一种水力驱动旋转切削式金刚石复合片及钻头的制作方法

1.本实用新型属于石油天然气钻探领域，涉及一种用于岩石钻进的金刚石复合片及钻头，尤其涉及一种水力驱动旋转切削式金刚石复合片及钻头。


背景技术：

2.近年来，石油开采技术突飞猛进，各油田对钻进速度、开采周期的要求越来越高，而作为石油钻进的必备工具pdc钻头应用也越来越广。传统pdc钻头的pdc复合片是固定钎焊在钻头刀翼上，随着钻头工作时间的上升，切削齿磨损会逐渐加大，钻进机械钻速也随之降低，直至机械钻速过慢而起钻。由于pdc复合片固定钎焊在钻头刀翼上，在使用正常情况下，直至达到钻头使用寿命时，切削齿的利用率也仅仅为其出刃部分(即露出刀翼本体部分)。其安装埋入刀翼本体部分的pdc复合片(一般占整个pdc复合片的50％左右)由于没有参与切削地层，直到钻头使用寿命完也基本保持完好，从而导致钻头的使用寿命较短，单只钻头的进尺能力不足，钻头钻进速度会逐渐降低，延长了钻井周期，提高了钻井成本。
3.中国专利“一种旋转齿钻头”(cn 103556952 a)公布了一种旋转齿钻头，以及中国专利“一种旋转切削模块以及具有这种模块的金刚石钻头”(cn109306851a)也公布了一种旋转切削模块以及具有这种模块的金刚石钻头，其基本思路均为在每个刀翼的刀面上通过旋转装置至少设有一个能够绕自身中轴线旋转的切削齿，旋转切削齿的固定也是通过螺钉、压板、圆柱滚子、球形滚子等元件来实现切削齿的固定、旋转功能，能显著提高切削齿利用率。以上两个专利所述的切削元件的旋转都是通过地层的摩擦力从而带动切削元件旋转的，但在井底工作时由于钻井液中自带的、地层切削后形成的沙粒容易进入旋转切削模块机械部件的间隙中，导致旋转结构卡死无法旋转。同时该功能通过地层摩擦力实现，需要切削元件接触地层才能旋转，但由于地层的凹凸不平，可能因其摩擦力不足无法带动切削齿不能旋转。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足之处，本实用新型提供一种水力驱动旋转切削式金刚石复合片及钻头，解决了现有常规钻头中pdc复合片利用率不高的问题。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
6.一种水力驱动旋转切削式金刚石复合片，其特征在于：包括外壳、pdc复合片、旋转驱动头、驱动喷嘴，所述外壳具有沿轴线的通孔，所述旋转驱动头后部旋转设置于所述外壳的通孔内，所述旋转驱动头前端与所述pdc复合片固定连接，所述驱动喷嘴设置于所述旋转驱动头的后端，且所述驱动喷嘴位于所述外壳的通孔内，所述旋转驱动头的后部具有螺旋叶片，所述驱动喷嘴上具有指向所述螺旋叶片的导流孔，所述驱动喷嘴的后部还具有连通所述导流孔的引流孔，所述旋转驱动头的前部具有出水孔，所述pdc复合片上具有贯通的流出水眼，所述流出水眼与所述出水孔一一对应。
7.进一步地，所述外壳的通孔内壁前部具有环形的第一钢珠安装槽，所述旋转驱动
头上具有与所述第一钢珠安装槽相对的第二钢珠安装槽，在所述第一钢珠安装槽与第二钢珠安装槽之间设置有多个固定钢珠。
8.进一步地，所述旋转驱动头后端具有轴颈，所述驱动喷嘴中心具有与该轴颈配合的固定孔，所述旋转驱动头轴颈末端还设置有卡簧槽，并通过卡簧进行轴端限位。
9.进一步地，所述驱动喷嘴外周具有外螺纹，所述外壳的通孔具有与该外螺纹配合的内螺纹段。
10.进一步地，所述pdc复合片包括重合叠置的金刚石层和硬质合金层，所述硬质合金层的端面为硬质合金焊接面。
