一种两阶钻头及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种适合破碎地层取芯钻探用的两阶钻头及其制造方法。本发明专利技术的两阶钻头及其制造方法具有取芯率高，钻探导向性好，钻探效率高的特点，其制造工艺无需将两阶台阶切削齿分别烧结和机加工再烧结，只需要一步烧结即可，工序简洁高效，生产出来的钻头同心度高，耐磨性好的特点。

A kind of two order bit and its manufacturing method

The invention relates to a two stage bit suitable for core drilling in fractured formation and a manufacturing method thereof. The two step bit and its manufacturing method have the characteristics of high core rate, good drilling guidance and high drilling efficiency. The manufacturing process does not need to sinter the two step cutting teeth separately and machine the machine. It only needs one step sintering, the process is simple and efficient, the produced bit has high concentricity, and the wear resistance is good. Point.

【技术实现步骤摘要】
一种两阶钻头及其制造方法
本专利技术属于地层钻探
，具体涉及一种适合破碎地层取芯钻探用的两阶钻头及其制造方法。
技术介绍
从钻井工程角度，罗平亚院士对破碎地层的定义：受构造应力作用而原本破碎的地层(完全破碎、大量裂缝等)以及在井眼形成后在上覆压力作用下产生破碎的地层。该类地层的显著特点是:破碎不完整，胶结性差，裂缝发育，常伴有地层压力。这些特点决定了破碎地层孔壁稳定性差，经常出现孔壁坍塌、掉块、卡钻等复杂孔内事故。目前该类地层孔壁稳定的途径:1)增加破碎地层破碎岩块之间的胶结力；2)能够快速造壁，避免大量冲洗液进入到破碎地层之中；3)封堵裂缝，是破碎地层孔壁稳定的核心；4)对于具有掉块坍塌现象的严重破碎地层，需适度提高冲洗液的密度或粘度；5)谨慎施工，小心操作，避免由于操作失误引起孔壁的不稳定。钻头的类型对钻孔成形、钻孔速度钻孔质量起到关键性作用。在过去的几十年里，国内钻探工作者对破碎等复杂地层钻进技术进行了大量的研究，虽然取得了一定的成果，但取芯率低且容易偏心。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种两阶钻头及其制造方法，特别适合破碎地层取芯钻探，具有取芯率高，钻探导向性好，钻探效率高，制造工艺简洁高效的特点。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种两阶钻头，包括由内而外依次设置的外管连接套和环形的钻头，所述外管连接套和钻头通过过渡粘结管连接；所述钻头由内而外包括第二阶钻头和第一阶钻头，所述第一阶钻头的外径小于所述第二阶钻头的外径；所述第二阶钻头和所述第一阶钻头相连为同轴的台阶状钻头，所述第二阶钻头和所述第一阶钻头均由多个高度相等的切削齿组成，所述多个切削齿围绕钻头轴线均布；所述切削齿之间为内外直通主水路，所述每个切削齿中心线上设有不通内的副水路；所述切削齿端面设有切削面，所述切削面上设有多道同心圆弧状分布的切削槽。通过使用本申请所述的两阶钻头，将钻头的钻面设计为同轴的台阶状钻头，在钻头钻进的过程中，第二阶钻头和第一阶钻头的台阶结构可以起到较好的导向性，不容易偏心；将水路设计为通内的内外直通主水路和不通内的副水路，减少了内外直通主水路的数量，可以减少孔底钻进对岩心的冲刷，提高取芯率，同时为了确保钻头唇面冷却增加了不通内的副水口，保证钻进的效率。