整体全耗自补式组合钻具的制作方法

本发明涉及一种石油天然气钻井用钻具及方法，特别涉及一种整体全耗自补式组合钻具。

背景技术：

在石油、天然气的开发过程中，钻井是一个重要的工作，而在钻井过程中，钻具有着十分重要的位置，在目前的钻具中，一般采用pdc钻头或牙轮钻头，现有的pdc钻头，是用硬质耐磨材料焊接到钻头体上而形成，问题是：其使用寿命一般是在钻进150米左右，就需要更换钻头，而现有的石油钻井深度有6000-7000米，水平井的长度能达到15000米，而更换钻头作业需要从井口将所有钻杆取出更换钻头，比如6000-7000米的深井需要至少3天起出钻杆，更换完钻头后，再用至少3天的时间再下入井底进行钻井工作，也就是说需要耗费近一周的时间才能更换一次钻头，而每个pdc钻头只能钻进150米，因为这个时间成本，造成钻井的成本高昂，井深越长成本越高昂；另外，钻井完成后还需要进行油井的固井作业，固井不及时，可能会造成已经钻好的油井出现塌陷，造成该井的整个开采作业失败，包括前期的勘探作业、钻井施工，因此，就需要尽快对已经钻好的油井进行固井作业，而钻井过程中的频繁更换钻头作业不仅占用了固井作业的时间，而且频繁起下作业会导致地质条件较差的地方会出现塌陷，造成整个油井作业的失败。

目前，石油钻井用的钻头的研究主要集中在材料、热处理、循环等，一定程度的提高了钻井的深度，但它们都有一个特点，就是没有突破钻具消耗后的补偿问题，这样，就使得钻头的使用寿命受到了极大的限制，这样，存在的问题就是钻头的更换频率仍然高，钻井成本有所降低，但是总体来说还是很高昂。

因此，设计发明一个可以钻进远超150米距离的新型钻具，可以大幅的降低钻井成本，降低油井塌陷的风险。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种整体全耗自补式组合钻具，将硬质耐磨合金块贯穿到钻头的内部，且有顺序的排列组合，这样，钻头在磨损的同时，硬质耐磨合金块也同时被磨损，由于硬质耐磨合金块与钻头形成整体，钻头可以做的较长，就可以降低钻具的更换频率。

本发明提供的一种整体全耗自补式组合钻具，其技术方案是：包括麻花钻本体（1）和柄部（2），在麻花钻本体（1）上设有一组或一组以上的凸起的螺旋状的切削背（3），一组或一组以上的凹下去的螺旋状排屑槽（4），所述麻花钻本体（1）和柄部（2）的中心为空心结构（5），在切削背（3）上铣出多组容刀孔（6），从排屑槽钻焊接孔（7）连通到容刀孔（6）中，每个容刀孔内安装硬质耐磨合金块（8），通过焊接孔（7）浇注铜水到容刀孔（6），铜水进入硬质耐磨合金块（8）与容刀孔（6）之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块（8）固定在容刀孔（6）内。

优选的，沿着麻花钻本体（1）上的切削背，依次设有多个均匀分布的容刀孔（6），从而使多组容刀孔（6）分别平行叠加设置，使硬质耐磨合金块（8）平行叠加设置在麻花钻本体上。

优选的，上述的容刀孔（6）为楔形结构或者圆筒形结构。

优选的，上述硬质耐磨合金块（8）的主体为楔形结构（8.4），尾部设有展开的尾翼（8.5），主体的楔形结构（8.4）插入到楔形结构的容刀孔中，展开的尾翼（8.5）卡在麻花钻本体的外部，使整个麻花钻本体的内腔和外壁实现耐磨功能。

优选的，上述硬质耐磨合金块（8）的主体为圆柱形结构，头部（8.1）为椎体结构，尾部（8.2）为梯形结构，主体和头部（8.1）插入到圆筒形结构的容刀孔中，尾部（8.2）的梯形结构卡在麻花钻本体的外部，使整个麻花钻本体的内腔和外壁实现耐磨功能。

优选的，麻花钻本体（1）的中心为空心结构，通过地面的井口沿着钻杆注入洗井液，通过麻花钻本体（1）的排屑槽（4）将岩石屑沿着钻杆与井壁之间的空腔排出，要求每次上提钻杆之前要向井内注入支撑液。

