专利名称：一种钢体式圆片刮刀钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种钢体式圆片刮刀钻头，特别是一种带偏心孔和开口槽的钢质齿柱电焊在钻头工作面上的金刚石组合片刮刀钻头，主要用于石油及地质勘探钻井在极软至中硬地层钻进，可提高钻头工作指标及降低钻井成本。
一种钢体式圆片刮刀钻头是由钻头的上体、下体、喷嘴套、密封圈、喷嘴、保径齿、切削齿及钻头齿柱等零件组成。本实用新型主要改进钻头的钢质齿柱和大直径切削齿结构、材料及其制造工艺，因此对这两个方面的专利和文献进行查阅，有关钢质齿柱方面的专利文献，只发现一项1989年11月15日授权的中国专利87102485.3；有关大直径切削齿技术方面查到一项专利和两份资料，即中国专利9220947.6和中美合资公司川石·克里斯坦森金刚石钻头公司的《金刚石钻头产品目录》(1990～1992)中的第5页都介绍了马赛克钻头和马赛克切削齿，第二份资料是美国依斯特曼·克里斯坦森公司1988年9月英文版《金刚石钻头技术的改进》(实际上是产品目录)的第16页介绍了该公司使用的1″，1-1/2″，2″等大直径PDC齿及制造的大直径PDC齿金刚石钻头，国内没这些尺寸的PDC齿，因此也做不了这种钻头，经查阅未查到与本实用新型完全相同的专利和文献。
关于钢质钻头齿柱技术产生的背景和现状。国外制造使用PDC钻头始于1985年前后，从那时起国内一些单位开始研制PDC齿及试制钻头，由于没有国外胎体式的PDC钻头的制造设备与技术，国内一些单位仿制国外的一种立式硬质合金齿柱，并把溥片PDC齿钎焊在立式齿柱的斜面上，然后把这种齿柱固定在钻头体工作面齿孔内，缺点是立式齿柱钻头，需在钻头工作面上钻许多方向位置不同的孔，固齿工艺技术困难。还有一种卧式齿柱，是胎体钻头工艺用专用设备加工复杂的石墨模具和成份复杂的超硬材料粉料，把钻头下体放在石墨模具中填充粉料，用烧结炉烧结，在钻头表面烧结一层较厚的硬质合金层和带半圆柱面槽及园形端面平面的卧式齿柱，把PDC齿钎焊在槽内半园柱面及槽端面的园面积上。当时在分析对比上述两种齿柱及其钻头的制造工艺的优缺点之后，提出一种新的PDC钻头制造方法就是电焊钢质齿柱，用钢车一个园柱，在上部的端面处铣一个开口槽，开口槽底平面直径等于PDC齿直径，在齿柱下部铣一个15°斜面，把这种卧式齿柱放在钻头下体工作面的齿位上，采用电焊焊牢，对齿柱的外形、电焊层和钻头下体工作面进行表面强化后把PDC齿钎焊在齿柱开口槽底平面和开口槽半园柱面上，PDC齿以15°负前角切削地层。在试制PDC取芯钻头时获得成功，1987年3月28日提出《聚晶金刚石复合齿钻头的制造方法》这项发明专利申请，于1989年11月15日被中国专利局授予发明专利权，实施这项专利主要制造PDC取芯钻头，钻头的平均累计进尺85.14m，平均机械钻速2.11m/h，这个指标高于国内其它厂家同类钻头指标，但低于引进国外技术的胎体PDC取芯钻头平均指标，由于价格相当后者的1/5-1/8，所以因降低了取芯钻井成本还是受用户的欢迎。钢体PDC取芯钻头创造了最高累计进尺420.1m，的全国最高记录，而川·克公司的同类钻头最高累计尺为248.37m，由于取芯钻进时泥浆排量及流速都比较低，对钢质齿柱冲蚀并不严重。但是在试制全面钻进钻头时因高速泥浆严重冲蚀钻头齿柱而造成钻头早期失效，后来江汉钻头厂引进美国休斯工具公司胎体式金刚石钻头生产线，就没必要再改进钢体式全面钻进钻头。九十年代初又引进了美国体斯·克里斯坦森公司胎体式PDC取芯钻头设计与制造技术。江汉钻头厂于1995年3月12日召开专利工作会议认为“经过现场试验，钻头存在着表面强化不过关等问题，该专利不继续保护”，决定自动放弃专利权。这项专利齿柱强化不过关主要是与PDC齿钎焊平面处的齿柱表强化困难、易受高速泥浆射流冲出沟槽，我做为原专利的发明人决心改进钢质齿柱结构、材料和表面强化工艺，制造全面钻进PDC钻头。
