一种金刚石钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种金刚石钻头，属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的刀翼向内凹，形成周向贯通的凹槽。本发明专利技术可以降低钻头的切削能耗，提升破岩效率，同时能抑制钻头横向振动，有效减少钻头切削齿的冲击失效，增强钻头在定向钻井中的抗漂移能力，并能产生大尺寸岩屑，改善地质录井质量，提高实钻条件下对井下地层信息分析和判断的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种金刚石钻头。
技术介绍
金刚石钻头是钻井工程中其中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，根据其切削元件的不同，主要包括PDC钻头和孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片(简称PDC齿或切削齿)作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。PDC齿虽然硬度高，但抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层(软硬交错夹层、含砾岩层等)钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，而最典型的失效形式之一就是复合片金刚石层的冲击崩损，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力，除了岩石不均质带来的冲击以外，在更多的情况下，切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。钻头上局部径向区域内切削齿的过度磨损后会在刀翼本体上产生环槽，环槽一旦出现，钻头的切削能力即基本丧失。除了PDC钻头以外，孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，这种钻头以孕含在胎体式刀翼体或切削齿中的大量金刚石微小颗粒(即金刚石微切削刃)形成的基本切削刃构成切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其支撑材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。孕镶金刚石钻头的这种“磨削”原理，决定了它的应用对象主要为高硬度、强研磨性等不适宜用PDC钻头的难钻甚至极难钻地层，且一般在高转速下才能达到相对较好的破岩效果。将金刚石微粒孕含在胎体式刀翼体中所形成的切削元件称为刀翼孕镶体或刀翼孕镶块(简称孕镶体或孕镶块)，孕含在切削齿中所形成的切削元件则称为孕镶切削齿(简称孕镶齿)。孕镶体自身构成了孕镶金刚石钻头刀翼体的一部分，属于孕镶钻头基本的切削结构，而孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构。孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结。在刀翼孕镶体上增设孕镶齿，既有助于改善孕镶钻头在钻遇软地层时的适应性，更能显著增加孕镶金刚石钻头切削结构的工作寿命。孕镶体、孕镶齿以及孕镶体与孕镶齿的各种组合，均可形成钻头的孕镶切削元件，钻头上所有的孕镶切削元件构成了钻头的孕镶切削结构。在难钻甚至极难钻地层条件下，其它各种类的钻头都存在牙齿寿命短的问题，而孕镶钻头切削元件的耐磨性极强，能达到相对较长的工作寿命。由于孕镶钻头的工作转速往往很高，所以，保持钻头在工作过程中的运动稳定性，尽量减小钻头的振动(特别是横向振动)，对于保障钻头的工作寿命十分重要。冠部轮廓形状是金刚石钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。金刚石钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶(鼻部)、外锥、肩部和保径五部分。当外部载荷使钻头有发生水平平移的趋势时，钻头中心区域的内锥或外锥的岩壁对钻头施加以与其水平移动方向相反的作用力，以抑制钻头的横向移动,有益于提高钻头稳定性。在导向钻进中，常常会出现钻进轨迹发生“漂移”的现象，其本质是由于钻头横向位移方向与钻头所受到的横向力方向不一致所导致的力学效应。PDC钻头通常容易有向左漂移的趋势，原因在于当钻头在偏离井眼中心条件下工作时，钻头上切削齿的受力是很不均衡的，在偏离方向一侧，钻头冠顶以外的切削齿更贴近井底以及井壁的岩石，故其切削力更大；而在背离偏离方向一侧，冠顶以外的切削齿与井底以及井壁岩石的距离变远，故其切削力将会显著减小甚至脱离接触。对钻头冠顶以内的切削齿而言，其接触状态规律与冠顶以外的切削齿刚好相反，切削力增大的是在背离偏离方向一侧的内锥切削齿，而在偏离方向一侧，内锥上牙齿的切削力是减小的，甚至可能脱离与岩石的接触。图28、29是钻头的这种牙齿切削力规律的示意图，图中F1、F2、F3、F4、F5为钻头产生的致漂力，所有左漂力合成Ffg1，所有右漂力合成Ffg2，Fn为导向力。从图中可以看到，钻头外锥切削齿的横向合力方向与内锥切削齿的横向合力方向相反，而且外锥横向力大于内锥横向力。这两个力的差值就产生了使钻进轨迹发生漂移的钻头漂移力。显然，要减小漂移趋势，就要减小漂移力，也就是要减小两个相反方向横向力的差值。由其破岩原理所决定，各类金刚石钻头都有一个共同的弱点，即钻井过程中破碎井底岩石后形成的岩屑尺寸很细小，其中孕镶金刚石钻头的岩屑更是极细，基本呈粉末状。这个弱点在一定程度上限制了金刚石钻头的应用。因为地下岩层复杂多变，钻井过程中常常需要通过井下上返的岩屑来分析、判断地层的岩性信息，过于细小的岩屑将使这种分析和判断的准确性受到严重影响。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面(称之为过该点的轴线平面或轴面)。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。在孕镶金刚石钻头中，如果切削元件全为刀翼孕镶体(西瓜皮式孕镶钻头)，将刀翼孕镶体轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有刀翼孕镶体的轴面轮廓线包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，这样孕镶钻头的切削轮廓线与钻头本体轮廓线基本一致，为同一曲线；如果切削单元包括刀翼孕镶体、孕镶块(孕镶齿)，孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构，孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结，将刀翼孕镶体、孕镶齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体、孕镶齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有孕镶齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，做一条所有刀翼孕镶体的包络曲线，被称为孕镶钻头的本体轮廓线。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种金刚石钻头，以降低钻头的切削能耗，提升钻头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石钻头，包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，其特征在于：钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的各刀翼向内凹，形成周向贯通的凹槽。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石钻头，包括钻头本体，以及延伸自钻头本体的若干个刀翼，在刀翼上设置有切削元件，其特征在于：钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，且在环形空白带位置的各刀翼向内凹，形成周向贯通的凹槽。2.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：在环形空白带区域设置有第二切削元件。3.如权利要求2所述的金刚石钻头，其特征在于：第二切削元件设置在刀翼凹槽的侧壁和/或顶部。4.如权利要求2所述的金刚石钻头，其特征在于：第二切削元件为固定切削齿，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件，运动切削元件上具有一个或多个切削齿。5.如权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于：运动切削元件为能与钻头本体发生相对滑动的切削元件。6.如权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于：运动切削元件为能与钻头本体发生相对转动的牙轮，牙轮上设置有由若干个切削齿构成的齿圈。7.如权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有一个或若干个牙轮，其中至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含井底环形空白带，且至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分井底环形空白带以外的区域。8.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，黄奎林，林敏，谢宗亮，周坚，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51