一種旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石油、地質(zhì)鉆探鉆井用旋轉(zhuǎn)鉆頭，尤其涉及一種旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，常用于石油、地質(zhì)鉆探鉆井用旋轉(zhuǎn)鉆頭包含兩類:一種為牙輪鉆頭，牙輪鉆頭體有牙掌和牙輪，牙掌和牙輪為鋼材加工而成，鉆頭體和牙輪通過旋轉(zhuǎn)軸承為一配合體，牙輪上的切削齒堆焊有耐磨合金(或鑲有碳化鎢切削齒)，牙掌上同樣堆焊有耐磨合金或鑲有耐磨材料(如碳化鎢等)。牙輪鉆頭能夠使用于軟、中軟，中、中硬、硬、極硬等各種地層的鉆井中。
[0003]另一種為固定切削齒鉆頭，稱作“固定翼刮刀鉆頭”，或稱“刮刀PDC鉆頭”;切削齒為超硬材料，稱為:聚晶金剛石復(fù)合片，簡稱roc齒，圓柱形的PDC齒釬焊在固定刮刀上的齒穴內(nèi)，這種鉆頭以剪切方式切削地層，這種鉆頭由API接頭與鉆柱相連，用于旋轉(zhuǎn)鉆井，如:轉(zhuǎn)盤鉆井，頂驅(qū)鉆井，井底馬達(dá)鉆井等；以旋轉(zhuǎn)方式工作的刮刀PDC鉆頭通過PDC齒剪切地層，形成井眼。
[0004]旋轉(zhuǎn)鉆頭體可以用鋼材直接加工，也可以由胎體材料形成。胎體材料形成的鉆頭體包含三種材料:鉆頭基體材料、硬粒子材料和粘結(jié)合金，其中，鉆頭基體材料一般采用鋼材，硬粒子材料一般采用碳化鎢，粘結(jié)合金一般采用銅合金，這種胎體鉆頭比鋼體鉆頭的表面抗研磨和抗沖蝕，但比鋼體鉆頭體的強(qiáng)度和韌性更低，所以降低了鉆頭的使用范圍。在沖擊載荷較大的鉆井作業(yè)中，這種胎體鉆頭可能出現(xiàn)胎體脆性斷裂(在高頻沖擊載荷作用下)，發(fā)生這種故障是一種嚴(yán)重的事故，因?yàn)楣蔚稊嗔?、鉆頭體破裂需要停鉆更換鉆頭(或處理井下事故)，處理這類事故費(fèi)用很高。
[0005]因此，提高胎體鉆頭韌性和強(qiáng)度來降低鉆井過程出現(xiàn)胎體鉆頭脆性斷裂是有效的方法，能夠增加胎體鉆頭的使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種具有高韌性和高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭及制造方法。
[0007]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0008]一種旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭，包括API接頭和鉆頭體，所述鉆頭體包括冠部，所述冠部的頂端為多個刮刀，所述刮刀上安裝有PDC齒，所述冠部包括復(fù)合胎體材料，所述復(fù)合胎體材料包括硬粒子材料和合金材料，所述硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、氮化物、硼化物和氧化物，所述合金材料為鎳基合金、銅基合金或鈷基合金。
[0009]具體地，所述銅基合金為銅-鎳-鋅或銅-錳-錫合金；所述鈷基合金為鈷-鎳-鋁合金；所述碳化物或硼化物為由化學(xué)元素鎢、鑰、鈦、釩、鈮、鉻、鋁或硅形成的碳化物或硼化物。
[0010]優(yōu)選地，所述硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、碳化鈦、二硼化鈦、氮化鈦、碳化釩、三氧化二鋁、氮化鋁和氮化硼中的部分或全部。
[0011]根據(jù)應(yīng)用需要，所述碳化鎢為WC和W2C的混合材料，或者為鑄造碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢或大粒結(jié)晶碳化鎢。
[0012]一種旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的制造方法，采用五軸加工銑床加工，其模具內(nèi)腔由模具和模具內(nèi)的鉆頭體內(nèi)腔流體通道及面槽噴嘴通道構(gòu)成，所述模具外設(shè)有保護(hù)套和保護(hù)套蓋，模具內(nèi)腔包括上內(nèi)腔和下內(nèi)腔；在下內(nèi)腔內(nèi)填充復(fù)合胎體材料，熔融或燒結(jié)后再冷卻，形成鉆頭體的冠部；在上內(nèi)腔內(nèi)填充兩種或兩種以上的胎體材料、合金材料和鋼材，熔融或燒結(jié)后再冷卻，形成API接頭。
[0013]優(yōu)選地，在上內(nèi)腔和下內(nèi)腔之間填充有鋼材形成管狀的鋼芯，鋼芯具有靠近下內(nèi)腔一端的環(huán)形的內(nèi)表面和外表面。
[0014]形成鋼芯的鋼材為低碳鋼或合金鋼。
[0015]鋼芯上加工有用于防止鋼芯移動和轉(zhuǎn)動的刮刀插塊。
[0016]進(jìn)一步，在上內(nèi)腔和下內(nèi)腔之間填充合金鋼材料，通過熔融或燒結(jié)后再冷卻，形成一體式鋼體鉆頭體；復(fù)合胎體材料通過堆焊、敷焊、等離子噴焊或熱噴涂工藝形成鋼體鉆頭的冠部。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
[0018]傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的胎體材料成分比較單一，本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的鉆頭體冠部采用復(fù)合胎體材料，在抗沖蝕性、抗研磨性方面得到明顯提高，同時(shí)在彈性變形、安全性和抗脆裂性方面得到加強(qiáng)，提高了旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的綜合性能，增強(qiáng)了旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的安全性，拓寬了旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的使用范圍。采用本發(fā)明所述方法制造旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭，由于在模具外增加了保護(hù)套，所以大大降低了鉆頭燒結(jié)過程容易出現(xiàn)模具燒漏的不安全事故，能夠提高安全生產(chǎn)效率，保證大尺寸鉆頭的供貨及時(shí)率，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0019]圖1-1是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的主視軸向剖視圖之一，圖中只示出了鉆頭一半的結(jié)構(gòu)；
