专利名称：岩石钻以及制造岩石钻的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冲击钻削的岩石钻、最好是整体式钻杆，包括一钻柄；与该钻柄一端连接的一肩；其一端与该肩连接而另一端表面上装有岩石切削装置的一杆部；一从该钻柄的自由端向所述另一端伸展的中心冲洗通道。本发明还涉及岩石钻的制造方法。
现有技术市场上早就有整体式钻杆出售，因此整体式钻杆是极为成熟的产品。现有整体式钻杆模压加工成手持式，其首要考虑的一点是操作员的安全。现今，越来越多地使用自动钻具，此时，操作员只须坐在控制室中。就自动钻具引入的操作技术的改变来说，现有整体式钻杆不太适应这一改变。现有整体式钻杆的缺点尤其是，它们不能令人满意地冲走钻削下的钻屑，它们的穿透率太低，它们变得太热，内部冲击力不强。由于内部冲击力不强，冲洗通道中积起许多砾石，造成冲洗效果差，即整体式钻杆的冷却效果差，使得钻杆过热，过热又导致疲劳破坏。
通常用预钻有直径一定的纵向中心孔的毛坯制造现有整体式钻杆。毛坯然后退火，然后从钻柄一端开始在一定纵向长度上扩大该中心孔的的直径。扩孔的目的是使用作冲洗孔的中心钻孔中可插入一从钻机上伸出的冲洗管，该冲洗管的直径无法插入毛坯在扩孔之前的原纵向中心孔中。扩孔完成即形成冲洗通道后对钻柄/肩和钻头端进行锻造、钻孔和铣削操作。图0为现有整体式钻杆的钻柄的局部剖视图。
此外，US-A-3,295,613公开了一种复合钻杆，其分开的各部分焊接在一起。
本发明的目的和特征本发明的目的是提供上述类型的钻杆，其制造成本比现有整体式钻杆低。本发明的另一个目的是改进现有整体式钻杆的性能，即，本发明整体式钻杆的穿透率比现有整体式钻杆高。本发明整体式钻杆的冲洗效果比现有整体式钻杆好，从而穿透率提高。
上述目的由具有权利要求所述特征的岩石钻实现。
附图的简要说明附图中图0为现有整体式钻杆的钻柄的局部剖视图；
图1为本发明岩石钻的局部剖视图；图1A为图1岩石钻的钻柄的局部剖视图；图2为本发明岩石钻的一部分的正视图，该岩石钻有至少一个切削镶刃；图3为图2岩石钻的侧视图；图4为本发明岩石钻上具有至少一个切削镶刃的端部的端视图；图5为图2岩石钻的纵向剖面图，其中切削镶刃被除去；图6为沿图3中沿A-A线剖取的剖面图；以及图7为锥形岩石钻杆的局部分解剖视图。
本发明优选实施例详述图1所示本发明岩石钻10包括一钻柄12、一肩14、一杆部16和设置在该杆部16的自由端即岩石钻10的岩石切削自由端面17上的至少一个切削镶刃18。钻柄12、肩14和杆部16以一毛坯制成一体。钻柄12的横截面与钻机中的一个钻头套筒(未示出)的内部横截面相配。钻柄12的横截面通常呈多边形，在所示实施例中，钻柄的横截面呈六边形。但是本发明钻柄12的横截面不仅仅限于多边形。但是必须满足的是，钻柄12的横截面应与套筒相配，从而使钻柄12即岩石钻10随着钻头套筒的转动而转动。
本发明优选实施例的杆部16的横截面也呈六边形。
图1A详细示出岩石钻10的钻柄12，从该图可清楚地看出，一中心冲洗通道22从钻柄12的自由端向岩石钻10的岩石切削自由端17伸展，这一点也可从图1中看到。
图2-4从不同的视图详细示出了岩石钻10的岩石切削端部17，该端部上装有切削镶刃18。如图5所示，切削镶刃18在所示实施例中为一横刃，其以通常方式安装在一凹座20上，最好通过钎焊固定在所述凹座20中。
从图5可清楚地看出，关于岩石钻10的第一纵向中心线24旋转对称的一中心冲洗通道22沿纵向伸展并终止在距杆部16的端面21的一段距离处，而且离凹座20的底面也有一段距离。所述冲洗通道22从图5所示冲洗通道22的一端部延伸，经整个杆部16、进而肩14、再经整个钻柄12直至其开口在钻柄12的自由端上，见图1和1A。
如图5所示，支道26在所示实施例中从中心冲洗通道22伸展并终止到杆部16的端面21中的一凹座30上。支道26关于第二纵向中心线28旋转对称。所述第二中心线28与第一中心线24之间的角度α的范围为20-30°，优选的α值约为25°。