关于金刚石组合片技术产生的背景及现状。现在钻井大量使用的PDC钻头都采用标准PDC齿，立式齿柱采用φ13.2×3.2mm齿柱，胎体卧式齿柱采用φ13.2×8mm齿柱，在制造直径311mm以上钻头时就显得齿柱直径小了，在极软和软地层钻进也因此降低了机械钻速，要求采用大直径切削齿，制造大直径PDC齿钻头，国内在设备和工艺技术上都达不到，国外的大直径PDC齿，价格很高。九十年代初人们利用价格低的三角形热稳定聚晶金刚石片组合成较大的近似园的大片，称马赛克切削齿，马赛克钻头在极软至中硬地层都取得较好的效果，提高了钻头工作指标，降低了钻井成本，受到用户欢迎。马赛克切削齿可根据需要决定它的直径，前面引证的专利和资料提到的这种切削齿，马赛克切削齿在结构、材料及胎体的烧结工艺基本相似。存在缺点是采用胎体工艺成本高，售价更高，二是在园片上布满了三角聚晶片是没有必要的，因为便用钻头时随着钻头进尺的增加切削齿也在不断磨损，钻头齿柱的承压面积不断增大，在钻压基本一定的条件下，钻头的机械钻速降低，钻井成本增加，钻井工作者就起钻换新钻头，因些整个大园片上布满三角聚晶片是不经济的。
本实用新型的目的就是对上述现有技术存在的缺点进行两个方面的改进；一是改进钢质钻头齿柱结构、，材料及表面强化工艺，提高钻头齿柱抗高速泥浆射流的冲蚀能力；二是设计两种大直径园片切削齿柱的结构、材料及焊齿工艺。代替国内外的马赛克切削齿和大直径PDC切削齿，在上述两方面改进基础上制造全面钻进钻头，使钢体式圆片刮刀钻头的工作指标达到胎体式钻头的技术水平，降低钻井成本。
本实用新型的技术方案和内容是在钢质钻头齿柱和大直径圆片切削齿两方面进行改进，具体内容是1、改进钢质钻头齿柱的结构，材料和表面强化工艺。设计一种带偏心孔和开口槽的钢质钻头齿柱。孔在上部最小壁厚为1mm，在孔的进口铣一个开口槽，槽宽等于孔径，槽长等于原孔深的一半，在钻头齿柱的下部铣一个斜面，把这种卧式齿柱电焊在钻头体工作面的齿位上，对钢质齿柱的外表面、电焊层和钻头体工作面进行表面强化，表面强化工艺采用加热重熔Ni-Wc涂层合金化工艺。钻头齿柱采用经过加热有自硬化能力的中碳合金钢。把PDC齿柱钎焊在钻头齿柱偏心孔内及开口槽内孔壁上，泥浆就冲蚀不到切削齿柱的主钎焊面，提高了焊齿强度和抗高速泥浆冲蚀能力，克服了原专利钢质钻头齿柱存在的缺点。
2、改进大直径园片切削齿的结构、材料和焊齿工艺。采用两种切削齿，一是大直径园柱聚晶齿组合片切削齿，采用圆柱聚晶金刚石齿焊在硬质合金基片的半个面上几个长方形槽内，槽宽槽深大于聚晶齿直径、每个槽内放2-3颗聚晶。采用重熔Ni-Wc涂层合金化工艺把聚晶齿放在槽内，涂层中间烘干但不加热，先用铜焊工艺把这种带聚晶齿的基片焊在钻头齿柱偏心孔及开口槽内孔壁上，同时加热涂层使其合金化把聚晶齿焊牢。硬质合金基片直径φ30mm，厚10mm，园柱聚晶齿φ4×5×120°。