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CN107023261B - 一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法 - Google Patents

一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法 Download PDF

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CN107023261B CN201710447313.5A CN201710447313A CN107023261B CN 107023261 B CN107023261 B CN 107023261B CN 201710447313 A CN201710447313 A CN 201710447313A CN 107023261 B CN107023261 B CN 107023261B
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Abstract

一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法，属于钻井技术领域，本发明提出的钻头是由刚体和孕镶块切削刀翼组成，孕镶块切削刀翼固定设置在刚体的端面上，数量为复数个，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼之间设置有扇形水口，孕镶块切削刀翼的唇面具有坡度，且唇面上设有波纹形沟槽；在孕镶块切削刀翼切削端镶嵌一层金刚石切削条，金刚石切削条呈负切削角布置在孕镶块切削刀翼上，孕镶块切削刀翼的胎体和金刚石切削条硬度不同，本发明还提出了制备所述的钻头的方法，本发明波纹形沟槽提高切削岩石效率和排屑效果，金刚石切削条和孕镶金刚石合理的排布，加以运用孕镶块切削刀翼的胎体和金刚石切削条硬度不同，有效提高钻头寿命和钻进效率。

Description

一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法
技术领域
本发明属于钻井技术领域，涉及一种钻头，特别涉及一种保持持续破碎能力的用于钻进坚硬打滑地层的孕镶金刚石钻头及其制备方法。
背景技术
坚硬、弱研磨性岩层,又称“打滑”地层,坚硬“打滑”地层钻进一直以来是钻进工作的一项难题。它的特点是岩石致密完整，抗压入硬度高，一般钻头钻进时效极低，极易被抛光，出现钻头不进尺的打滑现象。随着深部找矿工作的开展，这种极难钻进的地层出现的深度、频率及厚度都在增加，如何有效地解决这一难题显得日益突出和重要。孕镶金刚石钻头的碎岩过程是多种碎岩方式有机组合的反映，并随着岩石性质、工作状态等因素的改变而变化。在现有技术中，多数学者的研究表明，在坚硬“打滑”地层钻进，孕镶金刚石钻头的碎岩过程是以微切削刻划破碎和磨粒磨损研磨性破碎为主的组合。
目前，针对“打滑”地层金刚石钻头钻进打滑问题，常规处理方法包括:
1、金刚石钻头人工出刃采取打磨法、喷砂法、唇面酸蚀法、孔底投砂研磨和冲洗液中加砂等都辅助手段磨损钻头胎体来实现金刚石钻头出刃。
2、软胎体钻头钻进打滑地层时,人们往往为了加快胎体磨耗,加速金刚石出刃,采取降低胎体硬度的办法。
3、异型唇面钻头主要指高低刃金刚石钻头和同心圆尖齿钻头,其设计指导思想是要减少钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积,提高金刚石钻头唇面对岩石的单位面积压力。
但上述几种常规的处理方法存在以下问题：金刚石钻头人工出刃方法只是解决打滑问题的一种应急辅助手段,不是根本的解决方法。实践证明,用软胎体克服钻头打滑现象效果并不好。异型唇面钻头唇面齿磨损后,钻头唇面与岩石接触面积逐渐增大,钻头的比压下降,整个钻头的大部分钻进时间同普通钻头没有太大的区别。
普通孕镶金刚石钻头由于采用微切削和磨削碎岩，需要较大钻压及较高转速，金刚石切刃升温快，尖齿容易被磨平、抛光，钻速下降快，失去钻进能力。
发明内容
为了钻进坚硬的打滑地层，提高钻头的持续破碎岩石的能力,提高钻进效率，本发明提出了一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头，是由刚体和孕镶块切削刀翼组成，其特征是：所述孕镶块切削刀翼固定设置在刚体的端面上，数量为复数个，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼之间设置有扇形水口，孕镶块切削刀翼由胎体和孕镶在胎体上的金刚石颗粒构成，其中金刚石颗粒含量的体积百分比为20％，粒度为35目～40目，所述孕镶块切削刀翼的唇面具有坡度，且唇面上设有波纹形沟槽；在所述孕镶块切削刀翼切削端镶嵌一层金刚石切削条，金刚石切削条呈负切削角布置在孕镶块切削刀翼上，金刚石切削条的切削方向与钻头轴线成5°～30°夹角，金刚石切削条为PCD金刚石切削条或CVD金刚石切削条。
优选的，所述孕镶块切削刀翼的唇面形状为直线段与圆弧线段结合组成的形状，其中直线段与圆弧线段相切，直线段与钻头轴线成60°～85°夹角，圆弧线段的半径大于孕镶块切削刀翼沿钻头径向的厚度。
优选的，所述孕镶块切削刀翼的唇面形状呈弧形，且弧形的曲率半径大于孕镶块切削刀翼沿钻头径向的厚度。
所述金刚石切削条为金刚石切削锯片，且金刚石切削锯片呈前后依序错位排列布置。
