一種鋼體式圓片刮刀鑽頭的製作方法

2023-11-10 12:11:27

專利名稱：一種鋼體式圓片刮刀鑽頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鋼體式圓片刮刀鑽頭，特別是一種帶偏心孔和開口槽的鋼質齒柱電焊在鑽頭工作面上的金剛石組合片刮刀鑽頭，主要用於石油及地質勘探鑽井在極軟至中硬地層鑽進，可提高鑽頭工作指標及降低鑽井成本。
一種鋼體式圓片刮刀鑽頭是由鑽頭的上體、下體、噴嘴套、密封圈、噴嘴、保徑齒、切削齒及鑽頭齒柱等零件組成。本實用新型主要改進鑽頭的鋼質齒柱和大直徑切削齒結構、材料及其製造工藝，因此對這兩個方面的專利和文獻進行查閱，有關鋼質齒柱方面的專利文獻，只發現一項1989年11月15日授權的中國專利87102485.3；有關大直徑切削齒技術方面查到一項專利和兩份資料，即中國專利9220947.6和中美合資公司川石·克裡斯坦森金剛石鑽頭公司的《金剛石鑽頭產品目錄》(1990～1992)中的第5頁都介紹了馬賽克鑽頭和馬賽克切削齒，第二份資料是美國依斯特曼·克裡斯坦森公司1988年9月英文版《金剛石鑽頭技術的改進》(實際上是產品目錄)的第16頁介紹了該公司使用的1″，1-1/2″，2″等大直徑PDC齒及製造的大直徑PDC齒金剛石鑽頭，國內沒這些尺寸的PDC齒，因此也做不了這種鑽頭，經查閱未查到與本實用新型完全相同的專利和文獻。
關於鋼質鑽頭齒柱技術產生的背景和現狀。國外製造使用PDC鑽頭始於1985年前後，從那時起國內一些單位開始研製PDC齒及試製鑽頭，由於沒有國外胎體式的PDC鑽頭的製造設備與技術，國內一些單位仿製國外的一種立式硬質合金齒柱，並把溥片PDC齒釺焊在立式齒柱的斜面上，然後把這種齒柱固定在鑽頭體工作面齒孔內，缺點是立式齒柱鑽頭，需在鑽頭工作面上鑽許多方向位置不同的孔，固齒工藝技術困難。還有一種臥式齒柱，是胎體鑽頭工藝用專用設備加工複雜的石墨模具和成份複雜的超硬材料粉料，把鑽頭下體放在石墨模具中填充粉料，用燒結爐燒結，在鑽頭表面燒結一層較厚的硬質合金層和帶半圓柱面槽及園形端面平面的臥式齒柱，把PDC齒釺焊在槽內半園柱面及槽端面的園面積上。當時在分析對比上述兩種齒柱及其鑽頭的製造工藝的優缺點之後，提出一種新的PDC鑽頭製造方法就是電焊鋼質齒柱，用鋼車一個園柱，在上部的端面處銑一個開口槽，開口槽底平面直徑等於PDC齒直徑，在齒柱下部銑一個15°斜面，把這種臥式齒柱放在鑽頭下體工作面的齒位上，採用電焊焊牢，對齒柱的外形、電焊層和鑽頭下體工作面進行表面強化後把PDC齒釺焊在齒柱開口槽底平面和開口槽半園柱面上，PDC齒以15°負前角切削地層。