第二种大直径PDC齿组合片切削齿采用标准的φ13.2×3.2mm的PDC齿，一个大园片齿柱上有一个完整的PDC齿，和两个切去120°扇形缺口的PDC齿，在φ30mm的硬质合金基片的半个面积上有深4mm的两个R6.7mm的双园弧形槽，焊齿工艺是首先在槽的平面上涂一层防止铜焊的涂料，把基片铜焊在钻头齿柱偏心孔和开口槽孔壁上，用喷砂清除涂料，清洗干净后采用银焊料把PDC齿钎焊在基片槽内，完整的PDC齿焊在中间，带120°扇形缺口的PDC齿两边各焊一片，以上就是本适用新型改进的两种大直径圆片切削齿结构、材料及焊齿工艺，它与现有技术不同，用园聚晶齿组合片切削齿取代三角聚晶马赛克切削齿，用PDC焊组合切削齿代替国外的大直径PDC齿。
本实用新型与现有技术相比有以下优点1、提高了钢质齿柱强度。采用卧式钢质齿柱电焊在钻头体上并表面强化，具有钢的强度和硬质合金的表面硬度，有较高的抗剪切强度，而立式硬质合金齿柱及胎体式硬合金卧式齿柱存在脆性，抗剪切强度低等缺点；2、提高了焊切削齿的可靠性。采用带偏心孔和开口槽的新齿柱，把切削齿的主焊面焊在孔内和开口槽孔壁上增加了焊齿面积，提高了焊齿强度，因而提高了焊齿的可靠性；3、提高了钻头齿柱抗泥浆中蚀能力。由于把切削齿的主焊面焊在偏心孔和开口槽内，泥浆冲蚀不到切削齿的主焊面又有硬质合金强化层保护齿柱，因此提高了钻头齿柱抗高速泥浆冲蚀能力；4、采用新结构大直径园片切削齿可提高了破岩效率，降低钻井成本。因为采用园柱聚晶齿组合片切削齿，破碎地层岩石时成负前角切削岩石，在岩石表面切削成四个园弧形切削槽，增加了自由面提高了破岩效率，采用PDC组合片也是在岩石切削表面形成三个园弧的切削面，国外采用大直径PDC齿切削岩石，每颗齿形成一个园弧切削面，因此组合片更合理。改进后的大直径园片的切削齿只占基片半个面积，而马赛克切削齿和大直径PDC齿都是占整个面积，因此改进后的切削齿成本更低；5、简化了钻头制造工艺，降低钻头生产成本，由于采用钢体式钻头制造工艺不需要胎体式钻头的专用设备模具及复杂的技术，因此简化了工艺降低了生产成本。
以上五个方面的优点对钢体式园片刮刀钻头技术有新发展，甚至与胎体式钻头对比也具有优点，保持了现有技术的积极效果，并优于现有技术。
以下结合附图进一步描述本实用新型的具体结构。
图1是钢体式园片刮刀钻头结构示意图；图2是现有技术钢质钻头齿柱结构示意图；图3是本实用新型钢质钻头齿柱结构示意图；图4是本实用新型园柱聚晶齿组合片钻头齿柱结构示意图；图5是图4的左视图；图6是本实用新型PDC齿组合片钻头齿柱结构示意图；图7是图6的左视图。
本实用新型附图编号1—上体，2—下体，3—喷嘴套，4—密封圈，5—喷嘴，6—保径齿，7—钻头齿柱，8—切削齿，9—电焊层，10—强化层，11—硬质合金园柱基片，12—园柱聚晶齿，13—PDC齿，14—偏心孔，15—开口槽，16—开口槽底平面，17—开口槽内孔壁，18—齿柱底斜面，19—齿槽。
结合附图对本实用新型的技术内容和实施做进一步说明，并举例详细描述。
图1是钢体式园片刮刀钻头结构示意图，钻头由上体1、下体2、喷嘴套3、密封圈4、喷嘴5、保径齿6、钻头齿柱7、切削齿8等零件组成，除密封圈和喷嘴是可换的，其他零件都焊成一体，所以又把刮刀钻头叫做整体式钻头。钢体式园片刮刀钻头的关健零件是钻头齿柱和焊在上面的切削齿，一只钻头上布置有几十颗钻头齿柱及切削齿，保证所钻地层岩石全面破碎。本实用新型就是对钢体式园片钻头的钢质齿柱和切削齿在结构、材料和焊齿工艺等方面进行改进，使其达到新的水平。