优选的，在麻花钻本体（1）上设有一组凸起的螺旋状的切削背（3），一组凹下去的螺旋状排屑槽（4）。

优选的，上述的焊接孔（7）设有螺纹，铜水灌注完毕后，将辅助硬质耐磨合金杆（9）连接到焊接孔（7）内，实现辅助耐磨。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，根据排屑槽的数量，铣出螺旋状的排屑槽，再在凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组容刀孔，且每组容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔，每个焊接孔分别连通到各组容刀孔中；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个硬质耐磨合金块依次插入相应的容刀孔，并依次通过各个焊接孔注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，铣出一组或一组以上凹下去的螺旋状的排屑槽，形成一组或一组以上凸起的螺旋状的切削背，再在凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组容刀孔，且每组容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔，每个焊接孔分别连通到一组容刀孔，并且在焊接孔上制出螺纹；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个硬质耐磨合金块依次插入相应的容刀孔，并依次通过各个焊接孔注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内；然后将辅助硬质耐磨合金杆（9）通过螺纹连接到焊接孔（7）内，实现硬质耐磨合金块（8）和辅助硬质耐磨合金杆（9）的组合结构，提高耐磨效果。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的使用方法，包括以下过程：

在地面井口处，将整体全耗自补式组合钻具安装固定在钻杆的末端，并下入井中，在井口的钻井机的带动下，钻杆实现旋转带动整体全耗自补式组合钻具旋转，并在麻花钻本体（1）和柄部（2）的中心的空心结构（5）处注入洗井液，洗井液带动岩石屑沿着螺旋状排屑槽（4）排出，并沿着钻杆与井壁之间返出地面井口；

在整体全耗自补式组合钻具的钻进的过程中，麻花钻本体（1）从头部逐渐磨损，而焊接在麻花钻本体（1）内部的多组硬质耐磨合金块（8）开始提供耐磨功能，随着继续钻进，切削背（3）上依次固定的硬质耐磨合金块（8）依次提供耐磨功能，实现不间断的耐磨补偿，这样，可以使整个6米或13米的钻具一直消耗到末端的柄部（2），再提出钻杆更换新的整体全耗自补式组合钻具。

本发明的有益效果是：本发明的载体本身就是钻头材料或77#钢，即共析钢，具有很高度的硬度与切削能力；载体本身的结构采用麻花钻结构，且在麻花钻本体的螺旋状结构的切削背上依次排列设有容刀孔，在各个容刀孔内固定硬质耐磨合金块，使其斜插到麻花钻本体内部，另外，硬质耐磨合金块采用特殊结构，其尾部的梯形结构卡在麻花钻本体的外部，使整个麻花钻本体的内腔和外壁也实现耐磨功能；并且，为了固定牢固，还可以在凹下去的螺旋状排屑槽内垂直开有焊接孔，通过焊接孔向容刀孔内灌注铜水，使硬质耐磨合金块更加牢固的固定在容刀孔内；

还有，容刀孔沿着切削背依次排列，且容刀孔斜向上伸到麻花钻本体的中心位置，便于逐层排布；还有麻花钻本体的加工退火铣削由钢锭开始，调质使硬度达到65rc以上，其中，硬质耐磨合金块采用yt15或yt20等进行铜焊加丝焊接，磨削成型，与钻铤的连接采用钻杆扣螺纹连接，循环的洗井液通过麻花钻本体和柄部的中心的空心结构通过，加负压调节的方式进行；洗井液带动岩石屑沿着螺旋状排屑槽排出，并沿着钻杆与井壁之间返出地面井口。本发明利用麻花钻本体的硬度与硬质耐磨合金块之间的差异，使钻削过程满足全耗自补的性能，可以使整个6米或13米的钻具一直消耗到末端的柄部，再提出钻杆更换新的整体全耗自补式组合钻具，减少了钻杆的起下次数，一次钻进的距离是现有技术的10倍甚至以上，大幅降低了钻井的成本，也降低了地质条件较差的地方会出现塌陷的风险，提高了整个油井作业的成功率。

附图说明

附图1是本发明的整体半剖示意图；

附图2是硬质耐磨合金块的一种实施例的结构示意图；

附图3是硬质耐磨合金块的第二种实施例的结构示意图；

附图4是麻花钻本体铣出四条排屑槽且插入硬质耐磨合金块的截面示意图；

上图中：麻花钻本体1、柄部2、切削背3、排屑槽4、空心结构5、容刀孔6、焊接孔7、硬质耐磨合金块8、辅助硬质耐磨合金杆9，头部8.1、尾部8.2、主体8.3、楔形结构8.4、尾翼8.5。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本发明提供的一种整体全耗自补式组合钻具，包括麻花钻本体1和柄部2，在麻花钻本体1上设有一组凸起的螺旋状的切削背3，一组以上的凹下去的螺旋状排屑槽4，所述麻花钻本体1和柄部2的中心为空心结构5，在切削背3上铣出多组容刀孔6，从排屑槽钻焊接孔7连通到容刀孔6中，每个容刀孔内安装硬质耐磨合金块8，通过焊接孔7浇注铜水到容刀孔6，铜水进入硬质耐磨合金块8与容刀孔6之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块8固定在容刀孔6内。