所述金刚石切削条呈柱状结构，均匀排列在孕镶块切削刀翼上，金刚石切削条的横截面呈圆形、长方形或菱形。
所述扇形水口的圆心角为5°～30°。
所述扇形水口上设有沟槽。
本发明还提出了一种制备所述的坚硬打滑地层金刚石复合钻头的方法，其特征是：包括以下步骤，
步骤一、将石墨模具置于操作台上，按照设计要求在石墨模具内布设金刚石切削条；
步骤二、金刚石切削条布设完成后，将含金刚石颗粒的胎体材料装入石墨模具中，之后放入刚体，其中金刚石颗粒含量的体积百分比为20％，粒度为35目～40目；
步骤三、将装有含金刚石颗粒的胎体材料的石墨模具置于中频感应炉内，采用无压浸渍法烧结含金刚石颗粒的胎体材料，以120℃/min的升温速度升至1020℃，保温10min后放入保温砂中冷却24h，除去石墨模具后加工成型。
进一步，步骤二中所述的胎体材料是由下述质量百分比的组分构成：碳化钨WC粉：50％，硬质合金YG6粉：18％，镍Ni粉：5％，锰Mn粉：3％，钴Co粉：2％，锡青铜ZQSN6-6-3粉：22％。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头及其制备方法，其中孕镶块切削刀翼的唇面设置一定的斜度以增大比压，孕镶块切削刀翼切削端即唇面更高的一端镶嵌有金刚石切削条，其呈负切削角的方式设置，切削角为5°～30°以同时达到有利于切削及保护齿刃的目的，同时孕镶块切削刀翼的胎体和金刚石切削条硬度不同，金刚石切削条的布置形式实现孕镶块切削刀翼切削端具有软硬相间的特点，能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低阻力，本发明采用多个孕镶块切削刀翼，每个孕镶块切削刀翼唇面上设有波纹形沟槽延伸至扇形水口，有利于排除岩屑。本发明设计波纹形沟槽提高切削岩石效率和排屑效果、增加散热面积，金刚石切削条和孕镶金刚石合理的排布，加以运用孕镶块切削刀翼的胎体和金刚石切削条硬度不同，金刚石切削条的布置形式实现孕镶块切削刀翼切削端具有软硬相间的特点，有效的提高钻头的寿命和钻进效率。本发明提供的钻头不仅可以用在坚硬打滑地层，也可用于钻进软硬互层岩石，钻进软地层时唇面的切削作用有利于快速钻进，钻进硬岩层时不断产生的锯齿形底唇面可以像常规锯齿形孕镶金刚石钻头一样钻进岩层。
附图说明
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。
图1为本发明第一种实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头的示意图。
图2为本发明第一种实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头的俯视图。
图3为本发明第一种实施例孕镶块切削刀翼示意图。
图4为本发明第一种实施例孕镶块切削刀翼的切削角度示意图。
图5为本发明第二种实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头示意图。
图6为本发明第二种实施例孕镶块切削刀翼剖面示意图。
图7为本发明第三种实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头示意图。
图8为本发明第三种实施例孕镶块切削刀翼剖面示意图。
图9为本发明第四种实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头示意图。
图10为本发明第四种实施例孕镶块切削刀翼剖面示意图。
图中：1-刚体、2-孕镶块切削刀翼、3-金刚石切削条、4-扇形水口。
具体实施方式
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。
本发明提出了一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头，是由刚体1和孕镶块切削刀翼2组成，所述孕镶块切削刀翼2固定设置在刚体1的端面上，数量为复数个，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼2之间设置有扇形水口4，孕镶块切削刀翼2由胎体和孕镶在胎体上的金刚石颗粒构成，其中金刚石颗粒含量的体积百分比为20％，粒度为35目～40目，孕镶块切削刀翼2胎体采用中等硬度材料，洛氏硬度HRC30～40，所述孕镶块切削刀翼2的唇面具有坡度，且唇面上设有波纹形沟槽；在所述孕镶块切削刀翼2切削端镶嵌一层金刚石切削条3，金刚石切削条3呈负切削角布置在孕镶块切削刀翼上，金刚石切削条3的切削方向与钻头轴线成5°～30°夹角，金刚石切削条3为PCD金刚石切削条或CVD金刚石切削条，孕镶块切削刀翼2的胎体和金刚石切削条3硬度不同，孕镶块切削刀翼2胎体采用中等硬度材料，洛氏硬度HRC30～40，孕镶块切削刀翼的胎体2和金刚石切削条3硬度不同，金刚石切削条3的布置形式实现孕镶块切削刀翼2切削端具有软硬相间的特点，能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低阻力。
实施例一