作为优选的，所述内外直通主水路由第二阶钻头延伸至第一阶钻头，并与第一阶钻头内壁连通。这样的设计水流可以通过内外直通主水路直接从钻头内排到钻头外，对钻头进行冷却和钻头唇面润滑。作为优选的，所述第一阶钻头上的切削齿之间的凹台上设置有内排水孔，所述内排水孔内部与第二阶钻头内壁连通。作为优选的，所述副水路从切削面延伸至第二阶钻头或第一阶钻头的侧壁上，所述副水路与切削面上的部分切削槽连通。这样的设计，水流从切削槽流经副水路，可以对第二阶钻头和第一阶钻头的唇面和侧壁进行冷却。作为优选的，所述切削齿包括靠近钻头轴线的内切削齿和远离钻头轴线的外切削齿，所述内切削齿和外切削齿一体烧结成型。由于钻头在转进的过程中，钻头容易发生偏心摆动，在偏心摆动的过程中，钻头唇面的外缘会承受较大的压力，而相对于钻头唇面内缘交易磨损。这样的设计，对钻头的内外区分，可以提高钻头唇面外部的耐磨程度，提高钻头整体的使用寿命。一种两阶钻头的制造方法，包括如下步骤：第一步：胎体物料混合：将金属粉和金刚石粉末按比例混合，获得胎体的填充粉末；第二步：铺设第一阶钻头层：将填充粉末均匀铺设在模具当中，厚度达到第一阶钻头高度，并对第一阶钻头层进行预压，预压压强为20/3Mpa；第三步：铺设第二阶钻头层：将填充粉末继续均匀铺设在模具当中，厚度达到第二阶钻头高度，并对第二阶钻头层进行预压，预压压强为20/3Mpa；第四步：铺设过渡粘结管层和放置外管连接套：将过渡粘结管填充粉末继续均匀铺设在模具当中，并将外管连接套定位放置在过渡粘结管层上；第五步：施加预压压力：对外管连接套施加10～20KN压力；第六步：保温扩散：保持第五步中的压力，并通过感应加热圈对模具从室温开始以250～300℃/min速度升温，至850℃～900℃；保温1～5分钟，并施加压强为10Mpa的压力；第七步：加压烧结：快速升温至970℃，并施加压强为20Mpa的压力，保压1～5分钟后开始模具内冷却；第八步：冷却：冷却至650℃左右时将工件模具中取出，并在室温中冷却；第九步：加工内排水孔。通过这样设计，在填充粉末均匀铺设的过程中，对第二阶钻头层和第一阶钻头层进行预压，可以提高胎体的密度，弥补由于模具高度增加而导致压力传导不足的缺陷；同时以往的大型钻头会通过烧结和机加工再烧结，加工较为繁琐，本申请，通过预压工艺一次成型后烧结工序简洁高效，生产出来的钻头同心度高，耐磨性好。作为优选的，步骤一中的金属粉质量分数配方为：WC48％～50％，Ni5％～6％，Co5％～6％，Mn5％，Cu66335％；金刚石粉质量分数配方为35～40目20％，金刚石40～45目30％，金刚石45～50目30％，金刚石50～60目20％；胎体的金刚石浓度为90％；所述过渡粘结管质量分数配方为：WC30％，Fe25％，Ni5％，Mn5％，Cu66335％；外管连接套为钢制套筒。这样的比例配方，比较适合破碎地层。作为优选的，步骤一至步骤三中胎体的填充粉末包括内切削齿粉末和外切削齿粉末，所述内切削齿粉末配方为：WC50％，Ni5％，Co5％，Mn5％，Cu66335％，金刚石粉35～40目25％，金刚石40～45目25％，金刚石45～50目30％，金刚石50～60目20％；所述外切削齿粉末配方为：WC48％，Ni6％，Co6％，Mn5％，Cu66335％，金刚石35～40目20％，金刚石40～45目20％，金刚石45～50目30％，金刚石50～60目30％；步骤二中，第一阶钻头层铺设分为内层铺设和外层铺设，内层铺设位置与内切削齿位置适配，外层铺设位置与外切削齿位置适配；步骤三中，第二阶钻头层铺设分为内层铺设和外层铺设，内层铺设位置与内切削齿位置适配，外层铺设位置与外切削齿位置适配。这样的铺设工艺，可以在钻头的唇面上形成内层铺设和外层铺设，烧结后对应为内切削齿和外切削齿(内层铺设内切削齿粉末，外层铺设外切削齿粉末)一体成型，提高使用寿命。