沿着麻花钻本体1上的切削背，依次设有多个均匀分布的容刀孔6，从而使多组容刀孔6分别平行叠加设置，使硬质耐磨合金块8平行叠加设置在麻花钻本体上。

参照附图2，硬质耐磨合金块8的主体为楔形结构8.4，尾部设有展开的尾翼8.5，主体的楔形结构8.4插入到楔形结构的容刀孔中，展开的尾翼8.5卡在麻花钻本体的外部，使整个麻花钻本体的内腔和外壁实现耐磨功能；而且容刀孔可以根据钻头的需要设置不同数量。

其中，麻花钻本体1的中心为空心结构，通过地面的井口沿着钻杆注入洗井液，通过麻花钻本体1的排屑槽4将岩石屑沿着钻杆与井壁之间的空腔排出，要求每次上提钻杆之前要向井内注入支撑液。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，根据排屑槽的数量，铣出螺旋状的排屑槽，再在凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组楔形的容刀孔，且每组楔形的容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔，每个焊接孔分别连通到各组容刀孔中；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个楔形的硬质耐磨合金块依次插入相应的容刀孔，并依次通过各个焊接孔注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的使用方法，包括以下过程：

在地面井口处，将整体全耗自补式组合钻具安装固定在钻杆的末端，并下入井中，在井口的钻井机的带动下，钻杆实现旋转带动整体全耗自补式组合钻具旋转，并在麻花钻本体1和柄部2的中心的空心结构5处注入洗井液，洗井液带动岩石屑沿着螺旋状排屑槽4排出，并沿着钻杆与井壁之间返出地面井口；

在整体全耗自补式组合钻具的钻进的过程中，麻花钻本体1从头部逐渐磨损，而焊接在麻花钻本体1内部的多组楔形的硬质耐磨合金块8开始提供耐磨功能，随着继续钻进，切削背3上依次固定的硬质耐磨合金块8依次提供耐磨功能，实现不间断的耐磨补偿，这样，可以使整个6米或13米的钻具一直消耗到末端的柄部2，再提出钻杆更换新的整体全耗自补式组合钻具。

实施例2，本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具，与实施例1不同之处是：

容刀孔6为圆筒形结构，参照附图2，硬质耐磨合金块8的主体为圆柱形结构，头部8.1为椎体结构，尾部8.2为梯形结构，主体和头部8.1插入到圆筒形结构的容刀孔中，尾部8.2的梯形结构卡在麻花钻本体的外部，使整个麻花钻本体的内腔和外壁都实现耐磨功能。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，根据排屑槽的数量，铣出螺旋状的排屑槽，再在凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组圆筒形的容刀孔，且每组容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔，每个焊接孔分别连通到各组容刀孔中；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个硬质耐磨合金块依次插入相应的容刀孔，并依次通过各个焊接孔注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内。

实施例3，本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具，与实施例1和2不同之处是：

本发明的焊接孔7可以增设有螺纹，这样，在铜水灌注完毕后，可以将辅助硬质耐磨合金杆9连接到焊接孔7内，这样，又可以在焊接孔上增加一组辅助硬质耐磨合金杆，也是插入在麻花钻本体内部，从而实现了辅助耐磨功能，使麻花钻本体更加耐磨，虽然增加了一定的成本，但是相对于减少一次提钻杆更换钻头的成本和风险，该创新更加减少了整体钻井的成本和风险。

本发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，铣出一组或一组以上凹下去的螺旋状的排屑槽，形成一组或一组以上凸起的螺旋状的切削背，再在凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组容刀孔，且每组容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔，每个焊接孔分别连通到一组容刀孔，并且在焊接孔上制出螺纹；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个硬质耐磨合金块依次插入相应的容刀孔，并依次通过各个焊接孔注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内；然后将辅助硬质耐磨合金杆9通过螺纹连接到焊接孔7内，实现硬质耐磨合金块8和辅助硬质耐磨合金杆9的组合结构，提高耐磨效果。