图2是现有技术钢质钻头齿柱结构示意图，图中带齿柱底斜面18的钢质齿柱7电焊在钻头下体2工作面上，在钻头齿柱7、电焊层9和钻头下体工作面的表面是硬质合金强化层10，在钻头齿柱开口槽底平面16等于切削齿直径与切削齿8(φ13.2×3.2mm)之间的钎焊面有开口槽内孔壁17和主钎焊开口槽底平面16，其中主钎焊平面处齿柱表面不易强化，容易受到泥浆冲蚀，这就是原专利的主要缺点。
图3是本实用新型钢质钻头齿柱结构示意图，改进钻头齿柱的结构、材料和表面强化工艺，设计一种上部带有偏心孔14的钻头齿柱7在孔的进口处铣一个开口槽15，槽宽等于孔径，槽长等于原孔深的一半，在齿柱的下部铣齿柱底斜面18，把这个卧式齿柱放在钻头下体2的工作面齿位上，用电焊焊牢。举例说明，切削齿8用标准的PDC齿的尺寸为φ13.2×8mm时，决定了偏心孔径为φ13.4mm，孔深8mm，开口槽宽13.4mm，槽长4mm，钻头齿柱直径φ18×17mm，齿柱底斜面斜角为15°，钻头齿柱材料，由原专利选用的45号钢改为焊后自硬化能力较强的中碳合金钢；表面强化工艺采用加热重熔Ni-Wc涂层合金化工艺，就是把含有40％Ni和60％Wc的混合粉未用调合剂调成糊状，均匀地涂在钻头齿柱7、电焊层9和钻头体2的工作面上的表面，烘干后用高频感应加热或氧乙炔火焰加热重熔涂层使其合金化，温度加热到1000℃-1100℃，在此过程中调合剂受热蒸发掉在强化层10不留杂质。采用低熔点银焊料钎焊工艺，把PDC齿柱钎焊在钻头齿柱的偏心孔14和开口槽内孔壁17上，这样就完成了一钢质齿柱制造的全过程，齿柱底斜面18决定了切削齿以负前角15°切削破碎岩石。偏心孔径和深度取决于切削齿柱的尺寸，如果采用大直径园片切削齿柱就要增大孔径和孔深及钻头齿柱的尺寸，下面将做详细介绍。
图4是本实用新型园柱聚晶齿组合片钻头齿柱结构示意图。图5是图4的左视图，从图4中看出由电焊在钻头下体2工作面上的钻头齿柱7、电焊层9和强化层10，硬质合金园柱基片11及园柱聚晶齿12组焊而成，从图5看出钻关齿柱7、电焊层9和钻头下体2的工作面上都有强化层10，在基片的半个面积上有四个齿槽19，中间两槽内各放3颗聚晶齿，其它二槽各放2颗，硬质合金园柱基片直径φ30mm，厚度为10mm，园柱聚晶齿尺寸为φ4×5×120°，槽宽和槽深为4.5mm。园柱聚晶齿组合片焊齿工艺是用调合剂把含40％Ni和60％Wc的混合粉未调成糊状与园柱聚晶齿12一起放进硬质合金园柱基片11的槽内，聚晶齿在涂层中间，烘干后把这种基片铜焊在钻头齿柱的偏心孔14内和开口槽内孔壁17上，在此同时也对涂层加热使其合金化把聚晶齿焊牢。采用园柱聚齿组合片与现有技术马赛克切削齿比较有两个优点；一是采用园柱聚晶齿以负前角切削岩石形成四个园弧的沟槽，增加了自由面，有利于破岩效率的提高；二是园柱聚晶齿只布齿在基片的半个面积上降低了成本。
图6是本实用新型PDC齿组合片切削齿钻头齿柱结构示意图，图7为图6的左视图，从图6看出由电焊钻头下体2上钻头齿柱7、电焊层9、强化层10及焊在钻头齿柱偏心孔14内的硬质合金园柱基片11和PDC齿13组焊而成，从图7看出在电焊钻头齿柱7、电焊层9和钻头下体2的工作面上都有强化层10，基片11约半个面上有一个由两段园弧组成的双园弧齿槽19，槽深4mm，基片直径φ30mm，厚10mm，选用标准的PDC齿13φ13.2×3.2mm，双园弧半径均为R6.7mm，在每个园弧面处布置有120°扇形缺口的PDC齿各一片，中间布置一个完整的PDC齿，焊齿工艺首先采用铜焊，把基片焊在钻头齿柱7的偏心孔14和开口槽内孔壁17上，焊前在齿槽19平面和两个园弧面上涂一种防铜焊涂料，铜焊后用喷砂清理齿槽平面处涂料，清理干净后。