆(3)形状为圆柱形，止流杆(3)的中心线与冲锤(2)的中心线重合，止流杆(3)的直径与钻头体中心通道(8)的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口(4)设置在钻头体(1)顶部，且呈均匀布置；所述心管(6)设置在钻头体(1)内部并与钻头体(1)同轴；所述钻头体中心通道(8)设置在心管(6)内；所述冲击射流流道(7)设置在心管(6)的外壁上，冲击射流流道(7)的数量与顶部水口(4)的数量相同且一一对应，冲击射流流道(7)的中心线与钻头体(1)的中心线平行，冲击射流流道(7)下部为环形空间(9)；所述环形空间(9)由钻头体(1)内壁与心管(6)外壁包围形成；所述中心齿(13)设置在钻头体(1)底部工作端面上；所述边齿(12)均匀布置在钻头体(1)底部工作端面的边缘部，边齿(12)位于上喷孔(10)和下喷孔(11)之间，边齿(12)、上喷孔(10)及下喷孔(11)数量相同；所述上喷孔(10)和下喷孔(11)的上部均与环形空间(9)连通，上喷孔(10)的轴线、边齿(12)的中心线及钻头体(1)的中心线设置在同一竖直平面内，上喷孔(10)的末端设置在钻头体(1)侧部端面上，上喷孔(10)的末端中心点与其所对应的边齿(12)的中心点及钻头体(1)的底部端面中心点设置在同一弧线上；下喷孔(11)的末端设置在钻头体(1)的底部端面上，下喷孔(11)的末端中心点与其所对应的边齿(12)的中心点及钻头体(1)的底部端面中心点设置在同一弧线上。...

【技术特征摘要】
1.边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于，包括钻头体(1)、冲锤(2)、止流杆(3)、顶部水口(4)、心管(6)、冲击射流流道(7)、钻头体中心通道(8)、环形空间(9)、上喷孔(10)、下喷孔(11)、边齿(12)、中心齿(13)及清洗孔底的钻井液流道(14)，所述冲锤(2)位于钻头体(1)上方；所述止流杆(3)设置在冲锤(2)的下部，止流杆(3)形状为圆柱形，止流杆(3)的中心线与冲锤(2)的中心线重合，止流杆(3)的直径与钻头体中心通道(8)的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口(4)设置在钻头体(1)顶部，且呈均匀布置；所述心管(6)设置在钻头体(1)内部并与钻头体(1)同轴；所述钻头体中心通道(8)设置在心管(6)内；所述冲击射流流道(7)设置在心管(6)的外壁上，冲击射流流道(7)的数量与顶部水口(4)的数量相同且一一对应，冲击射流流道(7)的中心线与钻头体(1)的中心线平行，冲击射流流道(7)下部为环形空间(9)；所述环形空间(9)由钻头体(1)内壁与心管(6)外壁包围形成；所述中心齿(13)设置在钻头体(1)底部工作端面上；所述边齿(12)均匀布置在钻头体(1)底部工作端面的边缘部，边齿(12)位于上喷孔(10)和下喷孔(11)之间，边齿(12)、上喷孔(10)及下喷孔(11)数量相同；所述上喷孔(10)和下喷孔(11)的上部均与环形空间(9)连通，上喷孔(10)的轴线、边齿(12)的中心线及钻头体(1)的中心线设置在同一竖直平面内，上喷孔(10)的末端设置在钻头体(1)侧部端面上，上喷孔(10)的末端中心点与其所对应的边齿(12)的中心点及钻头体(1)的底部端面中心点设置在同一弧线上；下喷孔(11)的末端设置在钻头体(1)的底部端面上，下喷孔(11)的末端中心点与...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭枧明，张广，杨正龙，李柯柯，葛东，博坤，王茂森，许天福，张延军，廉墨客，黄朝阳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22