实施例4，本发明为整体全耗自补式四螺旋组合钻具，与实施例1-3不同之处是：

参照附图4，本发明的麻花钻本体可以铣出四条螺旋状的排屑槽4，形成四条螺旋状的切削背3，然后在每个螺旋状的切削背上铣出容刀孔，每个容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心，四个切削背上的容刀孔安装固定上硬质耐磨合金块，硬质耐磨合金块分别斜伸向麻花钻本体的中心，使麻花钻本体的头部形成硬质耐磨合金叠加层，这样，可以使麻花钻本体旋转过程中，更加平稳，耐磨效果更好。

该发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，铣出四组凹下去的螺旋状的排屑槽，形成四组凸起的螺旋状的切削背，再在每条凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组容刀孔，且每组容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔7，每个焊接孔分别连通到一组容刀孔；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个硬质耐磨合金块8依次插入相应的四条切削背上的容刀孔，硬质耐磨合金块8分别斜伸向麻花钻本体的中心，使麻花钻本体的头部形成硬质耐磨合金叠加层，这样，可以使麻花钻本体旋转过程中，更加平稳，耐磨效果更好；然后，依次通过各个焊接孔7注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内，提高耐磨效果。

实施例5，本发明为整体全耗自补式四螺旋组合钻具，与实施例4相比，其结构是：

参照附图4，本发明的麻花钻本体可以铣出四条螺旋状的排屑槽4，形成四条螺旋状的切削背3，然后在每个螺旋状的切削背上铣出容刀孔，每个容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心，四个切削背上的容刀孔安装固定上硬质耐磨合金块，硬质耐磨合金块分别斜伸向麻花钻本体的中心，使麻花钻本体的头部形成硬质耐磨合金叠加层，这样，可以使麻花钻本体旋转过程中，更加平稳，耐磨效果更好；

另外，焊接孔7可以增设有螺纹，这样，在铜水灌注完毕后，可以将辅助硬质耐磨合金杆9连接到焊接孔7内，这样，又可以在焊接孔上增加一组辅助硬质耐磨合金杆，也是插入在麻花钻本体内部，从而实现了辅助耐磨功能，使麻花钻本体更加耐磨，虽然增加了一定的成本，但是相对于减少一次提钻杆更换钻头的成本和风险，该创新更加减少了整体钻井的成本和风险。

该发明提到的一种整体全耗自补式组合钻具的制作方法，制作过程如下：

一、取6米或13米的77号圆钢，先进行退火处理，降低材料的硬度，降低到22rc硬度，再进行机械加工；

二、先在圆钢的中心加工出空心结构，再进行外形机械加工，铣出四组凹下去的螺旋状的排屑槽，形成四组凸起的螺旋状的切削背，再在每条凸起的螺旋状的切削背上依次铣出多组容刀孔，且每组容刀孔向上斜伸向麻花钻本体的中心；再从螺旋状的排屑槽钻多个焊接孔7，每个焊接孔分别连通到一组容刀孔，并且在焊接孔上制出螺纹；完成后进行淬火处理，使硬度达到60rc以上，再进行回火，使整体结构有韧性；

三、将多个硬质耐磨合金块8依次插入相应的四条切削背上的容刀孔，硬质耐磨合金块8分别斜伸向麻花钻本体的中心，使麻花钻本体的头部形成硬质耐磨合金叠加层，这样，可以使麻花钻本体旋转过程中，更加平稳，耐磨效果更好；然后，依次通过各个焊接孔7注入铜水，铜水进入容刀孔中，并进入硬质耐磨合金块与容刀孔之间的缝隙，冷却后将硬质耐磨合金块依次固定在容刀孔内；然后将辅助硬质耐磨合金杆9通过螺纹连接到焊接孔7内，实现硬质耐磨合金块8和辅助硬质耐磨合金杆9的组合结构，提高耐磨效果。

本发明的多个实施例，分别利用77号圆钢材料制作成麻花钻本体（一般77号圆钢的规格就是6米或13米，这样可以不浪费材料，全部用于制作钻具，成品率也高），在麻花钻本体上加工容刀孔，将硬质耐磨合金块插入麻花钻本体内部，并通过铜水固定，从而实现6米或13米的麻花钻周身依次插满了硬质耐磨合金块，这样在钻井的过程中，随着麻花钻本体的磨损消耗，体内的硬质耐磨合金块则实现了耐磨功能，可随钻削运动的进行，边切削，边消耗、硬质耐磨合金块依次补充，从而改变了现有的pdc钻头只能在钻头末端设有硬质耐磨合金块，当硬质耐磨合金块消耗完毕后，钻头就需要更换；本发明做到了整个麻花钻本体的6米或13米全部能作为钻头进行钻进，这样，大幅提高了钻井的效率，减少了钻井成本和风险。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。