请参阅图1、图2、图3及图4所示，本实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头是由刚体1和孕镶块切削刀翼2组成；所述孕镶块切削刀翼2较高的一端镶嵌一层金刚石切削条3，且金刚石切削条3为金刚石切削锯片，金刚石切削锯片前后高低有序排列，呈负切削角的方式设置，切削角α为5°～30°；所述孕镶块切削刀翼2的唇面形状为直线段与圆弧线段结合组成的形状，其中直线段与圆弧线段相切，直线段与钻头轴线成60°～85°夹角，圆弧线段的半径大于孕镶块切削刀翼2沿钻头径向的厚度，具有耐磨、减阻、脱附作用，采用多个孕镶块切削刀翼2，孕镶块切削刀翼2的胎体和金刚石切削条3硬度不同，金刚石切削条3的布置形式实现孕镶块切削刀翼2切削端具有软硬相间的特点，能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低阻力，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼2之间设置有扇形水口4，并在其上设计有沟槽，每扇形水口4的圆心角为5°～30°。
实施例二
请参阅图5及图6所示，本实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头是由刚体1和孕镶块切削刀翼2组成；所述孕镶块切削刀翼2镶嵌有数个横截面呈圆形的柱状金刚石切削条3，横截面呈圆形的柱状金刚石切削条3均匀排列在孕镶块切削刀翼2上且具有一定的斜度，呈负切削角的方式设置，切削角为5°～30°；所述孕镶块切削刀翼2唇面形状呈弧形，且弧形的曲率半径大于孕镶块切削刀翼2沿钻头径向的厚度，唇面上设有波纹形沟槽；孕镶块切削刀翼2的胎体和金刚石切削条3硬度不同，金刚石切削条3的布置形式实现孕镶块切削刀翼2切削端具有软硬相间的特点，能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低阻力，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼2之间设置有扇形水口4，并在其上设计有沟槽，每个扇形水口4的圆心角为5°～30°。
实施例三
请参阅图7及图8所示，本实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头是由刚体1和孕镶块切削刀翼2组成；所述孕镶块切削刀翼2镶嵌有数个横截面呈长方形的柱状金刚石切削条3，横截面呈长方形的柱状金刚石切削条3，均匀排列在孕镶块切削刀翼2上且具有一定的斜度，呈负切削角的方式设置，切削角为5°～30°；所述孕镶块切削刀翼2唇面形状呈弧形，且弧形的曲率半径大于孕镶块切削刀翼2沿钻头径向的厚度，唇面上设有波纹形沟槽，孕镶块切削刀翼2的胎体和金刚石切削条3硬度不同，金刚石切削条3的布置形式实现孕镶块切削刀翼2切削端具有软硬相间的特点，能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低阻力，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼2之间设置有扇形水口4，并在其上设计有沟槽，每个扇形水口4的圆心角为5°～30°。
实施例四
请参阅图9及图10所示，本实施例坚硬打滑地层金刚石复合钻头是由刚体1和孕镶块切削刀翼2组成；所述孕镶块切削刀翼2镶嵌有数个横截面呈菱形的柱状金刚石切削条3，横截面呈菱形的柱状金刚石切削条3均匀排列在孕镶块切削刀翼2上且具有一定的斜度，呈负切削角的方式设置，切削角为5°～30°；所述孕镶块切削刀翼2唇面形状呈弧形，且弧形的曲率半径大于孕镶块切削刀翼2沿钻头径向的厚度，唇面上设有波纹形沟槽，孕镶块切削刀翼2的胎体和金刚石切削条3硬度不同，金刚石切削条3的布置形式实现孕镶块切削刀翼2切削端具有软硬相间的特点，能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低阻力，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼2之间设置有扇形水口4，并在其上设计有沟槽，每个扇形水口4的圆心角为5°～30°。
本发明还提出了一种制备所述的坚硬打滑地层金刚石复合钻头的方法,具体包括以下步骤，
步骤一、将石墨模具置于操作台上，按照设计要求在石墨模具内布设金刚石切削条3；
步骤二、金刚石切削条3布设完成后，将含金刚石颗粒的胎体材料装入石墨模具中，之后放入刚体1，其中金刚石颗粒含量的体积百分比为20％，粒度为35目～40目；
步骤三、将装有含金刚石颗粒的胎体材料的石墨模具置于中频感应炉内，采用无压浸渍法烧结含金刚石颗粒的胎体材料，以120℃/min的升温速度升至1020℃，保温10min后放入保温砂中冷却24h，除去石墨模具后加工成型。
进一步，步骤二中所述的胎体材料是由下述质量百分比的组分构成：碳化钨WC粉：50％，硬质合金YG6粉：18％，镍Ni粉：5％，锰Mn粉：3％，钴Co粉：2％，锡青铜ZQSN6-6-3粉：22％。
本发明提出的坚硬打滑地层金刚石复合钻头的工作原理和过程：
在钻进过程中，孕镶块切削刀翼2镶嵌金刚石切削条3的一端优先压入岩石，在回转过程中，孕镶块切削刀翼2切削端即唇面更高的一端采用金刚石切削条3为负切削角的方式设置，切削角为5°～30°以同时达到有利于切削及保护齿刃的目的。唇面的斜度及波纹形沟槽设置，具有耐磨、减阻、脱附作用，金刚石切削条3和孕镶块切削刀翼2软硬相间能够使钻头既有高效持续的破岩能力，又有强耐磨性和低的阻力。唇面的斜度及波纹形沟槽设置有利于冲洗液更好得流过钻头底面，改善钻头的冷却条件。本发明提供的钻头也可用于钻进软硬互层岩石，钻进软地层时唇面的切削作用有利于快速钻进，钻进硬岩层时不断产生的锯齿形底唇面可以像常规锯齿形孕镶金刚石钻头一样钻进岩层。
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。