11.本实用新型还旨在提供一种水力驱动旋转切削式钻头，包括上述的水力驱动旋转切削式金刚石复合片，其特征在于：包括钻头本体，所述钻头本体上具有多个中心对称布置的刀翼，每个所述刀翼上的具有至少一个齿削孔，每个所述齿削孔内焊接设置一个所述水力驱动旋转切削式金刚石复合片，所述钻头本体内具有钻头水眼，每个所述刀翼上具有连通所述钻头水眼内部的驱动水眼，所述驱动水眼连通至所述驱动喷嘴的引流孔。
12.进一步地，所述驱动水眼的入口具有锥形导流口，所述驱动水眼的出口为喇叭形导流口，所述驱动水眼的流道截面积由大变小，再变大。
13.本实用新型的有益效果包括：通过水力驱动金刚石复合片旋转，使切削齿整个金刚石层都能参与地层切削，有效提高切削齿利用率，提高机械钻速和单只钻头进尺，缩短钻井周期，节约钻井成本。
附图说明
14.图1是本实用新型的结构示意图；
15.图2是本实用新型中pdc复合片的结构示意图；
16.图3是本实用新型中外壳的结构示意图；
17.图4是本实用新型中旋转驱动头的结构示意图；
18.图5是本实用新型中旋转驱动头的立体结构示意图；
19.图6是本实用新型中驱动喷嘴的结构示意图；
20.图7是本实用新型中驱动喷嘴的剖视结构图；
21.图8是本实用新型中钻头的结构示意图；
22.图9是图8中a的局部放大图；
23.图10是本实用新型中钻头的内部结构图；
24.图11是图10中b的局部放大图。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本实用新型。
26.如图1-11所示的一种水力驱动旋转切削式钻头，包括钻头本体1，钻头本体1上具有多个中心对称布置的刀翼11，每个刀翼11上的具有一个或多个沿刀翼11分布的齿削孔13，多个齿削孔13内至少焊接设置一个水力驱动旋转切削式金刚石复合片2。
27.在钻头本体1内具有钻头水眼12，每个刀翼11上具有连通钻头水眼12内部的驱动水眼14，驱动水眼14连通至水力驱动旋转切削式金刚石复合片2的水入口。驱动水眼14的入
口具有锥形导流口141，驱动水眼14的出口为喇叭形导流口142，驱动水眼14的流道截面积由大变小，再变大，形成水力激励效应，有效的增加了出口流速，保证在截取钻头水眼12很小流量，在不影响钻头正常循环钻进的情况下能驱动水力驱动旋转切削式金刚石复合片正常旋转。
28.如图1所示，水力驱动旋转切削式金刚石复合片，包括外壳24、pdc复合片22、旋转驱动头25、驱动喷嘴26，外壳24具有沿轴线的通孔，旋转驱动头25后部旋转设置于外壳24的通孔内，旋转驱动头25前端与pdc复合片固定连接，驱动喷嘴26设置于旋转驱动头25的后端，且驱动喷嘴26位于外壳24的通孔内，旋转驱动头25的后部具有螺旋叶片253，驱动喷嘴26上具有指向螺旋叶片253的导流孔261，驱动喷嘴26的后部还具有连通导流孔261的引流孔263，该引流孔263与驱动水眼14的喇叭形导流口142连接，旋转驱动头25的前部具有连通螺旋叶片253所在腔室内的出水孔257，pdc复合片22上具有贯通的流出水眼224，流出水眼224与出水孔257一一对应。
29.如图3所示，外壳24的通孔内壁前部具有环形的第一钢珠安装槽242，旋转驱动头25上具有与第一钢珠安装槽242相对的第二钢珠安装槽252，在第一钢珠安装槽242与第二钢珠安装槽252之间设置有多个固定钢珠21，从而保证旋转驱动头25能再外壳24内自由转动。外壳24上具有对应第一钢珠安装槽242的堵头安装孔241，用以将固定钢珠21装入。
