一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头

摘要

一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头，属于地质钻探技术领域，包括钻头胎体、钢体、水口、热管和导热柱，所述钻头胎体与钢体连接，钻头胎体由胎体工作层和胎体过度层组成，在钢体上沿轴向开设有钢体螺纹孔；所述水口开设在钻头胎体上并将钻头胎体分隔成若干刀翼，且在刀翼上对应钢体螺纹孔位置开设有沿刀翼轴向贯穿的胎体螺纹孔；所述热管分为蒸发段和冷凝段两部分，且蒸发段安装在胎体螺纹孔内，冷凝段安装在钢体螺纹孔内，在热管内注入有工质；所述导热柱与热管螺纹连接构成传热部件，导热柱安装在胎体螺纹孔内，且导热柱高度与胎体工作层高度相等，本发明提及的钻头结构设计起到双重散热降温的效果，加快金刚石钻头胎体底部的冷却。

权利要求

1.一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头，其特征是：包括钻头胎体(1)、钢体(2)、水口(3)、热管(4)和导热柱(5)，所述钻头胎体(1)与钢体(2)连接，其中钻头胎体(1)由胎体工作层(11)和胎体过度层(12)组成，在所述钢体(2)上沿轴向开设有钢体螺纹孔；所述水口(3)开设在钻头胎体(1)上并将钻头胎体(1)分隔成若干刀翼，且在刀翼上对应钢体螺纹孔位置开设有沿刀翼轴向贯穿的胎体螺纹孔；所述热管(4)分为蒸发段(41)和冷凝段(42)两部分，且蒸发段(41)安装在胎体螺纹孔内，冷凝段(42)安装在钢体螺纹孔内，在热管(4)内注入有工质；所述导热柱(5)与热管(4)螺纹连接构成传热部件，导热柱(5)安装在胎体螺纹孔内，且导热柱(5)高度与胎体工作层(11)高度相等；

每个刀翼沿环向均匀分布有三个传热部件，三个传热部件的长度相等，每组对称刀翼上的三个传热部件长度保持一致，其中相邻刀翼上的三个传热部件不等长；

所述传热部件从刀翼顶部贯穿至钢体(2)的内部；

所述热管(4)为闭式螺纹加强重力热管，其形状为圆柱体，材质采用铜质；

所述导热柱(5)为石墨柱、铜柱或铜合金柱；

同一刀翼上三个长度相等的传热部件，分布在两侧的传热部件中的热管为高温热管，位于中间的传热部件中的热管为中温热管；

所述高温热管内部注入的工质选自液态金属钠或液态金属钾中的一种；

所述中温热管内部注入的工质为水。

说明书

一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头

技术领域

[0001] 本发明属于地质钻探技术领域，具体为一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头。

背景技术

[0002] 在地质钻探领域，金刚石钻头的非正常磨损率高达30％～40％，该非正常磨损中，大部分属于热磨损。因此，加快钻头工作过程中的散热，强化钻头传热，快速降低钻头胎体温度是人们一直努力攻克的难题。金刚石钻头在钻进岩层过程中，胎体工作层不断与岩石、岩屑摩擦，在胎体工作层底部积聚大量的摩擦热，导致钻头磨削部位温度快速升高，过高的温度加快钻头的磨损，甚至导致烧钻等孔内事故的发生。

[0003] 钻头在钻进岩层过程中钻头与胎体产生大量的摩擦热，由于岩石的导热率低，热能向岩石深度传递小，泥浆与钻头高温区接触面积小，有效散热面积很小，热量在短时间内不易散发。这样，就会有大量的热量积聚在金刚石钻头胎体底部，因此，如何快速、有效的对钻头胎体进行散热，进而强化散热，减少钻头的非正常磨损十分重要。

[0004] 金刚石胎体钻头在钻进过程中其胎体温度会存在一个临界规程，即当钻压P和转速n达到某一值时，胎体温度由100℃～200℃急剧升至600℃～700℃的高温。此时，钻头胎体的钻进规程由正常规程转入了临界规程，对于不同的岩石对应有不同的临界规程。地层由复杂多变的岩石构成，钻头在地层中钻进时，其所需的钻压及转速是很难掌控的，因此钻头胎体温度急剧上升的现象就时有发生，为加快钻头胎体冷却需要增大冲洗液的泵量。由于金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙很小，为增大冲洗液的泵量，需要增大冲洗液的泵压，但泵压过大会导致钻头举离孔底，甚至会冲蚀胎体和岩心，同时冲洗液的冷却效果也是有限的，不能单纯依靠增大泥浆液泵量来防止烧钻的发生。并且，由于增大冲洗液泵量只能较小提高传热系数，而钻头有效散热面积仍只是钻头底部工作面，没有增大有效散热面积，并且有效散热面积还较小，因而钻头在孔底与泥浆进行对流传热时，总的散热量依然提高不大。

