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金刚石镀膜钻头

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201810820049.X国省代码:山东 37
申请(专利权)人:邹城兖矿泰德工贸有限公司
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摘要:
本发明涉及一种金刚石镀膜钻头,包括钻头连接杆、钻头,所述钻头连接杆内部中空顶部设置有钻头,所述的头呈圆周分布于钻头平台周围,所述的头平台置在钻头连接杆顶部,所述的钻头表面设置有复合片安装槽,所述的头一侧设置有弧形的导料槽,所述的头连接杆内同轴设置有通水孔,所述的通水孔顶部设置有喷水装置,所述的复合片安装槽内设置有金刚石镀膜片本发明的金刚石镀膜钻头,通过焊接在复合片安装槽内的金刚石镀膜片实现更高强度和更长的使用寿命,通过喷水装置实现对钻具使用时提供水和自冲洗功能,通过设置在驱动部的出水孔驱动旋转体实现避免钻头使用时的防止石块卡塞和堵塞出水孔。

主权项:
1.一种金刚石镀膜钻头,其特征在于,包括钻头连接杆、钻头,所述钻头连接杆内部中空顶部设置有钻头,所述的头呈圆周分布于钻头平台周围,所述的头平台置在钻头连接杆顶部,所述的钻头表面设置有复合片安装槽,所述的头一侧设置有弧形的导料槽,所述的头连接杆内同轴设置有通水孔,所述的通水孔顶部设置有喷水装置,所述的复合片安装槽内设置有金刚石镀膜片;所述喷水装置括在钻头平台上的喷洒管、驱动部、出水孔,驱动部安装在喷洒管顶部,驱动部部设置有安装轴,安装轴与旋转体旋转连接;其中,所述钻头的一切削部位为曲线形状,第一外弧形段的形状根据下述公式(1)确定,第一端点a至第二端点b的形状公式为:其中,L1表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;圆心角α计算公式为:α0表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω0表示初始设定的钻头的应力强度;第二外弧形段的形状根据下述公式(2)确定,第二端点b至第三端点c的形状公式为:其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;第三外弧形段的形状根据下述公式(4)确定,第三端点c至第四端点d的形状公式为:其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。


说明书

金刚石镀膜钻头

技术领域

本发明涉及工程钻探、煤层探矿钻具配件技术领域,尤其涉及一种金刚石镀膜钻
头。

背景技术

在煤炭钻井过程中,需要使用钻具进行钻孔作业,钻头前面遇到较硬的地质层或
者长时间使用时,钻头会发热,需加水降温以延长钻具使用寿命。其次在对干燥的地质层作
业时,不加水钻具运转过程中会卡钻,轻者毁钻,重者伤人。同时打钻时不加水会有严重灰
尘,须加水除尘。

现有的钻头在钻头不同部位一般设置有出水口,但是现有的钻头没有预防钻头出
水孔堵塞的问题,同时在加水钻探作业时钻头部位会有泥浆影响使用,因此急需一种金刚
石镀膜钻头,具有通水孔堵塞的功能,同时能对钻头实现很好的喷水清理,提高钻具使用寿
命,改善作业环境。

现有技术中的钻头,在施工由于设计要求成桩的上部有一定高度的桩头,现有钻
头凭施工人员经验控制,导致钻头在施工时折损。

同时,现有技术中的钻头在边工作边排屑时,由于梯形切削刃结构的缺陷,各段排
屑的力度基本相同,造成排屑阻拦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石镀膜钻头,用以克服现有技术的技术缺陷。

为实现上述目的,本发明提供一种金刚石镀膜钻头,包括钻头连接杆、钻头,所述
钻头连接杆内部中空顶部设置有钻头,所述的头呈圆周分布于钻头平台周围,所述的头平
台置在钻头连接杆顶部,所述的钻头表面设置有复合片安装槽,所述的头一侧设置有弧形
的导料槽,所述的头连接杆内同轴设置有通水孔,所述的通水孔顶部设置有喷水装置,所述
的复合片安装槽内设置有金刚石镀膜片;