在試製PDC取芯鑽頭時獲得成功，1987年3月28日提出《聚晶金剛石複合齒鑽頭的製造方法》這項發明專利申請，於1989年11月15日被中國專利局授予發明專利權，實施這項專利主要製造PDC取芯鑽頭，鑽頭的平均累計進尺85.14m，平均機械鑽速2.11m/h，這個指標高於國內其它廠家同類鑽頭指標，但低於引進國外技術的胎體PDC取芯鑽頭平均指標，由於價格相當後者的1/5-1/8，所以因降低了取芯鑽井成本還是受用戶的歡迎。鋼體PDC取芯鑽頭創造了最高累計進尺420.1m，的全國最高記錄，而川·克公司的同類鑽頭最高累計尺為248.37m，由於取芯鑽進時泥漿排量及流速都比較低，對鋼質齒柱衝蝕並不嚴重。但是在試製全面鑽進鑽頭時因高速泥漿嚴重衝蝕鑽頭齒柱而造成鑽頭早期失效，後來江漢鑽頭廠引進美國休斯工具公司胎體式金剛石鑽頭生產線，就沒必要再改進鋼體式全面鑽進鑽頭。九十年代初又引進了美國體斯·克裡斯坦森公司胎體式PDC取芯鑽頭設計與製造技術。江漢鑽頭廠於1995年3月12日召開專利工作會議認為「經過現場試驗，鑽頭存在著表面強化不過關等問題，該專利不繼續保護」，決定自動放棄專利權。這項專利齒柱強化不過關主要是與PDC齒釺焊平面處的齒柱表強化困難、易受高速泥漿射流衝出溝槽，我做為原專利的發明人決心改進鋼質齒柱結構、材料和表面強化工藝，製造全面鑽進PDC鑽頭。
關於金剛石組合片技術產生的背景及現狀。現在鑽井大量使用的PDC鑽頭都採用標準PDC齒，立式齒柱採用φ13.2×3.2mm齒柱，胎體臥式齒柱採用φ13.2×8mm齒柱，在製造直徑311mm以上鑽頭時就顯得齒柱直徑小了，在極軟和軟地層鑽進也因此降低了機械鑽速，要求採用大直徑切削齒，製造大直徑PDC齒鑽頭，國內在設備和工藝技術上都達不到，國外的大直徑PDC齒，價格很高。九十年代初人們利用價格低的三角形熱穩定聚晶金剛石片組合成較大的近似園的大片，稱馬賽克切削齒，馬賽克鑽頭在極軟至中硬地層都取得較好的效果，提高了鑽頭工作指標，降低了鑽井成本，受到用戶歡迎。馬賽克切削齒可根據需要決定它的直徑，前面引證的專利和資料提到的這種切削齒，馬賽克切削齒在結構、材料及胎體的燒結工藝基本相似。存在缺點是採用胎體工藝成本高，售價更高，二是在園片上布滿了三角聚晶片是沒有必要的，因為便用鑽頭時隨著鑽頭進尺的增加切削齒也在不斷磨損，鑽頭齒柱的承壓面積不斷增大，在鑽壓基本一定的條件下，鑽頭的機械鑽速降低，鑽井成本增加，鑽井工作者就起鑽換新鑽頭，因些整個大園片上布滿三角聚晶片是不經濟的。
本實用新型的目的就是對上述現有技術存在的缺點進行兩個方面的改進；一是改進鋼質鑽頭齒柱結構、，材料及表面強化工藝，提高鑽頭齒柱抗高速泥漿射流的衝蝕能力；二是設計兩種大直徑園片切削齒柱的結構、材料及焊齒工藝。代替國內外的馬賽克切削齒和大直徑PDC切削齒，在上述兩方面改進基礎上製造全面鑽進鑽頭，使鋼體式圓片刮刀鑽頭的工作指標達到胎體式鑽頭的技術水平，降低鑽井成本。
