CN103273263B - 一种金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，包括如下步骤：（1）、加工喷嘴基体：（2）、加工工作端基体：（3）、加热过程：（4）、装配过程：将清洗晾干后的工作端基体装配件置入平面工作台，装配端部分向上放置，用工作钳将加热好的喷嘴基体取出对准工作端基体装配面轻松压入，然后检查装配到位装配过程完成；然后是保温过程和冷却过程。本发明原材料采用了普通的40CrMn钢替代大部分碳化钨，减少了稀有贵金属的使用量，节约了稀有贵金属资源；二是减少了烧结碳化钨环节，节约了能源；三是增加了复合功能，将喷嘴的丝扣部位变碳化钨合金为40CrMn钢，增强了丝扣部位的韧性，延长了丝扣部位的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷嘴的制作方法，尤其涉及一种采用了普通的40CrMn钢替代大部分碳化钨、减少了烧结碳化钨环节，增强了丝扣部位的韧性，能延长了丝扣部位的使用寿命的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法。
背景技术
本发明涉及石油钻井技术，是石油钻井工具——PDC钻头的一个主要组成部分。在钻头钻进过程中，钻头喷嘴的主要作用是：冷却井底钻头温度，润滑钻头与底层摩擦，冲洗井底岩屑，发挥钻井液水马力作用，辅助钻头破碎地层。
PDC钻头具有机械钻速快、寿命长、进尺多的优点，所以在石油天然气钻井中被广泛使用。钻头喷嘴是PDC钻头必不可少的元件，钻头喷嘴在高泵压（20MPa）、高介质流速(9.25m/s)、高冲击的环境下工作，对钻头喷嘴原材料要求极其严格。传统的钻头喷嘴采用碳化钨粉末一次烧结而成，金属钨属于稀有金属，大量采用金属钨作为原材料，资源浪费大、成本高，不符合低碳经济的要求；在钻井工程中调整钻井参数时，更换喷嘴拆卸频繁，易将性脆的碳化钨合金丝扣槽部分扭断，导致喷嘴报废率高。
复合节能PDC钻头喷嘴，较好的解决了喷嘴材料资源浪费，降低了制作成本，减少了喷嘴的报废率。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种采用了普通的40CrMn钢替代大部分碳化钨、减少了烧结碳化钨环节，增强了丝扣部位的韧性，能延长了丝扣部位的使用寿命的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
（1）、加工喷嘴基体：将喷嘴基体按图形尺寸车加工成型，所加工的喷嘴基体分为上下两个部分，上部分为连续凸凹状的喷嘴头，下部分为ＡＰＩ固持螺纹，连续凸凹状的喷嘴头和ＡＰＩ固持螺纹一体成型，喷嘴基体为内部设置有一内腔内径渐变的通孔的基体；
（2）、加工工作端基体：将毛坯经磨床加工成包含内通孔的圆台体，圆台体直径小的一端外部设置有台阶，台阶的高度为整个圆台体高度的1/5-1/2；圆台体直径大的一端外部为一光滑的密封面，台阶的外部与喷嘴基体内的通孔装配；
（3）、加热过程：将步骤（1）中处理好的喷嘴基体放入温控电加热箱内，调整好智能控制加热程序，以每分钟递增2℃的程序将加热件入箱加热，约150-180分钟可将喷嘴基体加热到300-400℃保持恒温，可成批加热，此加热过程完成；
（4）、装配过程：将清洗晾干后的工作端基体装配件置入平面工作台，装配端部分向上放置，用工作钳将加热好的喷嘴基体取出对准工作端基体装配面轻松压入，然后检查装配到位装配过程完成；
（5）、保温过程：将步骤（4）中装配好的工件在短时间内放回恒温300-400℃的加热箱以每分钟降低1℃的控制程序降温，实现保温过程；
（6）、冷却过程：装配好的喷嘴基体温度降至50℃至40℃时可取出自然冷却到自然温度，此时加工喷嘴基体和工作端基体二者过盈配合结合在一起形成一个整体。
在本发明的具体实施例中，所述凸凹状的喷嘴头为四个在喷嘴基体上端铣的均匀分布的拆卸工具槽。
在本发明的具体实施例中，所述喷嘴基体的材料为40CrMn钢。
在本发明的具体实施例中，所述工作端基体的材料为硬质合金ＹＧ8。
在本发明的具体实施例中，所述步骤（1）中，内腔内径渐变的通孔的孔壁为0.8或更高的光洁度。
在本发明的具体实施例中，所述步骤（2）中台阶的外部与喷嘴基体内的通孔装配处为0.8或更高的光洁度。
在本发明的具体实施例中，所述步骤（1）的最后还包括在通孔内表面用工业酒精或丙酮清理干净晾干的步骤。