[0020]圖1-2是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的仰視圖之一，與圖1-1對應(yīng)；
[0021]圖2-1是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭制造過程中的主視軸向剖視圖之一，圖中只示出了一半的結(jié)構(gòu)；
[0022]圖2-2是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭制造過程中的主視軸向剖視圖之二，圖中只示出了一半的結(jié)構(gòu)；
[0023]圖2-3是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭制造過程中的主視軸向剖視圖之三，圖中只示出了一半的結(jié)構(gòu)；
[0024]圖3-1是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的主視軸向剖視圖之二，圖中只示出了鉆頭一半的結(jié)構(gòu)；
[0025]圖3-2是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的仰視圖之二，與圖3-1對應(yīng)；
[0026]圖4-1是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的主視軸向剖視圖之三，圖中只示出了鉆頭一半的結(jié)構(gòu)；
[0027]圖4-2是本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的仰視圖之三，與圖4-1對應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0029]說明:本發(fā)明提到的材料成分，指的是材料的化學(xué)成分和顯微結(jié)構(gòu)；換一種說法，有相同化學(xué)成分的材料，但顯微結(jié)構(gòu)不同可以考慮有不同的材料成分。
[0030]如圖1-1、圖1-2、圖3-1、圖3-2、圖4-1和圖4_2所示，本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭包括API接頭8和鉆頭體10，鉆頭體10包括冠部(見圖中的15、210和310)，冠部的頂端為多個刮刀，刮刀33上安裝有I3DC齒55，冠部包括復(fù)合胎體材料，復(fù)合胎體材料包括硬粒子材料和合金材料，硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、氮化物、硼化物和氧化物，合金材料為鎳基合金、銅基合金或鈷基合金。更具體地，銅基合金為銅-鎳-鋅或銅-錳-錫合金；鈷基合金為鈷-鎳-招合金；碳化物或硼化物為由化學(xué)元素鶴、鑰、鈦、fL、鈮、鉻、招或娃形成的碳化物或硼化物；硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、碳化鈦、二硼化鈦、氮化鈦、碳化釩、三氧化二鋁、氮化鋁和氮化硼中的部分或全部；碳化鎢為WC和W2C的混合材料，或者為鑄造碳化鎢、燒結(jié)碳化鎢或大粒結(jié)晶碳化鎢。
[0031]如圖2-1和圖2-2，本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭的制造方法，作為其中一種鉆頭的加工模具結(jié)構(gòu)，與圖1-1對應(yīng)，用三維鉆頭設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序轉(zhuǎn)換的加工文件，采用五軸加工銑床加工，其模具內(nèi)腔110由模具100和模具100內(nèi)的鉆頭體內(nèi)腔流體通道及面槽噴嘴通道108構(gòu)成，模具100外設(shè)有保護(hù)套102和保護(hù)套蓋104，模具內(nèi)腔110包括上內(nèi)腔125和下內(nèi)腔120 ;復(fù)合胎體材料由A箭頭方向裝入，在下內(nèi)腔120內(nèi)填充復(fù)合胎體材料，熔融或燒結(jié)后再冷卻，形成鉆頭體10的冠部；在上內(nèi)腔125內(nèi)填充兩種或兩種以上的胎體材料、合金材料和鋼材，熔融或燒結(jié)后再冷卻，形成API接頭8 ;在上內(nèi)腔125和下內(nèi)腔120之間填充有鋼材形成管狀的鋼芯，見圖1-1中的鋼芯13，形成鋼芯的鋼材為低碳鋼或合金鋼；加工后的鉆頭如圖1所示，鋼芯13具有靠近下內(nèi)腔一端的環(huán)形的內(nèi)表面18和外表面16，環(huán)形的內(nèi)表面18和外表面16共同形成用于防止鋼芯移動和轉(zhuǎn)動的刮刀插塊；本專業(yè)的技術(shù)人員能夠通過現(xiàn)有專業(yè)技術(shù)，就能夠生產(chǎn)市場需求的旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭，也可稱為刮刀roc鉆頭。
[0032]如圖2-3所示，作為另一種鉆頭的加工模具結(jié)構(gòu)，與圖4-1對應(yīng)，模具內(nèi)腔130為一個整體，由于與上述圖2-2中分