專利名稱：帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型的帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭。它是屬于對(duì)人造聚晶金剛石復(fù)合片類鉆頭的結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。它是通過(guò)在常規(guī)的PDC鉆頭上加設(shè)“自銳式”切削齒和合理的水力噴射系統(tǒng)，從而提高常規(guī)PDC鉆頭的破巖效果和使用壽命。它主要是自銳式切削齒及水力噴射系統(tǒng)組成。
目前，在石油鉆井和地質(zhì)探礦等過(guò)程的鉆孔中，廣泛地使用PDC(人造聚晶金剛石復(fù)合片)類鉆頭，這類鉆頭均以切削方式為主要破碎巖石的手段而完成鉆孔。在鉆頭破巖過(guò)程中，由于切削齒要對(duì)巖石進(jìn)行切削，就必須與巖石接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故使得切削齒受到嚴(yán)重的磨損，并因此產(chǎn)生大量的摩擦熱而加速切削齒的磨損，導(dǎo)致了鉆頭壽命的降低。尤其是PDC鉆頭的切削齒是人造聚晶金剛石復(fù)合片制成，其磨損速度受溫度影響更為嚴(yán)重。試驗(yàn)表面，當(dāng)溫度超過(guò)750℃時(shí)，PDC齒的磨損速度迅速增加，溫度再升高，甚至?xí)蛊涮蓟?。因此，不能及時(shí)、合理地對(duì)切削齒進(jìn)行冷卻和清洗是導(dǎo)致PDC鉆頭不能達(dá)到應(yīng)有的效果和壽命的重要原因。另外，鉆頭水力布置的不合理，也會(huì)導(dǎo)致幾股射流之間相互干擾，浪費(fèi)了水力能量，并造成了鉆頭中心部位及其它地方存在有流動(dòng)“死區(qū)”，使巖屑不易及時(shí)清除，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)速度。又由于常規(guī)的PDC鉆頭的切削齒是以一定的負(fù)前角(大都為20°)斜立的圓片，由碳化鎢柱墩支撐，主要靠復(fù)合片的底邊棱作為切削刃吃入地層，如果PDC齒的刃太尖、太薄，則易崩掉或磨損而變鈍，并使得壽命變短；如果PDC齒的刃太短、太厚，則又難以吃入地層，使得破巖效率降低。
本實(shí)用新型的目的就在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種新型的帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭。它是通過(guò)采用多層復(fù)合的自銳式切削齒和合理優(yōu)化的水力噴射系統(tǒng)，既可提高對(duì)工作中的重點(diǎn)切削齒的冷卻，又可實(shí)現(xiàn)水力—機(jī)械聯(lián)合破巖的目的。它的主要技術(shù)結(jié)構(gòu)是由鉆頭基體、水力噴射系統(tǒng)及自銳式切削齒構(gòu)成，其主要的技術(shù)特征是水力噴射系統(tǒng)是由布置在鉆頭基體頂端的中心徑向傾斜噴嘴、中圈斜向噴嘴和外圈近切向噴嘴組成，并按一定的布齒方式將自銳式切削齒布置在鉆頭基體的頂端。
附圖
即為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖的圖面說(shuō)明如下1---中心徑向傾斜噴嘴2---中圈斜向噴嘴3---中圈斜向噴嘴4---中圈斜向噴嘴5---中圈斜向噴嘴6---外圈近切向噴嘴7---自銳式切削齒8---自銳式切削齒9---鉆頭體為了更好的實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的上述目的，本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)者是將水力噴射系統(tǒng)中的中心徑向傾斜噴嘴(1)是設(shè)置在鉆頭基體(9)幾何軸心的一邊，并出口的軸線指向鉆頭基體(9)的幾何軸線；其中圈斜向噴嘴(2)、中圈斜向噴嘴(3)、中圈斜向噴嘴(4)及中圈斜向噴嘴(5)則設(shè)置在鉆頭基體(9)頂端的中圈部分，并依次傾斜設(shè)置；其外圈切向噴嘴(6)則是沿鉆頭基體(9)頂端的外圈切線方向傾斜設(shè)置；其自銳式切削齒(7)及自銳式切削齒(8)則是設(shè)計(jì)成不同形狀、由多層各種硬度的人造聚晶金剛石復(fù)合片和其它硬質(zhì)材料復(fù)合燒結(jié)而成，其復(fù)合的方式是將最硬、最耐磨的材料置于最前層，其它則按硬度的大小依次排列復(fù)合，最后層則是韌性好、耐磨性差的材料。
