一体式切削齿孕镶金刚石钻头的制作方法

本发明属于地质钻探和油气钻井领域，具体涉及一种一体式切削齿孕镶金刚石钻头。

背景技术：

钻头是钻探技术中必不可少的重要组成部分，钻头的寿命直接决定着钻探起下钻频次，其钻进效率和寿命共同决定钻探的台月效率和钻进周期。为此，国内外专业技术人员分别从钻头的金刚石材料、胎体材料配方、制备工艺和钻头切削齿结构等入手，开展了大量的研究，近十几年取得了较大的进步，较大幅度提高钻头的整体性能。但钻头的寿命和钻进效率仍然没有达到人们理想的要求。材料方面，孕镶金刚石钻头切削齿胎体工作层材料的主要作用是包裹单晶金刚石，承载着来自于金刚石切削岩石的各种应力，胎体工作层材料主要包括骨架粉末，浸渍合金和一些微量元素等其它材料。但是，现有钻头胎体工作层的脆性较大，其齿的高度受到了较大限制，据报道，目前世界范围内最高工作层胎体高度26mm，设置有三层水口。切削齿结构形式和底唇面形状方面，孕镶金刚石钻头的切削齿结构和底唇面形状具有多种形式，如有平底形、尖齿交错形、齿轮型、尖齿型、阶梯型、主副水路型及仿生非光滑型等，具体选择孕镶金刚石钻头齿形要根据预克服的地层情况，科学合理优选。但是，这些齿型均是在钻头底唇面设置，当该层磨损后钻头的底唇面又与普通的平底型钻头无异，齿形结构的优势便不复存在。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率、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寿命，其中增加孕镶金刚石钻头的切削齿高度是优先想到的解决措施。

瑞典研制的goldenjet孕镶金刚石钻头，该钻头切削齿高度为16mm，切削齿的宽度较宽利于其保持高强度，同时，其内开槽沟形可以有效分散泥浆，使泥浆更好的冷却和润滑钻头；加拿大研制出的culcan—26型钻头，该钻头切削齿高度高达26mm，在齿间设置有加强筋，其目的是用来强化高胎体强度，因为高的切削齿高度在孔底受到钻头径横力的振动作用下极易发生断齿事故；美国研制的ultramatrix钻头，设计了三层水口，增加了钻头切削齿的高度，该钻头能够在第一层水口磨损完后，第二层水口继续发挥作用，以此类推，在整个钻头的寿命期间一直保证钻头的冷却与排屑。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。西安煤炭科学研究院研制的双层水口钻头，切削齿高度达22mm，钻进寿命提高了近一半。吉林大学研制的自再生水口钻头，第二层、第三层水口为隐藏型水口，这些水口空间在出来之前用石墨材料占用，当第一层水口快要结束时，第二层的隐藏水口会逐渐出露并能在极短的时间内快速形成新的水口。此外，无锡地质装备公司研制了高胎体加强筋孕镶金刚石钻头，该钻头切削齿高度为16mm，该钻头的寿命提高幅度基本上常规切削齿高度钻头的2倍以上。

发明专利“一种岩石切削工具的低温胎体浸渍材料及其制备方法”(申请号201910297863.2)，公开了一种钻头无压浸渍烧结法用的低温胎体浸渍材料配方，该配方大大降低了钻头的烧结温度，能够极大地减轻高温对单晶金刚石性能的负面影响，使无压浸渍烧结法烧制高质量的超高工作层胎体孕镶金刚石钻头成为可能。

众所周知，超高工作层胎体孕镶金刚石钻头的最终目的是让钻头的寿命得到较大的提高，理想状态下在保持快速钻进基础上还能够实现一只钻头完成一个钻孔的目的。因此，当前的最大技术难题之一是超高工作层胎体孕镶金刚石钻头结构设计如何保证钻头切削齿在切削岩石时不因齿太高而折断报废，如何在钻头不断磨损过程中保证内外径的尺寸要求，如何避免钻头在钻进过程中发生偏磨现象。

