一体式超高工作层自再生切削刃钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种一体式超高工作层自再生切削刃钻头，包括钻头骨架，钻头骨架包括多个水口和多个超硬材料切削刃嵌入孔，水口内竖直分布有多层加强结构；相邻两个水口间的加强结构轴向交错分布，超硬材料切削刃固定连接在超硬材料切削刃嵌入孔内部；阻泥浆结构包括阻水片和焊接点，在同一竖直的水口中，阻水片的上边缘通过焊接点与该层加强结构中心固连，本发明专利技术通过增加切削刃的高度，大大提高钻头使用寿命，减少起下钻作业，进而减少钻进成本，提高纯钻进时间、钻进效率以及钻进利润，再利用超硬材料切削刃与钻头骨架之间的磨损配合，钻头骨架与超硬材料切削刃的硬度相比较软，耐磨性较弱，优先磨损，最后实现切削刃的自再生形式。最后实现切削刃的自再生形式。最后实现切削刃的自再生形式。

【技术实现步骤摘要】
一体式超高工作层自再生切削刃钻头


[0001]本专利技术涉及地质钻探、油气钻井领域，特别涉及一种一体式超高工作层自再生切削刃钻头。

技术介绍

[0002]常规钻探用钻头主要以机械式碎岩钻头为主，其种类主要有磨削类、切削类、冲扭切类、冲击类等，其中磨削类钻头一般以孕镶金刚石钻头为主，主要钻进坚硬地层，孕镶金刚石钻头的工作原理为：钻头钻进时胎体磨损，金刚石颗粒出露克取岩石，可以一直将胎体全部磨完，都有新出露的金刚石进行工作，类似于砂轮磨削金属材料；切削类钻头一般以PDC复合片钻头、硬质合金钻头为主，PDC钻头和硬质合金钻头主要钻进软至中硬地层，地层必须是均质地层，以避免冲击载荷，含砾石的地层不能使用PDC和硬质合金钻头，PDC钻头和硬质合金钻头的钻进原理为：在钻压和扭矩的作用下，PDC复合片或者硬质合金齿吃入地层，充分利用复合片极硬、耐磨的特点犁削和剪切地层、破碎地层。主要以切削、剪切和挤压方式破碎岩石；冲扭切类钻头一般为牙轮钻头，牙轮钻头根据不同的牙轮齿材料适应地层，适用地层较为广泛，适应地层为强、中、微风化岩石和卵砾石，如花岗岩、片麻岩、砂岩、灰岩、页岩等。牙轮钻头的工作原理：在运用牙轮钻头钻进时，钻头上接受的钻压经过牙轮最终作用在岩石上，除此静载外还有一种冲击荷载，这是因为钻头的纵向振动带来的有益破碎岩石的效果，在牙轮滚动进程中，单齿着地和双齿着地的轮轴心在发生上下变换，此种变换随着牙轮的滚动在不断的进行，牙轮在钻进过程中既自转又公转，此种钻进形式对岩石产生扭切效果，配合冲击作用随意牙轮钻头钻进效率较高；冲击类钻头一般为冲击回转钻进用的潜孔锤，潜孔锤钻进适应地层一般有含有漂石、孤石等卵砾石地层，节理、裂隙发育的地层，岩石软硬不均等复杂地层。潜孔锤钻进工作原理：用潜孔锤配合钻机和相应的钻具进行的冲击回转钻进。潜孔锤接在钻杆的最下端，钻机带动钻杆回转，压缩空气(钻井液)通过钻杆进入潜孔锤产生一定频率的冲击力，对岩石进行破碎，同时利用排出的废气(钻井液)对锤头(钻头)进行冷却，并将凿下的岩屑排出孔外。因潜孔锤的外径小于钻孔直径，可随着钻孔的延深下入孔内，冲击功损失很小，可钻进较深的钻孔。锤头因受到冲击荷载和扭切荷载，所以一般采用球齿形状。
[0003]伴随着油气田开发技术的不断提高，国内外的钻井技术逐渐向高效、优质、快速的方向发展，油气井开采深度在不断加深，性能优良的钻头要求就越迫切，钻进效率高，使用寿命长的钻头会极大的提高台月效率，降低钻进成本。为此，国内外专业技术人员分别从钻头材料、胎体材料配方、制备工艺和钻头布齿等方向入手，开展了大量的研究，近十几年取得了较大的进步，较大幅度提高了钻头的整体性能。然而，美中不足的是钻头的寿命和效率仍然没有达到人们理想的要求。
[0004]对于磨削类孕镶金刚石钻头，提高钻进效率和使用寿命的方法一般从胎体配方、钻头齿形结构、制备工艺、金刚石镀膜，提供工作层高度等；对于切削类PDC钻头，提高钻进效率和使用寿命的方法一般从PDC复合片的质量、排齿布齿、切削刃的尺寸大小和切削角；
对于冲扭切类牙轮钻头，提高钻进效率和使用寿命的方法一般从牙轮的齿高、布齿、齿槽深度以及轴承间隙等；对于冲击类潜孔锤钻头，提高钻进效率和使用寿命的方法一般从球齿尺寸大小、布齿、锤头结构、水眼分布等。但是，因目前的制造技术水平等因素的限制，硬质合金、PDC复合片、金刚石等材料的质量得不到大幅度的提升，所以对钻头寿命的影响有限，钻头胎体配方、制备工艺和排齿布齿等都只是小幅度的提高钻头的机械效率和使用寿命。然而，钻孔深度越深，对钻头的寿命要求越迫切。因此，在深孔钻探中，长寿命钻头对于减少起下钻换钻头次数、延长钻头的纯钻进时间、提高钻探台月效率和降低钻探成本具有十分重要的作用。为此，国内外学者和工程师想方设法提高钻头的强度和使用寿命，其中增加钻头的切削齿高度是优先想到的解决措施。