如图6所示，中心冲洗通道22在其整个长度上的直径为d，而杆部16的最小直径为D。按照本发明优选实施例，最小外径D为22mm的一钻杆的中心冲洗通道的直径d为9.0mm。这两个尺寸之间的比值为d/D＝0.41，该值为所述比值的优选值。在本发明范围内，这一比值可为0.35≤d/D≤0.43。
上述整体式钻杆10的制造与上文在“现有技术”中简述的现有整体式钻杆的制造不同。本发明整体式钻杆和现有整体式钻杆都用其中有一预钻的纵向中心孔的一毛坯制成。本发明整体式钻杆的制造的不同之处是无需退火和沿钻柄有限长度对毛坯中的预钻纵向中心孔进行扩孔。而是预钻中心孔的尺寸做成使一些钻机中的冲洗管可直接被所述预钻的纵向中心孔容纳，即预钻纵向中心孔与岩石钻的外径的比值(d/D)比现有整体式钻杆大。由于无需退火和对预钻纵向中心孔进行扩孔，因此本发明整体式钻杆的制造可直接由锻造钻柄/肩开始，然后锻造钻头端。在这里要指出，在锻造钻柄/肩时，在该中心冲洗通道22中放置一心轴(未示出)，所述心轴的直径稍小于该冲洗通道22。在锻造过程中该心轴确保中心冲洗通道22的直径不减小过多，但确实稍有减小，见图1和1A中标号23。权利要求1中的表述“...直径(d)沿其整个长度大致保持不变”应解释成中心冲洗通道22中可有上述直径减小部23。其后的制造步骤原则上与现有整体式钻杆相同。
但是在这里要指出下述一点。按照现有技术和本发明，支道26的直径稍小于中心冲洗通道22的直径。其理由是，在钻支道26时即使支道的第二中心线28相对中心冲洗通道22的第一中心线24不严格对中，也能确保支道26在与中心冲洗通道22的连接处的圆周位于中心冲洗通道的圆周之内。此外，如保持该直径差，支道26的实际尺寸也可比对应现有整体式钻杆大，因为本发明整体式钻杆的中心冲洗通道22比对应的现有整体式钻杆大。这如下文所述有利于压力降。
由于中心冲洗通道22和支道26的绝对尺寸都比对应的现有整体式钻杆大，因此所述两通道中的冲击力增强，特别是在所述两通道的连接处，现有整体式钻杆在此处常常积有砾石，从而干扰冲洗介质的传送。由于这两个通道的尺寸加大，因此冲击更有效，这是因为冲击材料畅通无阻。应该指出，冲击的改善导致了冲洗介质传送的改善，从而钻杆冷却充分，疲劳破坏的可能性减小。本发明钻杆的作用本发明整体式钻杆10用于所谓的冲击钻孔，即一冲击活塞冲击钻柄12的自由端，冲击波经钻杆传送到杆部16的自由端上，在该端上装有切削镶刃18。冲击波使切削镶刃18在进行切削的同时撞击岩石表面。上述钻头套筒带动整体式钻杆10转动。
当冲击波在整个钻杆10上传播进行冲击钻进以及切削镶刃18切削岩石表面而产生钻屑时产生热量。从钻柄12自由端在压力下送入的冲洗介质空气或水在中心冲洗通道22中冷却岩石钻10并冲走钻屑。冲洗介质在中心冲洗通道22中朝杆部16的自由端流动，然后转向流入支道26，从而从杆部16的自由端处的凹座30、确切说从切削镶刃18旁流出。冲洗介质在中心冲洗通道22和支道26中的流动过程中将对岩石钻10进行冷却，而冲洗介质从杆部16的自由端返回时传送切屑。
由于本发明钻杆10的d/D的比值比现有整体式钻杆大，即尺寸D保持不变而尺寸d增加，因此冲洗介质在中心冲洗通道中流动时压力降减小，从而岩石钻10的冷却比现有技术更充分。冲洗介质的压力降的减小还造成更多的钻屑被冲走。支道26的实际横截面面积较之对应现有整体式钻杆的增大也有利于压力降即压力降减小。
由于角度α(约25°)的值较之现有钻杆减小，冲洗流体在从中心冲洗通道22流到支道26时偏转程度减小，这意味着，冲洗介质流不会象偏转程度高的现有整体式钻杆那样断断续续。这促使冲洗介质在整体式钻杆10中流动时压力降减小。