技术实现要素：

为了解决上述难题，本发明的目的是提供一种一体式切削齿孕镶金刚石钻头，保证切削齿的整体强度，保证钻头内钻径尺寸和减少偏磨，以达到在钻进过程中快速、平稳和长时间钻进，进而实现一只钻头一个钻孔的目标，大大缩短钻孔周期和降低钻探成本。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一体式切削齿孕镶金刚石钻头，包括钻头钢体及钻头胎体，所述钻头胎体包括切削齿、内水道、外水道及水口，其特征在于，所述钻头胎体还包括外齿间加强筋、内齿间加强筋、外保径柱及内保径柱，所述切削齿沿钻头钢体的圆周方向均匀设置在其端部，切削齿由至少两层沿钻头径向由内向外布置的齿单元构成，齿单元的截面为弧形，且任意相邻两层齿单元之间预留有间隙，相邻齿单元之间通过齿单元加强筋连接，齿单元与齿单元加强筋之间形成弱化槽；所述外齿间加强筋设置在相邻两个切削齿之间，外齿间加强筋的厚度与切削齿中位于最外层的齿单元厚度相同，外齿间加强筋与两个邻近的位于最外层的齿单元连接，沿着钻头的竖向至少设置有一层外齿间加强筋，外齿间加强筋与最外层的齿单元形成了外水眼；所述内齿间加强筋设置在相邻两个切削齿之间，内齿间加强筋的厚度与切削齿中位于最内层的齿单元厚度一致，内齿间加强筋与两个邻近的位于最内层的齿单元连接，沿着钻头的竖向至少设置有两层内齿间加强筋，内齿间加强筋与最内层的齿单元形成了内水眼，内水眼、外水眼、内水道、外水道及水口之间相互连通；所述外保径柱设置在切削齿的外侧壁上，沿着钻头的竖向外保径柱至少设置三层，位于最下层的外保径柱与外水道等高度，且位于最下层的外保径柱的上表面与外水道的上表面齐平，其余层外保径柱分别和其处在同一圆周上的外齿间加强筋高度一致，每层外保径柱的上表面与其对应高度的外齿间加强筋上表面齐平；所述内保径柱设置在切削齿的内侧壁上，内保径柱的层数与外保径柱的层数一致且一一对应，同时处在同一层上的内保径柱和外保径柱位置一一对应。

进一步，所述内齿间加强筋的数量大于等于外齿间加强筋的数量。

进一步，所述每个切削齿中用于连接齿单元的齿单元加强筋沿着钻头径向至少设置两道。

进一步，所述任意相邻两个切削齿之间均设置有外齿间加强筋和内齿间加强筋，或者相邻两个切削齿之间设置有外齿间加强筋或内齿间加强筋，且外齿间加强筋和内齿间加强筋间隔交错布置。

进一步，所述切削齿由沿钻头径向由内至外依次布置的内齿单元、中间齿单元及外齿单元构成，中间齿单元的数量至少一层，内齿单元和外齿单元等厚，内齿单元和外齿单元的厚度大于中间齿单元的厚度。

进一步，所述齿单元和齿单元加强筋的高度均与钻头胎体的高度一致，弱化槽的深度与钻头胎体的高度相同。

进一步，所述内齿间加强筋和外齿间加强筋高度为3mm～20mm，内齿间加强筋的厚度与切削齿中位于最内层的齿单元厚度一致，厚度为3mm～15mm，外齿间加强筋的厚度与切削齿中位于最外层的齿单元厚度一致，厚度为3mm～15mm。

进一步，沿钻头胎体竖向从上到下外保径柱及内保径柱的每层数量依次递增。

进一步，所述切削齿的高度为8mm～100mm。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：增加齿单元数量，有效增加钻头在坚硬岩层中的刻取岩石的应力集中点的个数，提高钻头的钻进效率，在坚硬岩层钻进中不容易打滑；增加胎体高度，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；通过钻头内外径交替加强结构，齿单元加强筋结构我们也可以称为桥结构使钻头每个齿单元以及每个切削齿与钻头钢体形成一个整体，增加切削齿的抗剪强度，避免断齿情况发生。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明实施例中三层齿间内外齿交替加强筋一体式切削齿孕镶金刚石钻头的三维结构示意图。