[0005] 热管技术由于其高效相变传热特性，超强的导热能力被广泛应用在宇航、军工、散热器制造等行业。热管一端靠近热源，另一端靠近温度较低区域，依靠工作液体的汽、液相变在较小的温度梯度下进行热量传输，热阻很小，具有极高的传热效率。同时制造工艺简单、生产成本低廉、对环境友好、安全、可靠。热管轴向导热性极强，将其应用到金刚石地质取心钻头上可以改善单纯依靠大泵量冲洗液来获得更好散热效果的单一散热模式，利用热管技术能以较小的泥浆液泵量获得满意的效果。在达到钻头胎体冷却效果的同时，减少了泥浆冲洗液的使用成本及泥浆冲洗液排放对环境造成的污染。但目前热管在地质钻探领域的应用报道较少，在钻头方面仅见中国专利ZL201510292176.3公开的一种具有金刚石复合片的钻头，该专利中采用有芯热管来加强对金刚石复合片钻头的散热，该专利仍有如下缺陷：首先由于金刚石复合片钻头自身结构决定，支撑体上的金刚石复合片切削齿切削底部产生的热量并不能及时传导到热管的蒸发段，当钻头处于极限工况时，导致热管不能及时发挥散热作用；同时该专利中的热管排布使得热管将热量集中传导到基体的丝扣端，钻头在工作中容易出现脱扣现象；其次，金刚石复合片钻头切削刀翼之间的空隙较大，冲洗液达到切削齿上的流量大，在冲洗液的循环作用下基本能满足自身的散热；再者，专利中所选用的有芯热管，冷凝液在回流时通过吸芯液受到的阻力大，轴向热流量也会受到较小毛细极限的限制。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于针对现有技术中金刚石钻头在钻进岩层过程中，胎体工作层不断与岩石、岩屑摩擦，在胎体工作层底部积聚大量的摩擦热，导致钻头磨削部位温度升高，过高的温度加快钻头的磨损，甚至导致烧钻等孔内事故的发生等技术问题，提供了一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头。

[0007] 一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头，其特征是：包括钻头胎体、钢体、水口、热管和导热柱，所述钻头胎体与钢体连接，其中钻头胎体由胎体工作层和胎体过度层组成，在所述钢体上沿轴向开设有钢体螺纹孔；所述水口开设在钻头胎体上并将钻头胎体分隔成若干刀翼，且在刀翼上对应钢体螺纹孔位置开设有沿刀翼轴向贯穿的胎体螺纹孔；所述热管分为蒸发段和冷凝段两部分，且蒸发段安装在胎体螺纹孔内，冷凝段安装在钢体螺纹孔内，在热管内注入有工质；所述导热柱与热管螺纹连接构成传热部件，导热柱安装在胎体螺纹孔内，且导热柱高度与胎体工作层高度相等。

[0008] 每个刀翼沿环向均匀分布有三个传热部件，三个传热部件的长度相等，每组对称刀翼上的三个传热部件长度保持一致，其中相邻刀翼上的三个传热部件不等长；

[0009] 所述传热部件从刀翼顶部贯穿至钢体的内部。

[0010] 所述热管为闭式螺纹加强重力热管，其形状为圆柱体，材质采用铜质。

[0011] 所述导热柱为石墨柱、铜柱或铜合金柱。

[0012] 同一刀翼上三个长度相等的传热部件，分布在两侧的传热部件中的热管为高温热管，位于中间的传热部件中的热管为中温热管。

[0013] 所述高温热管内部注入的工质选自液态金属钠或液态金属钾中的一种。

[0014] 所述中温热管内部注入的工质为水。

[0015] 与现有技术相比，本发明带来的有益效果是：

[0016] 1、本发明提出的热管散热的金刚石地质取心钻头，钻头胎体的胎体工作层底部具有双重降温功能，一是利用水口降温，泥浆冲洗液通过水口到达钻头底唇面进行直接冷却降温，二是利用由热管和导热柱形成的传热部件进行降温，钻头底唇面的局部高温通过传热部件传导到钢体，钢体上的热量再被循环的泥浆冲洗液带走，钢体的散热面积大温度降低快，传热部件在钻头胎体和钢体之间循环反复地进行热传递，从而加快了钻头胎体底部的降温，综上热管相变传热技术具有很好的传热效率，与泥浆冲洗液结合使用可以起到双重散热降温的效果，加快金刚石钻头胎体底部的冷却，防止烧钻等孔内事故的发生。