作为优选的，步骤二和步骤三中，内切削齿粉末和外切削齿粉末铺前，通过隔离筒壁对铺设空腔进行隔离，待内切削齿粉末和外切削齿粉末铺设达到预期高度后将隔离筒壁取出，再进行预压。这样的设计可以实现对内切削齿粉末和内切削齿粉末的内外分层铺设，以便烧结过后形成内切削齿和内切削齿。作为优选的，所述步骤二中的模具为致密石墨模具。这样的设计是对方案的进一步优化。本专利技术的优点和有益效果在于：本专利技术的两阶钻头及其制造方法具有取芯率高，钻探导向性好，钻探效率高的特点，其制造工艺无需将两阶台阶切削齿分别烧结和机加工再烧结，只需要一步烧结即可，工序简洁高效，生产出来的钻头同心度高，耐磨性好的特点。附图说明图1为本专利技术两阶钻头结构示意图；图2为图1中A处结构放大示意图；图3为两阶钻头俯视图；图4为图3中A-A剖视图；图5为实施例2中填充粉末的铺设流程简图；图6为图5的延续。图中：1、外管连接套；2、钻头；3、过渡粘结管；4、第二阶钻头；5、第一阶钻头；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两阶钻头，其特征在于：包括由内而外依次设置的外管连接套和环形的钻头，所述外管连接套和钻头通过过渡粘结管连接；所述钻头由内而外包括第二阶钻头和第一阶钻头，所述第一阶钻头的外径小于所述第二阶钻头的外径；所述第二阶钻头和所述第一阶钻头相连为同轴的台阶状钻头，所述第二阶钻头和所述第一阶钻头均由多个高度相等的切削齿组成，所述多个切削齿围绕钻头轴线均布；所述切削齿之间为内外直通主水路，所述每个切削齿中心线上设有不通内的副水路；所述切削齿端面设有切削面，所述切削面上设有多道同心圆弧状分布的切削槽。

【技术特征摘要】
1.一种两阶钻头，其特征在于：包括由内而外依次设置的外管连接套和环形的钻头，所述外管连接套和钻头通过过渡粘结管连接；所述钻头由内而外包括第二阶钻头和第一阶钻头，所述第一阶钻头的外径小于所述第二阶钻头的外径；所述第二阶钻头和所述第一阶钻头相连为同轴的台阶状钻头，所述第二阶钻头和所述第一阶钻头均由多个高度相等的切削齿组成，所述多个切削齿围绕钻头轴线均布；所述切削齿之间为内外直通主水路，所述每个切削齿中心线上设有不通内的副水路；所述切削齿端面设有切削面，所述切削面上设有多道同心圆弧状分布的切削槽。2.如权利要求1所述的两阶钻头，其特征在于：所述内外直通主水路由第二阶钻头延伸至第一阶钻头，并与第一阶钻头内壁连通。3.如权利要求2所述的两阶钻头，其特征在于：所述第一阶钻头上的切削齿之间的凹台上设置有内排水孔，所述内排水孔内部与第二阶钻头内壁连通。4.如权利要求3所述的两阶钻头，其特征在于：所述副水路从切削面延伸至第二阶钻头或第一阶钻头的侧壁上，所述副水路与切削面上的部分切削槽连通。5.如权利要求4所述的两阶钻头，其特征在于：所述切削齿包括靠近钻头轴线的内切削齿和远离钻头轴线的外切削齿，所述内切削齿和外切削齿一体烧结成型。6.一种两阶钻头的制造方法，包括如下步骤：第一步：胎体物料混合：将金属粉和金刚石粉末按比例混合，获得胎体的填充粉末；第二步：铺设第一阶钻头层：将填充粉末均匀铺设在模具当中，厚度达到第一阶钻头高度，并对第一阶钻头层进行预压，预压压强为20/3Mpa；第三步：铺设第二阶钻头层：将填充粉末继续均匀铺设在模具当中，厚度达到第二阶钻头高度，并对第二阶钻头层进行预压，预压压强为20/3Mpa；第四步：铺设过渡粘结管层和放置外管连接套：将过渡粘结管填充粉末继续均匀铺设在模具当中，并将外管连接套定位放置在过渡粘结管层上；第五步：施加预压压力：对外管连接套施加10～20KN压力；第六步：保温扩散：保持第五步中的压力，并通过感应加热圈对模具从室温开始以250～300℃/min速度升温，至...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐颂贤，张世文，
申请(专利权)人：无锡锡钻地质装备有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32