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)詳敘本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造中，本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)者是將中心徑向傾斜噴嘴設(shè)置在鉆頭基體幾何軸線的一邊，其出口的軸線則指向鉆頭基體的幾何軸線，以導(dǎo)引射流沖擊到井底巖石的中心；其中圈的斜向噴嘴則分別以30～45°的空間角設(shè)置在鉆頭的中圈部位，并能導(dǎo)引射流沖擊到1～2個(gè)重點(diǎn)切削齒前或切削齒后的位置，以輔助這些重點(diǎn)切削齒破巖，并強(qiáng)化對(duì)這些切削齒的冷卻，增加向外攜帶巖屑的流體流量和速度；外圈近切向噴嘴則設(shè)置在鉆頭的外圈部，使其噴嘴的軸線指向外圈的切向方向，從而導(dǎo)引射流在近切線方向沖擊到外圈牙齒前或后，增強(qiáng)對(duì)外圈的破巖效果和清巖效果，使得井底流場(chǎng)形成有序的向外發(fā)散式的螺旋流，以提高冷卻和清洗的效果。其自銳式切削齒的設(shè)計(jì)則是采用不同硬度的材料多層復(fù)合而成，其復(fù)合的方式是按照最硬、最耐磨的置于最前層，韌性好、耐磨性最差的置于最后層的順序排列，以保證在切削巖石的磨損中，首先磨掉后面的支撐部分而露出前面的硬的切削部分，不斷形成鋒利的切削刃，并用弧棱齒與圓片齒相配合，以壓碎和切削兩種破巖方式相補(bǔ)充，來(lái)提高破巖效率。在實(shí)際使用和加工中，制造方法同普通的PDC鉆頭相類似，噴嘴可用普通鉆頭的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，也可使用旋轉(zhuǎn)射流噴嘴。
試驗(yàn)結(jié)果表明，由于本實(shí)用新型采用了合理的水力噴射系統(tǒng)和自銳式切削齒，使得重點(diǎn)切削齒實(shí)現(xiàn)與水力聯(lián)合破巖的目的，彌補(bǔ)了普通PDC類鉆頭的純機(jī)械切削、切削齒過(guò)快鈍化及清巖不暢等缺陷，可大幅度地提高鉆進(jìn)速度。而且制造方便，有著極大的推廣前景和市場(chǎng)潛力。
權(quán)利要求1.帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭，它是由鉆頭基體(9)、水力噴射系統(tǒng)及自銳式切削齒(7)和自銳式切削齒(8)構(gòu)成，其特征在于水力噴射系統(tǒng)是由布置在鉆頭基體頂端的中心徑向傾斜噴嘴(1)、中圈斜向噴嘴(2)、中圈斜向噴嘴(3)中圈斜向噴嘴(4)和中圈斜向噴嘴(5)及外圈近切向噴嘴(6)組成，并將自銳式切削齒(7)和自銳式切削齒(8)布置在鉆頭基體(9)的頂端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭，其特征在于水力噴射系統(tǒng)中的中心徑向傾斜噴嘴(1)是設(shè)置在鉆頭基體(9)幾何軸心的一邊，并指向鉆頭基體(9)的幾何軸線；其中圈斜向噴嘴(2)、中圈斜向噴嘴(3)、中圈斜向噴嘴(4)及中圈斜向噴嘴(5)則設(shè)置在鉆頭基體(9)頂端的中圈部分，并依次傾斜設(shè)置；其外圈切向噴嘴(6)則是沿鉆頭基體(9)頂端的外圈切線方向傾斜設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭，其特征在于自銳式切削齒(7)及自銳式切削齒(8)是由各種硬度的人造聚晶金剛石復(fù)合片和其它硬質(zhì)材料多層復(fù)合燒結(jié)而成，其復(fù)合的方式是將最硬、最耐磨的材料置于最前層，其它則按硬度的大小依次排列復(fù)合，最后層則是韌性好、耐磨性差的材料。
專利摘要一種新型的帶有自銳式切削齒的水力輔助破巖鉆頭。它是屬于對(duì)人造聚晶金剛石復(fù)合片類鉆頭的結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。它是通過(guò)在常規(guī)的PDC鉆頭上加設(shè)“自銳式”切削齒和合理的水力噴射系統(tǒng)，即在常規(guī)的PDC鉆頭上設(shè)置了若干個(gè)中圈斜向噴嘴和自銳式切削齒。
文檔編號(hào)E21B10/46GK2235011SQ9520159
公開日1996年9月11日 申請(qǐng)日期1995年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月9日
發(fā)明者沈忠厚, 王瑞和, 周衛(wèi)東, 徐依吉, 楊永印, 沈曉明 申請(qǐng)人:石油大學(xué)(華東)