图2是本发明实施例中三层齿间内外齿强化加强筋一体式切削齿孕镶金刚石钻头的三维结构示意图。

图3是本发明实施例中第一层内齿间加强筋磨损后的齿间内外齿交替加强筋一体式切削齿孕镶金刚石钻头三维结构示意图。

图4是本发明实施例中第二层内齿间加强筋和第一层外齿间加强筋磨损后的齿间内外齿交替加强筋一体式切削齿孕镶金刚石钻头三维结构示意图。

图5是本发明实施例中三层齿间加强筋一体式切削齿孕镶金刚石钻头模具组装的三维结构示意图。

图中各标记如下：1-钻头钢体，2-外水道，3-第二层外水眼，4-第一层外水眼，5-主底水口，6-内齿单元，7-中间齿单元，8-外齿单元，9-弱化槽，10-齿单元加强筋，11-第一层内齿间加强筋，12-第二层内齿间加强筋，13-第三层内齿间加强筋，14-第一层内保径柱，15-第二层内保径柱，16-第三层内保径柱，17-内水道，18-辅助底水口，19-第一层外齿间加强筋，20-第二层外齿间加强筋，21-第一层外保径柱，22-第二层外保径柱，23-第三层外保径柱，24-钻头底模具，25-水口水道替块，26-内保径聚晶金刚石，27-弱化槽石墨片，28-外保径聚晶金刚石，29-钻头心模。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1至图5所示，本发明所提供的一体式切削齿孕镶金刚石钻头与传统钻头具有相同的骨架，其包括钻头刚体1及钻头胎体。本发明主要是通过改变钻头胎体的结构来达到在钻进中提高钻进效率，钻进坚硬地层不打滑，提高钻头寿命的目的，本发明所述钻头胎体包括切削齿、内水道17、外水道2、水口、外齿间加强筋、内齿间加强筋、外保径柱及内保径柱，所述切削齿沿钻头钢体1的圆周方向均匀设置在其端部，切削齿由至少两层沿钻头径向由内向外布置的齿单元构成，齿单元数量和厚度与钻头的尺寸和岩石性质有密切关系，齿单元的截面为弧形，且任意相邻两层齿单元之间预留有间隙，相邻齿单元之间通过齿单元加强筋10连接，齿单元与齿单元加强筋10之间形成弱化槽9；所述外齿间加强筋设置在相邻两个切削齿之间，外齿间加强筋的厚度与切削齿中位于最外层的齿单元厚度相同，外齿间加强筋与两个邻近的位于最外层的齿单元连接，沿着钻头的竖向至少设置有一层外齿间加强筋，外齿间加强筋与最外层的齿单元形成了外水眼；所述内齿间加强筋设置在相邻两个切削齿之间，内齿间加强筋的厚度与切削齿中位于最内层的齿单元厚度一致，内齿间加强筋与两个邻近的位于最内层的齿单元连接，沿着钻头的竖向至少设置有两层内齿间加强筋，内齿间加强筋与最内层的齿单元形成了内水眼，内水眼、外水眼、内水道17、外水道2及水口之间相互连通，无论是正循环还是反循环，钻井液能够顺利通过；所述外保径柱设置在切削齿的外侧壁上，沿着钻头的竖向外保径柱至少设置三层，位于最下层的外保径柱与外水道2等高度，且位于最下层的外保径柱的上表面与外水道2的上表面齐平，其余层外保径柱分别和其处在同一圆周上的外齿间加强筋高度一致，每层外保径柱的上表面与其对应高度的外齿间加强筋上表面；所述内保径柱设置在切削齿的内侧壁上，内保径柱的层数与外保径柱的层数一致且一一对应，同时处在同一层上的内保径柱和外保径柱位置一一对应。

所述切削齿的高度可以是根据需要的任何尺寸，例如：其高度为8mm～100mm。

一体式切削齿孕镶金刚石钻头，其钻进磨损过程有三个阶段：

第一阶段，从新钻头钻进到第一层内外保径柱从底唇面露出，该阶段钻头底唇面单晶金刚石出刃好，切削岩石效率高；

第二阶段，从第一层内、外保径柱从底唇面露出到第一层内外保径柱从底唇面磨损消失，该阶段钻头的底唇面有部分聚晶金刚石保径柱占用了一部分钻压，钻头切削效率较第一阶段有所下降，但理论上下降不多；

第三阶段，从第一层内外保径柱在底唇面磨损消失到第二层内外保径柱从底唇面露出，该阶段与第一阶段相似，钻头底唇面单晶金刚石出刃好，切削岩石效率高，但底唇面将出现偏磨的可能性；