采用通用低熔点银焊料钎焊PDC齿的工艺将PDC齿钎焊在基片的布齿位置上。由于采用基片尺寸与园聚晶组合片的基片尺寸相同，采用的钻头齿柱也相同。因此两种组合片可分开做两种切削齿的钻头。也可根据需要在一种钻头使用两种组合片切削齿。设计PDC齿组合片切削齿的目地是用它代替大直径PDC齿，因此与大直径PDC齿钻头对比也有两条优点一是在切削齿布置有三个标准直径PDC齿以负前角切削地层岩石时，在岩石表面上形成相连接的三个园弧沟槽，增加了自由面有利于破岩效率的提高，而大直径PDC齿只能形成一个大的园弧沟槽；二是把PDC齿布置在半个基片面积上对于一只钻头的使用寿命来讲已经足够了，不需要采用大直径PDC齿整片切削齿。
以上描述的是本实用新型对钢体式园片刮刀钻头的钢质钻头齿柱及两种大直径金刚石组合片切削齿的改进，由于采用电焊钢质齿柱工艺，在钻头设计上不同于立式齿柱或卧式齿柱的胎体式工艺的布齿设计，钢体式园片刮刀钻头在布齿设计上几乎全部采用螺旋线形布齿，过去在取心钻头布齿设计是这样，在全面钻进钻头及大直径园片刮刀钻头设计也都采用螺旋线形布齿，优点是钻头各部位齿柱承载均匀，齿柱及切削齿容易冷却，个别齿失效时修复也影响不到其他齿。在一个钻头完成各种组焊后还要对钻头的保径齿进行磨加工，以保证对钻头上体接头螺纹中心线的同轴度，一般是把接头接在专用磨床的母接头上，磨钻头保径齿，目地是保证钻头的直径及同轴度都在公差范围之内，对于取芯钻头则内径和外径都要磨，目地也是保证内径和外径直径及同轴度都在公差范围内。按着上述改进的内容制造钢体式园片刮刀钻头的工作指标一定会达到胎体式钻头的技术水平。
权利要求1.一种由上体(1)、下体(2)、喷嘴套(3)、密封圈(4)、喷嘴(5)、保径齿(6)、钻头齿柱(7)和切削齿(8)组成的钢体式园片刮刀钻头，其特征是采用一种带偏心孔(14)和开口槽(15)、齿柱底斜面(18)的钢质钻头齿柱(7)，电焊在钻头下体(2)工作表面上，在钻头齿柱(7)，电焊层(9)和钻头下体(2)的工作面上有硬质合金强化层(10)，钻头切削齿(8)有大直径的园柱聚晶齿(12)组合片和PDC齿(13)组合片，标准的PDC齿(13)。
2.根据权利要求1所述的钢体式园片刮刀钻头，其特征是大直径园柱聚晶齿组合片切削齿由硬质合金园柱基片(11)和焊在基片半个园面积上长方形齿槽(19)内的园柱聚晶齿(12)组成。
3.根据权利要求1所述的钢体式园片刮刀钻头，其特征是大直径PDC齿组合片切削齿由硬质合金园柱基片(11)和焊在基片双园弧齿槽(19)平面上的PDC齿(13)组成。
专利摘要本实用新型公开了一种钢体式圆片刮刀钻头,用于石油钻井,它由上体(1)、下体(2)、喷嘴套(3)、密封圈(4)、喷嘴(5)、保径齿(6)、钻头齿柱(7)及切削齿(8)等零件组成,它的特点是采用带偏心孔(14)和开口槽(15)的钢质齿柱电焊在钻头下体工作面上,并表面强化,切削齿焊在偏心孔(14)和开口槽内孔壁(17)上。采用大直径圆柱聚晶齿组合片和PDC齿组合片、标准的PDC齿,制造不同类型的圆片刮刀钻头。可提高钻头工作指标和降低钻井成本。
文档编号E21B10/46GK2281411SQ96240609
公开日1998年5月13日 申请日期1996年9月16日 优先权日1996年9月16日
发明者孙泰林 申请人:孙泰林