本實用新型的技術方案和內容是在鋼質鑽頭齒柱和大直徑圓片切削齒兩方面進行改進，具體內容是1、改進鋼質鑽頭齒柱的結構，材料和表面強化工藝。設計一種帶偏心孔和開口槽的鋼質鑽頭齒柱。孔在上部最小壁厚為1mm，在孔的進口銑一個開口槽，槽寬等於孔徑，槽長等於原孔深的一半，在鑽頭齒柱的下部銑一個斜面，把這種臥式齒柱電焊在鑽頭體工作面的齒位上，對鋼質齒柱的外表面、電焊層和鑽頭體工作面進行表面強化，表面強化工藝採用加熱重熔Ni-Wc塗層合金化工藝。鑽頭齒柱採用經過加熱有自硬化能力的中碳合金鋼。把PDC齒柱釺焊在鑽頭齒柱偏心孔內及開口槽內孔壁上，泥漿就衝蝕不到切削齒柱的主釺焊面，提高了焊齒強度和抗高速泥漿衝蝕能力，克服了原專利鋼質鑽頭齒柱存在的缺點。
2、改進大直徑園片切削齒的結構、材料和焊齒工藝。採用兩種切削齒，一是大直徑園柱聚晶齒組合片切削齒，採用圓柱聚晶金剛石齒焊在硬質合金基片的半個面上幾個長方形槽內，槽寬槽深大於聚晶齒直徑、每個槽內放2-3顆聚晶。採用重熔Ni-Wc塗層合金化工藝把聚晶齒放在槽內，塗層中間烘乾但不加熱，先用銅焊工藝把這種帶聚晶齒的基片焊在鑽頭齒柱偏心孔及開口槽內孔壁上，同時加熱塗層使其合金化把聚晶齒焊牢。硬質合金基片直徑φ30mm，厚10mm，園柱聚晶齒φ4×5×120°。第二種大直徑PDC齒組合片切削齒採用標準的φ13.2×3.2mm的PDC齒，一個大園片齒柱上有一個完整的PDC齒，和兩個切去120°扇形缺口的PDC齒，在φ30mm的硬質合金基片的半個面積上有深4mm的兩個R6.7mm的雙園弧形槽，焊齒工藝是首先在槽的平面上塗一層防止銅焊的塗料，把基片銅焊在鑽頭齒柱偏心孔和開口槽孔壁上，用噴砂清除塗料，清洗乾淨後採用銀焊料把PDC齒釺焊在基片槽內，完整的PDC齒焊在中間，帶120°扇形缺口的PDC齒兩邊各焊一片，以上就是本適用新型改進的兩種大直徑圓片切削齒結構、材料及焊齒工藝，它與現有技術不同，用園聚晶齒組合片切削齒取代三角聚晶馬賽克切削齒，用PDC焊組合切削齒代替國外的大直徑PDC齒。
本實用新型與現有技術相比有以下優點1、提高了鋼質齒柱強度。採用臥式鋼質齒柱電焊在鑽頭體上並表面強化，具有鋼的強度和硬質合金的表面硬度，有較高的抗剪切強度，而立式硬質合金齒柱及胎體式硬合金臥式齒柱存在脆性，抗剪切強度低等缺點；2、提高了焊切削齒的可靠性。採用帶偏心孔和開口槽的新齒柱，把切削齒的主焊面焊在孔內和開口槽孔壁上增加了焊齒面積，提高了焊齒強度，因而提高了焊齒的可靠性；3、提高了鑽頭齒柱抗泥漿中蝕能力。由於把切削齒的主焊面焊在偏心孔和開口槽內，泥漿衝蝕不到切削齒的主焊面又有硬質合金強化層保護齒柱，因此提高了鑽頭齒柱抗高速泥漿衝蝕能力；4、採用新結構大直徑園片切削齒可提高了破巖效率，降低鑽井成本。因為採用園柱聚晶齒組合片切削齒，破碎地層巖石時成負前角切削巖石，在巖石表面切削成四個園弧形切削槽，增加了自由面提高了破巖效率，採用PDC組合片也是在巖石切削表面形成三個園弧的切削麵，國外採用大直徑PDC齒切削巖石，每顆齒形成一個園弧切削麵，因此組合片更合理。改進後的大直徑園片的切削齒只佔基片半個面積，而馬賽克切削齒和大直徑PDC齒都是佔整個面積，因此改進後的切削齒成本更低；5、簡化了鑽頭製造工藝，降低鑽頭生產成本，由於採用鋼體式鑽頭製造工藝不需要胎體式鑽頭的專用設備模具及複雜的技術，因此簡化了工藝降低了生產成本。