如此第二、第三阶段交替出现，直到钻头工作层全部磨损完为止。

工作原理：

本发明只是改变钻头工作层结构来实现超高工作层一体化，保证切削齿的整体强度，保证钻头内保径尺寸和减少偏磨，以达到在钻进过程中快速、平稳和长时间钻进，实现一只钻头一个钻孔的目标，大大缩短钻孔周期和降低钻探成本的目的。经过试验验证得出规律：钻头的齿单元齿厚在5mm以内相较于普通常规钻头能够提高钻进效率且钻进坚硬地层不打滑，一个切削齿分为两个、三个、四个齿单元时此规律仍然成立。在这一规律下改变钻头结构，将钻头的切削齿变成数个环齿以提高钻进效率，使其在钻进坚硬地层不打滑。再通过交替内外加强使钻头的整个工作层变成一个整体，任意高度的切削齿均未出现崩齿断齿现象。

一种制备所述一体式切削齿孕镶金刚石钻头的方法，该方法采用的模具包括钻头底模具24、水口水道替块25、内保径聚晶金刚石26、弱化槽石墨片27、外保径聚晶金刚石28及钻头心模29，钻头底模具24与钻头心模29同心胶粘固定，在钻头底模具24和钻头心模29间的环状空间放入水口水道替块25，并均布；所述的内保径聚晶金刚石26用胶粘于钻头心模29外壁的设定位置上，外保径聚晶金刚石28用胶粘于钻头底模具24内壁的设定位置上；所述弱化槽石墨片27用胶粘于钻头底模具24与钻头心模29间的环状空间的底面设定位置上，具体所述方法包括如下步骤：

第一步，混料：称取各胎体粉料和单晶金刚石颗粒放置在预先准备好的容器中，倒入异戊醇液体搅拌混合，使单晶金刚石颗粒、胎体粉料和异戊醇液体形成一种粘稠的固液两相流态混合物；

第二步，装料：将混合好的流态混合料均匀倒入钻头底模具24、弱化槽石墨片27和钻头心模29间的空隙中，并填满该空隙充实无气泡；在最上层加入3mm～10mm的无单晶金刚石的过度层，过度层料需要干混；

第三步，放钻头钢体1：将钻头钢体1对中放到装好过度层料上，在钻头钢体1的内、外侧倒入适量过度层料，使钻头钢体1进入过度层料内深度3mm～8mm；

第四步，烘干：在钻头钢体1与钻头底模具24间放入适量低温浸渍金属，并放在干燥炉中132℃～150℃环境中挥发干净；

所述低温浸渍金属由以下质量百分数的各组分组成：铜合金65％～97％、锡sn粉0.9％～2.8％及镓ga0.3％～1％，且以上各组分质量百分比之和为100％，铜合金包含如下质量百分数的各组分：镍ni16％、锰mn25％、锌zn10％、硅si0.2及余量为铜cu；详见申请号201910297863.2；

第五步，无压法烧结：烧结温度930℃，以240℃/min的升温速度持续升温，到达930℃后保持30min～100min，待低温浸渍金属从钻头心模29与钻头钢体1间渗出，然后以60℃/min的速度缓慢冷却至550℃，最后自然冷却至室温。