30.如图4-5，旋转驱动头25后端具有固定轴256，驱动喷嘴26中心具有与该轴颈配合的固定孔264，旋转驱动头25轴颈末端还设置有卡簧槽254，并通过卡簧27进行轴端限位。
31.如图6-7驱动喷嘴26外周具有外螺纹，外壳24的通孔具有与该外螺纹配合的内螺纹段。
32.如图2所示，pdc复合片22包括重合叠置的金刚石层221和硬质合金层222，硬质合金层222的端面为硬质合金焊接面223。
33.本实用新型的水力驱动旋转切削式金刚石复合片2的安装使用方法是：
34.第一步：将旋转驱动头25、pdc复合片22通过焊接的方式固定在一起，具体而言是将旋转驱动头25的焊接面251与pdc复合片22的硬质合金焊接面223贴合，然后采用银钎焊的方法焊接在一起，然后通过机加工的方式将旋转驱动头25、pdc复合片22外圆加工到相同大小，以保证后期顺利装入外壳24内。
35.第二步：将驱动喷嘴26通过工具插入旋紧孔262，旋入外壳2后端的螺纹内。
36.第三步：将焊接有pdc复合片22的旋转驱动头25装入外壳22内，使得旋转驱动头25的固定轴256插入驱动喷嘴26的固定孔264内；然后通过外壳24的堵头安装孔241装入一定数量一定直径的钢珠(此处钢珠直径、数量与钻头的规格型号有关)，再装入堵头23，堵头23与外壳24的堵头安装孔241通过螺纹连接；安装完成利用旋转旋转驱动头25的固定轴256手动旋转旋转驱动头25，观察旋转驱动头是否顺利旋转，然后在旋转驱动头25的卡簧槽254内装入固定卡簧27。
37.第四步：安装为一体的水力驱动旋转切削式金刚石复合片2按照前述的方法将水力驱动旋转切削式金刚石复合片2放置于钻头1每个刀翼12上所设置的齿削孔13内，然后通过银钎焊的方式将水力驱动旋转切削式金刚石复合片2焊接在钻头1的齿削孔13内。
38.本实用新型专利的实现原理是：当水力驱动旋转切削式金刚石复合片2安装并焊接在钻头1上后，采用正常的石油钻井工艺进行钻进，在钻进过程中钻井液进入钻头水眼
12，分流出微小的一部分流入到驱动水眼14内，然后进入到水力驱动旋转切削式金刚石复合片2内，钻井液通过驱动喷嘴26的漏斗形导流面263进入各个导流孔261，冲击到旋转驱动头25的螺旋叶片253上，迫使旋转驱动头25旋转，旋转驱动头25上还具有引流面255进一步引导水流冲击叶片，从而带动焊接在旋转驱动头25后端的pdc复合片22旋转，整个金刚石层221围绕自身中轴线旋转都参与到地层切削中，在旋转运动同时水流从外壳24与pdc复合片22之间的间隙流出，提高金刚石层的利用率，提升机械钻速，提高单只钻头的进尺，冲击螺旋叶片后的水流从出水孔257和流出水眼224排出。
39.本实用新型的优点：
40.1、采用水力驱动，动力大，避免了常规旋转齿因为岩屑等杂质导致旋转齿卡死无法旋转的现场。
41.2、水力驱动旋转切削式金刚石复合片及钻头所设计的驱动水眼与钻头水眼，流道面积由大变小，再变大，形成水力激励效应，有效的增加了出口流速，保证在截取钻头水眼很小流量(不影响钻头正常循环钻进)的情况下能驱动水力驱动旋转切削式金刚石复合片正常旋转。
42.3、水力驱动旋转切削式金刚石复合片的旋转驱动头25的螺旋叶片253表面喷涂了硬质合金，提高了旋转驱动头的抗冲蚀性能，延长了工作寿命。
43.4、本实用新型所述的水力驱动旋转切削式金刚石复合片，体积小，结构紧凑与常规的pdc复合片外协尺寸一样，可自由替代常规pdc复合片，因此不需要更改pdc钻头的设计。
44.以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。