[0005]纵观国内外高切削齿钻头现状，目前存在三大技术难题：一是超高切削齿强度问题，随着钻头切削齿的增高，钻头单个切削齿的强度在降低，因切削齿的强度限制了钻头切削齿的高度；二是切削齿增高而面临的钻头冷却及泥浆携粉能力的问题，随着切削齿高度的提高，水口高度也在变大，因水口较高，泥浆会趋向于阻力小的方向流动，因此大部分泥浆会从孔底上部分水口(齿根部水口)进行循环，我们称之为“假循环”，“假循环”的存在降低了钻头的冷却能力及泥浆携粉能力，三是对于硬质合金、PDC钻头、牙轮钻头、潜孔锤钻头来说，切削齿的自再生问题，高切削齿钻头既要保证钻头的使用寿命还要保证钻头的切削效率问题。
[0006]目前国内外对磨削类钻头研究较多，常见的高胎体钻头一般为孕镶金刚石钻头。例如：瑞典研制的Golden Jet孕镶金刚石钻头；加拿大研制出的CULCAN—26型钻头，该钻头切削齿高度高达26mm；美国研制的Ultramatrix钻头；中国地质调查局北京探矿工程研究所研制的，切削齿高度为16mm钻头；西安煤炭科学研究院研制的双层水口钻头；吉林大学研制的自再生水口钻头；无锡地质装备公司研制了高胎体加强筋孕镶金刚石钻头等。
[0007]课题组对磨削类钻头也进行了深入研究并且效果显著。例如：2019年，专利技术人专利技术了“一体式切削齿孕镶金刚石钻头”其专利号为201921748695.6，公开了一种超高工作层胎体一体化的钻头结构形式以及制备方法，此专利旨在解决超高工作层孕镶金刚石钻头切削齿的强度问题，通过胎体一体化的形式，将钻头单齿通过加强的方式使钻头切削齿相互连接，将切削齿的“单兵作战”变为“整体作战”极大的提高了钻头切削齿的强度以及钻头的整体性，但是此种结构形式的钻头对泵量要求较高，虽然能够解决钻头切削齿强度的问题，但是泥浆“假循环”的问题仍然没有解决；为解决“假循环”问题，专利技术人还专利技术了“超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头及其制备方法”其专利号为ZL202111097075.2，公开了一种渐开式水口交替式工作的方法，此专利旨在解决超高工作层孕镶金刚石钻头泥浆循环、钻头冷却及携粉问题。
[0008]上述两个专利解决了目前磨削类超高工作层钻头面临的技术难题，即三大技术难题之二：超高工作层单齿强度问题和泥浆循环问题，但是高胎体切削类钻头(PDC钻头、硬质合金钻头等)的研究还处于空白阶段，未曾报道有关自再生高胎体切削类钻头的研究(以PDC钻头为例)。常见的研究基本PDC复合片的质量、排齿布齿、切削刃的尺寸大小和切削角来提高PDC钻头的钻进效率和使用寿命。如：张喆等“氯化钠对合成聚晶立方氮化硼复合片质量的影响”研究；田家林等“基于扭转振动的PDC钻头布齿角度对复合片磨损规律的影响研究”；邹德永等“硬地层PDC钻头切削齿尺寸及后倾角优化设计”研究；以上研究只能小幅
度提高PDC钻头的钻进效率和使用寿命，要想大幅度提高切削类钻头的使用寿命，提高胎体高度是最有效的手段之一。
[0009]本专利技术在磨削类钻头研究的工作基础上进行切削类钻头超硬材料切削齿(硬质合金、PDC等)自再生研究，旨在解决第三个技术难题：切削齿自再生问题，保证钻头使用寿命和泥浆冷却钻头携带岩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一体式超高工作层自再生切削刃钻头，其特征在于：包括钻头骨架(1)、超硬材料切削刃、阻泥浆结构和加强结构；钻头骨架(1)包括多个水口和多个超硬材料切削刃嵌入孔(21)，水口内竖直分布有多层加强结构；最上层的加强结构与钻头骨架(1)上表面平齐；相邻两个水口间的加强结构轴向交错分布，超硬材料切削刃固定连接在超硬材料切削刃嵌入孔(21)内部；超硬材料切削刃的上表面高于钻头骨架(1)上表面3～5mm；阻泥浆结构包括阻水片(8)和焊接点(9)，在同一竖直的水口中，阻水片(8)的上边缘通过焊接点(9)与该层加强结构中心固连，阻水片(8)下边缘覆盖在下一层加强结构的上边缘1～2mm；加强结构的层数大于等于2层。2.根据权利要求1所述的一体式超高工作层自再生切削刃钻头，其特征在于：所述的水口包括外水道(2)、主水道(3)和内水道(4)；外水道(2)和内水道(4)宽度与水口宽度保持一致，外水道(2)和内水道(4)的径向厚度不小于2mm。3.根据权利要求1所述的一体式超高工作层自再生切削刃钻头，其特征在于：所述的挡水片(8)采用的材料硬度小于钻头骨架(1)的硬度，挡水片(8)通过焊接的方式焊接到各层加强结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：高科，王金龙，赵研，谢晓波，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：