实施例1

一体式切削齿孕镶金刚石钻头，如图1、图3及图4所示，其包括钻头钢体1及钻头胎体，所述钻头胎体包括切削齿、内水道17、外水道2、主底水口5、辅助底水口18、第三层外水眼3、第二层外水眼4、主底水口5、内齿单元6、中间齿单元7、外齿单元8、弱化槽9、齿单元加强筋10、第一层内齿间加强筋11、第二层内齿间加强筋12、第三层内齿间加强筋13、第一层内保径柱14、第二层内保径柱15、第三层内保径柱16、内水道17、辅助底水口18、第一层外齿间加强筋19、第二层外齿间加强筋20、第一层外保径柱21、第二层外保径柱22及第三层外保径柱23，所述主底水口5和辅助底水口18在钻头底唇面间隔交替设置；所述切削齿由沿钻头径向由内至外依次布置的内齿单元6、中间齿单元7及外齿单元8构成，中间齿单元7的数量至少一层，内齿单元6、中间齿单元7及外齿单元8的截面为弧形，且任意相邻齿单元之间预留有间隙，各个齿单元之间通过齿单元加强筋10连接起来，齿单元与齿单元加强筋之间形成弱化槽9，既能使各齿单元形成一个整体，进一步加强了齿单元的强度，又能保证每个切削齿的高效碎岩；齿单元加强筋10作为齿单元连接桥，不仅能够将内齿单元6、中间齿单元7及外齿单元8连接成为一个整体，增加齿单元的强度，还可以将外齿单元8、中间齿单元7及内齿单元6钻进时产生的凸起岩脊以体积破碎的形式进行碎岩；在外齿单元8、中间齿单元7、内齿单元6与齿单元加强筋10之间形成了弱化槽9，使得在钻进过程中始终保持本发明的工作层结构，保持钻进效率；内齿单元6、中间齿单元7及外齿单元8的厚度根据钻头的尺寸和单个切削齿尺寸确定，一般情况下，内齿单元6和外齿单元8的厚度大于中间齿单元7的厚度1mm～5mm，为3mm～15mm；所述的齿单元加强筋10的厚度根据钻头的尺寸和单个切削齿尺寸确定，一般为1mm～10mm。切削齿易在钻进过程中断裂，本发明采用了外齿间加强筋和内齿间加强筋连接每一个切削齿，使每个切削齿与钻头连接成一个整体，增加其抗剪强度，本实施例相邻两个切削齿之间设置有外齿间加强筋或内齿间加强筋，且外齿间加强筋和内齿间加强筋间隔交错布置，沿钻头竖向从上至下设置有三层内齿间加强筋，依次是第一层内齿间加强筋11、第二层内齿间加强筋12及第三层内齿间加强筋13，第一层内齿间加强筋11、第二层内齿间加强筋12以及两侧的内齿单元6形成第一层内水眼，第二层内齿间加强筋12、第三层内齿间加强筋13以及两侧的内齿单元6形成第二层内水眼；沿钻头竖向从上至下设置有两层外齿间加强筋，分别为第一层外齿间加强筋19、第二层外齿间加强筋20，第一层外齿间加强筋19、第二层外齿间加强筋20以及两侧的外齿单元8两层外水眼，分别为第二层外水眼3、第一层外水眼4，所述内齿单元6、中间齿单元7、外齿单元8及齿单元加强筋10的高度均与钻头胎体的高度等高，弱化槽9的深度与钻头胎体的高度相同，使钻头在整个生命期间始终有内齿单元6、中间齿单元7、外齿单元8、弱化槽9及齿单元加强筋10的存在，故能始终保持高效碎岩状态。所述的内齿间加强筋及外齿间加强筋的高度和厚度根据钻头的尺寸、单个切削齿和齿单元尺寸确定，内齿间加强筋及外齿间加强筋高度为3mm～20mm，内齿间加强筋厚度和外齿间加强筋的厚度分别与内齿单元6和外齿单元8厚度相等，一般为3mm～15mm；所述外保径柱设置在切削齿的外侧壁上，沿着钻头的竖向外保径柱设置三层，从上至下依次是第一层外保径柱21、第二层外保径柱22及第三层外保径柱23，第一层外保径柱21与第一层外齿间加强筋19高度一致，且第一层外保径柱21的上表面与第一层外齿间加强筋19的上表面齐平，第二层外保径柱22与第二层外齿间加强筋20高度一致，且第二层外保径柱22的上表面与第二层外齿间加强筋20的上表面齐平，第三层外保径柱23与外水道2等高度，且位于第三层外保径柱23的上表面与外水道2的上表面齐平，且第三层外保径柱23的数量大于第二层外保径柱22的数量，第二层外保径柱22的数量大于第一层外保径柱21的数量；所述内保径柱设置在切削齿的内侧壁上，沿着钻头的竖向内保径柱设置三层，从上至下依次是第一层内保径柱14、第二层内保径柱15及第三层内保径柱16，第一层内保径柱14与第一层外保径柱21处在同一圆周上，且第一层内保径柱14和第一层外保径柱21位置对应；第二层内保径柱15与第二层外保径柱22处在同一圆周上，且第二层内保径柱15与第二层外保径柱22位置对应；第三层内保径柱16与第三层外保径柱23处在同一圆周上，且第三层内保径柱16与第三层外保径柱23位置对应；第三层内保径柱16的数量大于第二层内保径柱15的数量，第二层内保径柱15的数量大于第一层内保径柱14的数量。

实施例2

参照图2、图3及图4所示，钻头整体工作情况与上述实施例1大致相同，区别之处在于本实施例中一体式切削齿孕镶金刚石钻头的每个切削齿之间均有内外加强满布，即任意相邻两个切削齿之间均设置有外齿间加强筋和内齿间加强筋。

本发明利用钻头结构达到在钻进过程中钻进平稳，提高钻进效率，保证钻头的内外直径的保原性，增加钻头的使用寿命，尤其在钻进坚硬地层时，不易发生打滑现象，适用于坚硬地层钻进。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。