所述喷水装置括在钻头平台上的喷洒管、驱动部、出水孔,驱动部安装在喷洒管顶
部,驱动部部设置有安装轴,安装轴与旋转体旋转连接;其中,

所述钻头的一切削部位为曲线形状,第一外弧形段的形状根据下述公式(1)确定,
第一端点a至第二端点b的形状公式为:


其中,L1表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端
点b的圆心角;

圆心角α计算公式为:


α0表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω0表示初始设定的钻头
的应力强度;

第二外弧形段的形状根据下述公式(2)确定,第二端点b至第三端点c的形状公式
为:


其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半
径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角;

第三外弧形段的形状根据下述公式(4)确定,第三端点c至第四端点d的形状公式
为:


其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半
径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。

进一步地,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定,第五端点e至第六
端点f的形状公式为:


其中,l1表示第一内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端
点b的圆心角,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长;

第二内弧形段形状根据下述公式(6)确定,第六端点f至第七端点g的形状公式为:


其中,l2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端
点b的圆心角,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长;

第三内弧形段形状根据下述公式(7)确定,第七端点g至第八端点h的形状公式为:

钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定,第五端点e至第六端点f的形
状公式为:


其中,l1表示第一内弧形段的弧长,l2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半
径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。

进一步地,在钻头外侧壁四周设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压
力传感器,第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器,第三传感器槽、在第三
传感器槽内设置第三压力传感器,传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器中;

所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器
的压力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3,控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压
力传感器的初始差值:


式中,M21表示第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值,Φ表示第一压力传
感器的实时检测值,Φ2表示第二压力传感器的实时检测值,Φ3表示第三压力传感器的实时
检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算;

其中I表示基于二次函数的任意积分运算,上述公式为获取积分的比值信息,下述
两公式相同,如基于函数y=ax2,在x取值为(a,b)内,a<b为任意数值。

进一步地,所述的喷水装置包括驱动部、喷洒管、出水孔,所述的驱动部和喷洒管
与通水孔同轴设置,所述的驱动部和喷洒管表面设置有呈圆周分布的出水孔。

进一步地,位于所述驱动部表面的出水孔轴线与驱动部轴线垂直,位于所述喷洒
管表面的出水孔轴线与驱动部轴线非垂直设置。

进一步地,所述驱动部顶部设置有安装轴,所述安装轴与旋转体转动连接,所述的
旋转体由圆环和Z字形板组成。

进一步地,所述旋转体靠近驱动部的一侧设置有斜面。

技术相比本发明的有益效果在于,本发明将钻体前部设置为曲线型的方式,第一
外弧形段结合钻体的强度作为基准参量,在钻头工作时,维持在一个固定的应力强度值,不
会出现阻滞的情况,进一步提高了钻井效率。

本发明的金刚石镀膜钻头,通过焊接在复合片安装槽内的金刚石镀膜片实现更高
强度和更长的使用寿命,通过喷水装置实现对钻具使用时提供水和自冲洗功能,通过设置
在驱动部的出水孔驱动旋转体实现避免钻头使用时的防止石块卡塞和堵塞出水孔。

尤其,本发明最优实施例中,在确定曲线形状时,结合钻头自身特点,将夹角及弧
形曲线引入,并通过结合曲线长度、钻头直径与钻头尺寸,来确定钻体的整体形状;在设置
各个曲线段时,采用柔性的正弦、余弦曲线,避免产生应力死角及分离产生漩涡。

本发明,在钻头外侧壁上从上至下设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第
一压力传感器,第二传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器,第三传感器槽、在
第三传感器槽内设置第三压力传感器,传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器
中;所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器的压
力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3。通过对三个位置的压力值的有机判定,可以准确确
定压力值。

附图说明

图1为本发明金刚石镀膜钻头的整体结构示意图;

图2为本发明的钻体的结构示意图;