以上五個方面的優點對鋼體式園片刮刀鑽頭技術有新發展，甚至與胎體式鑽頭對比也具有優點，保持了現有技術的積極效果，並優於現有技術。
以下結合附圖進一步描述本實用新型的具體結構。


圖1是鋼體式園片刮刀鑽頭結構示意圖；圖2是現有技術鋼質鑽頭齒柱結構示意圖；圖3是本實用新型鋼質鑽頭齒柱結構示意圖；圖4是本實用新型園柱聚晶齒組合片鑽頭齒柱結構示意圖；圖5是圖4的左視圖；圖6是本實用新型PDC齒組合片鑽頭齒柱結構示意圖；圖7是圖6的左視圖。
本實用新型附圖編號1—上體，2—下體，3—噴嘴套，4—密封圈，5—噴嘴，6—保徑齒，7—鑽頭齒柱，8—切削齒，9—電焊層，10—強化層，11—硬質合金園柱基片，12—園柱聚晶齒，13—PDC齒，14—偏心孔，15—開口槽，16—開口槽底平面，17—開口槽內孔壁，18—齒柱底斜面，19—齒槽。
結合附圖對本實用新型的技術內容和實施做進一步說明，並舉例詳細描述。
圖1是鋼體式園片刮刀鑽頭結構示意圖，鑽頭由上體1、下體2、噴嘴套3、密封圈4、噴嘴5、保徑齒6、鑽頭齒柱7、切削齒8等零件組成，除密封圈和噴嘴是可換的，其他零件都焊成一體，所以又把刮刀鑽頭叫做整體式鑽頭。鋼體式園片刮刀鑽頭的關健零件是鑽頭齒柱和焊在上面的切削齒，一隻鑽頭上布置有幾十顆鑽頭齒柱及切削齒，保證所鑽地層巖石全面破碎。本實用新型就是對鋼體式園片鑽頭的鋼質齒柱和切削齒在結構、材料和焊齒工藝等方面進行改進，使其達到新的水平。
圖2是現有技術鋼質鑽頭齒柱結構示意圖，圖中帶齒柱底斜面18的鋼質齒柱7電焊在鑽頭下體2工作面上，在鑽頭齒柱7、電焊層9和鑽頭下體工作面的表面是硬質合金強化層10，在鑽頭齒柱開口槽底平面16等於切削齒直徑與切削齒8(φ13.2×3.2mm)之間的釺焊面有開口槽內孔壁17和主釺焊開口槽底平面16，其中主釺焊平面處齒柱表面不易強化，容易受到泥漿衝蝕，這就是原專利的主要缺點。
圖3是本實用新型鋼質鑽頭齒柱結構示意圖，改進鑽頭齒柱的結構、材料和表面強化工藝，設計一種上部帶有偏心孔14的鑽頭齒柱7在孔的進口處銑一個開口槽15，槽寬等於孔徑，槽長等於原孔深的一半，在齒柱的下部銑齒柱底斜面18，把這個臥式齒柱放在鑽頭下體2的工作面齒位上，用電焊焊牢。舉例說明，切削齒8用標準的PDC齒的尺寸為φ13.2×8mm時，決定了偏心孔徑為φ13.4mm，孔深8mm，開口槽寬13.4mm，槽長4mm，鑽頭齒柱直徑φ18×17mm，齒柱底斜面斜角為15°，鑽頭齒柱材料，由原專利選用的45號鋼改為焊後自硬化能力較強的中碳合金鋼；表面強化工藝採用加熱重熔Ni-Wc塗層合金化工藝，就是把含有40％Ni和60％Wc的混合粉未用調合劑調成糊狀，均勻地塗在鑽頭齒柱7、電焊層9和鑽頭體2的工作面上的表面，烘乾後用高頻感應加熱或氧乙炔火焰加熱重熔塗層使其合金化，溫度加熱到1000℃-1100℃，在此過程中調合劑受熱蒸發掉在強化層10不留雜質。