[0017] 2、热管的价格相对泥浆冲洗液便宜，热管的使用降低了泥浆冲洗液的用量，从而减少了企业产品的制造成本，同时热管比泥浆冲洗液更为环保。

附图说明

[0018] 以下将结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

[0019] 图1为本发明一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头立体结构示意图。

[0020] 图2为本发明中热管整体分布图。

[0021] 图3为本发明中热管在不同刀翼上的剖视图。

[0022] 图4为本发明中热管在同一刀翼上的剖视图。

[0023] 图5为本发明的原理结构示意图。

[0024] 图中：1-钻头胎体、11-胎体工作层、12-胎体过度层、2-钢体、3-水口、4-热管、41-蒸发段、42-冷凝段、5-导热柱。

具体实施方式

[0025] 为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程和流程并没有详细的叙述。

[0026] 如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提出了一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头，包括钻头胎体1、钢体2、水口3、热管4和导热柱5，所述钻头胎体1通过烧结作用与钢体2连接，其中钻头胎体1由胎体工作层11和胎体过度层12组成，在所述钢体2上沿轴向开设有钢体螺纹孔；所述水口3开设在钻头胎体1上并将钻头胎体1分隔成若干刀翼，且在刀翼上对应钢体螺纹孔位置开设有沿刀翼轴向贯穿的胎体螺纹孔；所述热管4分为蒸发段41和冷凝段42两部分，且蒸发段41安装在胎体螺纹孔内，冷凝段42安装在钢体螺纹孔内，在热管4内注入有工质；所述导热柱5与热管4螺纹连接构成传热部件，导热柱5安装在胎体螺纹孔内，且导热柱5高度与胎体工作层11高度相同。

[0027] 进一步地，利用热管散热的金刚石地质取心钻头其胎体工作层11底部具有双重降温功能，一是利用水口3降温，泥浆冲洗液通过水口3到达钻头底唇面进行直接冷却降温，二是利用由热管4和导热柱5形成的传热部件进行降温，钻头底唇面的局部高温通过传热部件传导到钢体2，钢体2上的热量再被循环的泥浆冲洗液带走，钢体2的散热面积大温度降低快，传热部件在钻头胎体1和钢体2之间循环反复地进行热传递，从而加快了钻头胎体1底部的降温。具体传热原理是热管4的蒸发端与导热柱5一端接触，热管4的冷凝端与钢体2接触，钻头底唇面上产生的热量在导热柱5的作用下加速传递到热管4的蒸发端，蒸发端的工作液体受热蒸发，并带走热量，蒸汽从中心通道流向热管4的冷凝端，凝结成液体，同时释放潜热，液体在重力作用下回流到蒸发端，这样循环反复，将钻头底唇面与岩石摩擦产生的热量，经热管4传导到钢体2上，从而大大降低了金刚石钻头的胎体工作层11温度集中。

[0028] 进一步，每个刀翼沿环向均匀分布有三个传热部件，三个传热部件的长度相等，每组对称刀翼上的三个传热部件长度保持一致，其中相邻刀翼上的三个传热部件不等长，从而实现传热部件中热管4长短不一，使整个钢体2在径向上均匀吸收热量。

[0029] 由热管4和导热柱5形成的传热部件从刀翼顶部贯穿至钢体2的内部，通常情况是热管4根据应用不同，分为低温热管(-270℃～0℃)、常温热管(0℃～200℃)、中温热管(200℃～600℃)和高温热管(600℃以上)，不同温度的热管4其填充的液态工质不同，目前常用的工质有水、氨、酒精、丙酮、氮、氦、液态金属等。热管4在蒸发段41受热初期，并不会出现导热现象，只有当热管4的液态工质达到沸点时，热管4才会突发性地向冷凝段42导热，本发明中的热管4为闭式螺纹加强重力热管，其形状为圆柱体，材质采用铜质，同一刀翼上三个长度相等的传热部件，分布在两侧的传热部件中的热管为高温热管，位于中间的传热部件中的热管为中温热管，本发明中优选的高温热管内部注入的工质选自液态金属钠或液态金属钾中的一种，所述中温热管内部注入的工质为水，所述高温热管在钻头胎体1温度急剧升高的工况下工作，中温热管在钻头正常钻进过程中工作。

[0030] 所述导热柱5为石墨柱、铜柱或铜合金柱，其具有良好的导热性，能将钻头底唇面产生的热量加速传递到热管4，同时保护热管4在钻进过程中不被磨损。

[0031] 本发明提出的一种利用热管散热的金刚石地质取心钻头，制备过程简单，采用常规的方式即可获得，通常采用的两种制备方式如下：

[0032] 第一种方式是制备所述热管散热的金刚石地质取心钻头，首先要进行模具设计，模具材料常选用高纯石墨，在模具的设计过程中，用芯模来确定钻头内径，水口块、螺纹柱体用来预留水口3和放置热管4及导热柱5的螺纹孔，底垫片使钻头底唇面呈现各种简单的形状，以上所述芯模、水口块、螺纹柱体及底垫片均为一次性消耗件，最后装料与钢体进行一体烧结。钢体2在烧结前事先加工出与胎体螺纹孔相对应的钢体螺纹孔，使两者连通为一体，退模后将芯模、水口块、螺纹柱体、底垫片破坏取出，将热管4及导热柱5安装在整个螺纹孔内；

[0033] 第二种方式是制备所述热管散热的金刚石地质取心钻头首先在模具中烧结钻头胎体块即刀翼，烧结完成后在保温材料中冷却至室温，然后在胎体块上加工胎体螺纹孔，同时在钢体上也加工钢体螺纹孔，钢体上螺纹孔的位置由胎体块上胎体螺纹孔的位置确定，加工完成后将胎体块与钢体进行二次镶焊，镶焊时要使胎体块上的胎体螺纹孔与钢体上的钢体螺纹孔相对应，最后在整个沿钻头轴向的螺纹孔内安装导热柱5和热管4。

[0034] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应俱属本发明的专利范围。