图3为本发明俯视图;

图4为本发明喷水装置立体放样放大图;

图5为本发明喷水装置剖视图。

具体实施方式

以下结合附图,对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术防护机构员应当理解的
是,这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理,并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是,在本发明的描述中,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示
的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而
不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不
能理解为对本发明的限制。

此外,还需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安
装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地
连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,
可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术防护机构而言,可根据具体情况理解上述术
语在本发明中的具体含义。

参阅图1所示,其为本发明金刚石镀膜钻头的整体结构示意图,金刚石镀膜钻头,
包括钻头连接杆1、钻头2,所述的钻头连接杆1内部中空顶部设置有钻头2,所述的钻头2呈
圆周分布于钻头平台8周围,所述的钻头平台8设置在钻头连接杆1顶部,所述的钻头2表面
设置有复合片安装槽3,所述的钻头2一侧设置有弧形的导料槽4,所述的钻头连接杆1内同
轴设置有通水孔5,所述的通水孔5顶部设置有喷水装置6,所述的复合片安装槽3内设置有
金刚石镀膜片7。

在具体使用过程中,钻头连接杆1外壁设置有螺纹,通过螺纹与钻杆连接,钻头连
接杆1内部中空用于向钻头2输送高压水,高压水通过通水孔5将水引入喷水装置6对钻头1
进行喷水,喷水装置6安装在水平的钻头平台8表面与钻头连接杆1同轴设置。复合片安装槽
3倾斜设置,复合片安装槽3内焊接金刚石镀膜片7,当钻头使用时通过喷水装置6向钻头2及
周围喷水。通过喷水对钻头降温以延长钻具使用寿命;其次在对干燥的地质层作业时,喷水
防止卡钻;同时减少灰尘,改善作业环境。

如图4和图5所示的实施例中,喷水装置6包括在钻头平台8上的喷洒管64、驱动部
63、出水孔65,驱动部63安装在喷洒管64顶部,驱动部63顶部设置有安装轴62,安装轴62与
旋转体61旋转连接。通过图4和图5可以看出驱动部63表面设置有两个出水孔65,出水孔65
轴线与驱动部63轴线垂直;喷洒管64表面设置有两圈出水孔65,水平位置较高的出水孔65
向上倾斜主要对钻头2顶部,包括钻头2和复合片安装槽3、金刚石镀膜片7,进行喷洒,水平
位置较低的出水孔65向下倾斜,主要向钻头2根部和导料槽4、钻头平台8周围喷洒。水平喷
洒的出水孔65主要用于配合旋转体61,斜向上喷洒主要为了降温、斜向下喷洒主要为了钻
头的自清洗,防止泥浆集留。由于钻具使用过程中的高速旋转,再配合旋转体61靠近驱动部
63侧壁处的斜面611与出水孔65的水实现了旋转体61相对于驱动部63的自旋转。旋转体61
的旋转配合旋转体61顶部的倾斜向上的板有助于对来自于钻头平台8顶部的碎石块进行拨
出,保护所有出水孔65不受堵塞。

结合图1-2所示,本实施例将钻头的其中一外侧边缘设置为阶梯状的曲线形,图2
所示,其为钻头的其中一切削部位,钻头第一外弧形段的形状根据下述公式(1)确定,第一
端点a至第二端点b的形状公式为:


其中,L1表示第一外弧形段的弧长,R表示钻头的半径,也即,图示中钻头中间至最
边缘的长度,钻头中间位置为钻头连接杆1中心线所在的直线,α表示第一端点a至第二端点
b的圆心角。本实施例,首先确定第一外弧形段的圆心角,根据钻头钻体其本身的应力强度
而定,设定标准的应力强度与标准夹角,当应力强度升高时,夹角增加,以便第一外弧形段
能够保持足够的强度。


α0表示初始设定的标准夹角值,Ω表示钻头的应力强度,Ω0表示初始设定的钻头
的应力强度。

第二外弧形段的形状根据下述公式(2)确定,第二端点b至第三端点c的形状公式
为:


其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半
径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。

第三外弧形段的形状根据下述公式(4)确定,第三端点c至第四端点d的形状公式
为:


其中,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长,R表示钻头的半
径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。

具体而言,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定,第五端点e至第六
端点f的形状公式为:


其中,l1表示第一内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端
点b的圆心角,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长。

第二内弧形段形状根据下述公式(6)确定,第六端点f至第七端点g的形状公式为:


其中,l2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半径,α表示第一端点a至第二端
点b的圆心角,L1表示第一外弧形段的弧长,L2表示第二外弧形段的弧长。

第三内弧形段形状根据下述公式(7)确定,第七端点g至第八端点h的形状公式为:

具体而言,钻头的第一内弧形段的形状根据下述公式(5)确定,第五端点e至第六
端点f的形状公式为:


其中,l1表示第一内弧形段的弧长,l2表示第二内弧形段的弧长,R表示钻头的半
径,α表示第一端点a至第二端点b的圆心角。

实施例中,将第一外弧形段结合钻体的强度作为基准参量,在钻头工作时,维持在
一个固定的应力强度值,不会出现阻滞的情况,进一步提高了钻井效率。

尤其,本发明最优实施例中,在确定曲线形状时,结合钻头自身特点,将夹角及弧
形曲线引入,并通过结合曲线长度、钻头直径与钻头尺寸,来确定钻体的整体形状;在设置
各个曲线段时,采用柔性的正弦、余弦曲线,避免产生应力死角及分离产生漩涡。

本实施例在所述钻头上设置一组压力传感器,其为无线压力传感器。具体而言,在
钻头外侧壁上沿侧壁设置第一传感器槽、在第一传感器槽内设置第一压力传感器61,第二
传感器槽、在第二传感器槽内设置第二压力传感器64,第三传感器槽、在第三传感器槽内设
置第三压力传感器66。传感器实时采集压力信息,并传输至一远端控制器中。

所述控制器设定压力差值阈值为M,第一压力传感器的压力值Φ,第二压力传感器
的压力值Φ2,第三压力传感器的压力值Φ3。控制器按照下述计算第一压力传感器和第二压
力传感器的初始差值:


式中,M21表示第一压力传感器和第二压力传感器的压力差值,Φ表示第一压力传
感器的实时检测值,Φ2表示第二压力传感器的实时检测值,Φ3表示第三压力传感器的实时
检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算。

其中I表示基于二次函数的任意积分运算,上述公式为获取积分的比值信息,下述
两公式相同,如基于函数y=ax2,在x取值为(a,b)内,a<b为任意数值。

上述均值运算的基本算法为:通过获取在某个时间段内的所有采样点的位置值,
对某个时间段内的各个取值进行积分运算和均方差运算,然后取比值,得出相比较的平均
值。

控制器按照下述计算第一压力传感器和第三压力传感器的初始差值:


式中,M31表示第一压力传感器和第三压力传感器的压力差值,Φ表示第一压力传
感器的实时检测值,Φ2表示第二压力传感器的实时检测值,Φ3表示第三压力传感器的实时
检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算。

控制器按照下述计算第二压力传感器和第三压力传感器的初始差值:


式中,M23表示第二压力传感器和第三压力传感器的压力差值,

Φ表示第一压力传感器的实时检测值,Φ2表示第二压力传感器的实时检测值,Φ3
表示第三压力传感器的实时检测值,T表示均方差运算,I表示积分运算。

所述控制器设定差值阈值为M,经过上述公式计算所得的M21、M31、M23,分别与差值
阈值M进行比较,若M21、M31、M23均小于M,则此时,压力在控制范围内。

若上述公式计算所得的M21、M31、M23,分别与差值阈值M进行比较,存在M21、M31、M23
一差值大于M,则说明压力大于阈值,需控制钻头停止,采取措施。...

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图1
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