总之，可以说，较之现有整体式钻杆，尽管d/D的值的增大使得钻杆的制作材料减少，即本发明钻杆的刚性减小，但并未显示出比方说疲劳破坏有增加的倾向。一种解释是，从强度上说，本发明的钻杆所带来的冲洗/冷却效果的改善补偿了刚性的减小。本发明可能的修正以上结合所谓的整体式钻杆说明了本发明。但本发明不限于这类钻杆。图7例示出一所谓的锥形冲击岩石钻10′，它同样有一钻柄12′、一肩14′、一有一锥形端17′的杆部16′。所述岩石钻10′的特征在于，杆部16′与钻头18′(牙轮钻头cone bit)经一锥形接头连接，即锥形端面17′插入在钻头18′的锥形凹座19′中。这意味着，钻头18′发生磨损或需要再次研磨时可更换。本发明也可用于这种岩石钻10′，即岩石钻10′中的中心冲洗通道(未示出)沿其整个长度的直径大致保持不变。就直径在锻造钻柄/肩时可能减小而言，与上面结合整体式钻杆所述同样使用一心轴。
权利要求
1.一种用于冲击钻削的岩石钻、最好是整体式钻杆，包括一钻柄(12；12′)；与该钻柄(12；12′)的一端连接的一肩(14；14′)；一杆部(16；16′)，其一端与该肩(14；14′)连接，而另一端表面(17；17′)上装有岩石切削装置(18；18′)；一从该钻柄(12；12′)的自由端向所述另一端(17；17′)伸展的中心冲洗通道(22)，所述钻柄(12；12′)、肩(14；14′)和杆部(16；16′)制成一体，其特征在于，该中心冲洗通道(22)沿其整个长度的直径(d)大致保持不变；中心冲洗通道(22)的直径(d)与杆部(16；16′)的直径(D)之比为0.35≤d/D≤0.43。
2.按权利要求1所述的岩石钻，其特征在于，比值d/D的大小为0.4。
3.按权利要求1或2所述的岩石钻，其特征在于，包括至少一个支道(26)，该支道从中心冲洗通道(22)伸展并终止在杆部(16)的自由端面(21)区域，其中，支道(26)的中心线(28)与中心冲洗通道(22)的中心线(24)形成一角度(α)，所述角度(α)的区间为20°≤α≤30°。
4.按权利要求3所述的岩石钻，其特征在于，所述角度(α)的大小为25°。
5.按上述任一权利要求所述的岩石钻，其特征在于，支道(26)终止在杆部(16)的自由端面(21)的区域中的一凹座(30)上。
6.一种制造用于冲击钻削的岩石钻(10；10′)、最好为一整体式钻杆的方法，所述制造开始于制作一有一预钻纵向中心孔的毛坯，其特征在于，在制作该毛坯时该预钻纵向中心孔的直径(d)定为可获得下列关系0.35≤d/D≤0.43，其中，D为岩石钻(10；10′)的杆部(16；16′)的直径，然后以公知方式对该毛坯进行锻造、钻孔、和铣削操作，以形成钻柄/肩(12，14；12′，14′)和岩石钻(10；10′)的钻头端或锥形端。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，该预钻纵向中心孔的直径定为使得d/D的比值约为0.41。
8.按权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在钻支道(26)时，使其中心线(28)与由毛坯的预钻纵向中心孔形成的中心冲洗通道(22)的中心线(24)形成一角度(α)，该角度的区间为20°≤α≤30°。
9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，所述角度(α)的值设定成约25°。
全文摘要
本发明涉及一种用于冲击钻削的岩石钻(10)、最好是整体式钻杆,包括一钻柄(12);与该钻柄(12)一端连接的一肩(14);一杆部(16),其一端与该肩(14)连接而另一端表面(17)上装有岩石切削装置(18),一从该钻柄(12)的自由端向所述另一端(17)伸展的中心冲洗通道(22)。本发明还涉及岩石钻(10)的制造方法。本发明岩石钻(10)的特征在于,中心冲洗通道(22)沿其整个长度上的直径(d)大致保持不变;中心冲洗通道(22)的直径(d)与杆部(16)的直径(D)之比为0.35≤d/D≤0.43。
文档编号E21B17/00GK1269863SQ9880877
公开日2000年10月11日 申请日期1998年8月20日 优先权日1997年9月5日
发明者霍坎·恩斯特伦, 扬－贡纳尔·赫德隆, 约兰·帕尔姆贝里 申请人:桑德维克公司