採用低熔點銀焊料釺焊工藝，把PDC齒柱釺焊在鑽頭齒柱的偏心孔14和開口槽內孔壁17上，這樣就完成了一鋼質齒柱製造的全過程，齒柱底斜面18決定了切削齒以負前角15°切削破碎巖石。偏心孔徑和深度取決於切削齒柱的尺寸，如果採用大直徑園片切削齒柱就要增大孔徑和孔深及鑽頭齒柱的尺寸，下面將做詳細介紹。
圖4是本實用新型園柱聚晶齒組合片鑽頭齒柱結構示意圖。圖5是圖4的左視圖，從圖4中看出由電焊在鑽頭下體2工作面上的鑽頭齒柱7、電焊層9和強化層10，硬質合金園柱基片11及園柱聚晶齒12組焊而成，從圖5看出鑽關齒柱7、電焊層9和鑽頭下體2的工作面上都有強化層10，在基片的半個面積上有四個齒槽19，中間兩槽內各放3顆聚晶齒，其它二槽各放2顆，硬質合金園柱基片直徑φ30mm，厚度為10mm，園柱聚晶齒尺寸為φ4×5×120°，槽寬和槽深為4.5mm。園柱聚晶齒組合片焊齒工藝是用調合劑把含40％Ni和60％Wc的混合粉未調成糊狀與園柱聚晶齒12一起放進硬質合金園柱基片11的槽內，聚晶齒在塗層中間，烘乾後把這種基片銅焊在鑽頭齒柱的偏心孔14內和開口槽內孔壁17上，在此同時也對塗層加熱使其合金化把聚晶齒焊牢。採用園柱聚齒組合片與現有技術馬賽克切削齒比較有兩個優點；一是採用園柱聚晶齒以負前角切削巖石形成四個園弧的溝槽，增加了自由面，有利於破巖效率的提高；二是園柱聚晶齒只布齒在基片的半個面積上降低了成本。
圖6是本實用新型PDC齒組合片切削齒鑽頭齒柱結構示意圖，圖7為圖6的左視圖，從圖6看出由電焊鑽頭下體2上鑽頭齒柱7、電焊層9、強化層10及焊在鑽頭齒柱偏心孔14內的硬質合金園柱基片11和PDC齒13組焊而成，從圖7看出在電焊鑽頭齒柱7、電焊層9和鑽頭下體2的工作面上都有強化層10，基片11約半個面上有一個由兩段園弧組成的雙園弧齒槽19，槽深4mm，基片直徑φ30mm，厚10mm，選用標準的PDC齒13φ13.2×3.2mm，雙園弧半徑均為R6.7mm，在每個園弧面處布置有120°扇形缺口的PDC齒各一片，中間布置一個完整的PDC齒，焊齒工藝首先採用銅焊，把基片焊在鑽頭齒柱7的偏心孔14和開口槽內孔壁17上，焊前在齒槽19平面和兩個園弧面上塗一種防銅焊塗料，銅焊後用噴砂清理齒槽平面處塗料，清理乾淨後。採用通用低熔點銀焊料釺焊PDC齒的工藝將PDC齒釺焊在基片的布齒位置上。由於採用基片尺寸與園聚晶組合片的基片尺寸相同，採用的鑽頭齒柱也相同。因此兩種組合片可分開做兩種切削齒的鑽頭。也可根據需要在一種鑽頭使用兩種組合片切削齒。設計PDC齒組合片切削齒的目地是用它代替大直徑PDC齒，因此與大直徑PDC齒鑽頭對比也有兩條優點一是在切削齒布置有三個標準直徑PDC齒以負前角切削地層巖石時，在巖石表面上形成相連接的三個園弧溝槽，增加了自由面有利於破巖效率的提高，而大直徑PDC齒只能形成一個大的園弧溝槽；二是把PDC齒布置在半個基片面積上對於一隻鑽頭的使用壽命來講已經足夠了，不需要採用大直徑PDC齒整片切削齒。