Claims (4)

1.一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头，是由刚体（1）和孕镶块切削刀翼（2）组成，其特征是：所述孕镶块切削刀翼（2）固定设置在刚体（1）的端面上，数量为复数个，在任意相邻两个孕镶块切削刀翼（2）之间设置有扇形水口（4），孕镶块切削刀翼（2）由胎体和孕镶在胎体上的金刚石颗粒构成，其中金刚石颗粒含量的体积百分比为20%，粒度为35目～40目，所述孕镶块切削刀翼（2）的唇面具有坡度，且唇面上设有波纹形沟槽，在所述孕镶块切削刀翼（2）切削端镶嵌一层金刚石切削条（3），金刚石切削条（3）呈负切削角布置在孕镶块切削刀翼（2）上，金刚石切削条（3）的切削方向与钻头轴线成5°～30°夹角，金刚石切削条（3）为PCD金刚石切削条或CVD金刚石切削条；
所述孕镶块切削刀翼（2）的唇面形状为直线段与圆弧线段结合组成的形状，其中直线段与圆弧线段相切，直线段与钻头轴线成60°～85°夹角，圆弧线段的半径大于孕镶块切削刀翼（2）沿钻头径向的厚度；
或者所述孕镶块切削刀翼（2）的唇面形状呈弧形，且弧形的曲率半径大于孕镶块切削刀翼（2）沿钻头径向的厚度；
所述金刚石切削条（3）为金刚石切削锯片，且金刚石切削锯片呈前后依序错位排列布置；
或者所述金刚石切削条（3）呈柱状结构，均匀排列在孕镶块切削刀翼（2）上，金刚石切削条（3）的横截面呈圆形、长方形或菱形；
所述胎体的材料是由下述质量百分比的组分构成：碳化钨WC粉：50%，硬质合金YG6粉：18%，镍Ni粉：5%，锰Mn粉：3%，钴Co粉：2%，锡青铜ZQSN6-6-3粉：22%。
2.根据权利要求1所述的一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头，其特征是：所述扇形水口（4）的圆心角为5°～30°。
3.根据权利要求1所述的一种坚硬打滑地层金刚石复合钻头，其特征在于：所述扇形水口（4）上设有沟槽。
4.一种制备权利要求1所述的坚硬打滑地层金刚石复合钻头的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一、将石墨模具置于操作台上，按照设计要求在石墨模具内布设金刚石切削条（3）；
步骤二、金刚石切削条（3）布设完成后，将含金刚石颗粒的胎体材料装入石墨模具中，之后放入刚体（1）；
步骤三、将装有含金刚石颗粒的胎体材料的石墨模具置于中频感应炉内，采用无压浸渍法烧结含金刚石颗粒的胎体材料，以120℃/min的升温速度升至1020℃，保温10min后放入保温砂中冷却24h，除去石墨模具后加工成型。
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