以上描述的是本實用新型對鋼體式園片刮刀鑽頭的鋼質鑽頭齒柱及兩種大直徑金剛石組合片切削齒的改進，由於採用電焊鋼質齒柱工藝，在鑽頭設計上不同於立式齒柱或臥式齒柱的胎體式工藝的布齒設計，鋼體式園片刮刀鑽頭在布齒設計上幾乎全部採用螺旋線形布齒，過去在取心鑽頭布齒設計是這樣，在全面鑽進鑽頭及大直徑園片刮刀鑽頭設計也都採用螺旋線形布齒，優點是鑽頭各部位齒柱承載均勻，齒柱及切削齒容易冷卻，個別齒失效時修復也影響不到其他齒。在一個鑽頭完成各種組焊後還要對鑽頭的保徑齒進行磨加工，以保證對鑽頭上體接頭螺紋中心線的同軸度，一般是把接頭接在專用磨床的母接頭上，磨鑽頭保徑齒，目地是保證鑽頭的直徑及同軸度都在公差範圍之內，對於取芯鑽頭則內徑和外徑都要磨，目地也是保證內徑和外徑直徑及同軸度都在公差範圍內。按著上述改進的內容製造鋼體式園片刮刀鑽頭的工作指標一定會達到胎體式鑽頭的技術水平。
權利要求1.一種由上體(1)、下體(2)、噴嘴套(3)、密封圈(4)、噴嘴(5)、保徑齒(6)、鑽頭齒柱(7)和切削齒(8)組成的鋼體式園片刮刀鑽頭，其特徵是採用一種帶偏心孔(14)和開口槽(15)、齒柱底斜面(18)的鋼質鑽頭齒柱(7)，電焊在鑽頭下體(2)工作表面上，在鑽頭齒柱(7)，電焊層(9)和鑽頭下體(2)的工作面上有硬質合金強化層(10)，鑽頭切削齒(8)有大直徑的園柱聚晶齒(12)組合片和PDC齒(13)組合片，標準的PDC齒(13)。
2.根據權利要求1所述的鋼體式園片刮刀鑽頭，其特徵是大直徑園柱聚晶齒組合片切削齒由硬質合金園柱基片(11)和焊在基片半個園面積上長方形齒槽(19)內的園柱聚晶齒(12)組成。
3.根據權利要求1所述的鋼體式園片刮刀鑽頭，其特徵是大直徑PDC齒組合片切削齒由硬質合金園柱基片(11)和焊在基片雙園弧齒槽(19)平面上的PDC齒(13)組成。
專利摘要本實用新型公開了一種鋼體式圓片刮刀鑽頭,用於石油鑽井,它由上體(1)、下體(2)、噴嘴套(3)、密封圈(4)、噴嘴(5)、保徑齒(6)、鑽頭齒柱(7)及切削齒(8)等零件組成,它的特點是採用帶偏心孔(14)和開口槽(15)的鋼質齒柱電焊在鑽頭下體工作面上,並表面強化,切削齒焊在偏心孔(14)和開口槽內孔壁(17)上。採用大直徑圓柱聚晶齒組合片和PDC齒組合片、標準的PDC齒,製造不同類型的圓片刮刀鑽頭。可提高鑽頭工作指標和降低鑽井成本。
文檔編號E21B10/46GK2281411SQ96240609
公開日1998年5月13日 申請日期1996年9月16日 優先權日1996年9月16日
發明者孫泰林 申請人:孫泰林