在本发明的具体实施例中，所述步骤（2）的最后还包括在台阶的外部用工业酒精或丙酮清理干净晾干待装配的步骤。
在本发明的具体实施例中，所述内腔内径渐变的通孔与工作端基体装配处的外直径为17.50毫米，上下公差为0.02毫米，所述工作端基体与喷嘴基体装配处的内直径尺寸为：17.32毫米，上下公差为0.02毫米。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法有如下优点：一是原材料采用了普通的40CrMn钢替代大部分碳化钨，减少了稀有贵金属的使用量，节约了稀有贵金属资源；二是减少了烧结碳化钨环节，节约了能源；三是增加了复合功能，将喷嘴的丝扣部位变碳化钨合金为40CrMn钢，增强了丝扣部位的韧性，延长了丝扣部位的使用寿命。
该型喷嘴采用两种材料结合结构，可将钻井液至钻头喷嘴形成钻井工程所需的喷射压力和循环流量。根据设计要求使用，可有效的达到钻井工程设计压力要求。
附图说明
图1为本发明的喷嘴基体的结构示意图。
图2为本发明的工作端基体的结构示意图。
图3为本发明的喷嘴基体和工作端基体装配成一体后的结构示意图。
图4为本发明的喷嘴基体和工作端基体装配成一体后的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1为本发明的喷嘴基体的结构示意图，图2为本发明的工作端基体的结构示意图，如图1和2所示：本发明包括如下步骤：
（1）、加工喷嘴基体100：将喷嘴基体100按图形尺寸车加工成型，所加工的喷嘴基体100分为上下两个部分，上部分为连续凸凹状的喷嘴头101，下部分为ＡＰＩ固持螺纹102，连续凸凹状的喷嘴头101和ＡＰＩ固持螺纹102一体成型，喷嘴基体100为内部设置有一内腔内径渐变的通孔103的基体；如图4。其中，ＡＰＩ固持螺纹的相关标准如下：1"-12牙/英寸，大径:25.06～25.35，中径:23.83～23.98，螺距:2.12，牙型角:60°。
（2）、加工工作端基体200：将毛坯经磨床加工成包含内通孔的圆台体，圆台体直径小的一端外部设置有台阶201，台阶201的高度为整个圆台体高度的1/5-1/2；圆台体直径大的一端外部为一光滑的密封面202，台阶201的外部与喷嘴基体100内的通孔装配；如图2。
（3）、加热过程：将步骤（1）中处理好的喷嘴基体100放入温控电加热箱内，调整好智能控制加热程序，以每分钟递增2℃的程序将加热件入箱加热，约150-180分钟可将喷嘴基体100加热到300-400℃保持恒温，可成批加热，此加热过程完成；考虑到加热过程的准确性，此步骤中的时间可以控制在165分钟，加热的温度可以控制在350℃左右。
（4）、装配过程：将清洗晾干后的工作端基体200装配件置入平面工作台，装配端部分向上放置，用工作钳将加热好的喷嘴基体100取出对准工作端基体装配面轻松压入，然后检查装配到位装配过程完成；如图4。
（5）、保温过程：将步骤（4）中装配好的工件在短时间内放回恒温300-400℃的加热箱以每分钟降低1℃的控制程序降温，实现保温过程；
（6）、冷却过程：装配好的喷嘴基体100温度降至50℃至40℃时可取出自然冷却到自然温度，此时加工喷嘴基体100和工作端基体200二者过盈配合结合在一起形成一个整体。
在本发明的具体实施过程中，考虑在安装或拆卸过程中其喷嘴拆装受力均匀和工具持衡稳定，凸凹状的喷嘴头101一般选为四个在喷嘴基体100上端铣的均匀分布的拆卸工具槽，如图1和4。
在本发明的具体实施过程中，喷嘴基体100的材料为40CrMn钢。工作端基体200的材料为硬质合金ＹＧ8。
在本发明的具体实施过程中，步骤（1）中，内腔内径渐变的通孔103的孔壁为0.8或更高的光洁度。
在本发明的具体实施过程中，步骤（2）中台阶201的外部与喷嘴基体100内的通孔装配处为0.8或更高的光洁度。
在本发明的具体实施过程中，步骤（1）的最后还包括在通孔内表面用工业酒精或丙酮清理干净晾干的步骤。
在本发明的具体实施过程中，步骤（2）的最后还包括在台阶201的外部用工业酒精或丙酮清理干净晾干待装配的步骤。
在本发明的一个具体实施例子中，所述内腔内径渐变的通孔与工作端基体200装配处的外直径为17.50毫米，上下公差为0.02毫米，所述工作端基体200与喷嘴基体100装配处的内直径尺寸为：17.32毫米，上下公差为0.02毫米。
本发明提供的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作原材料采用了普通的40CrMn钢替代大部分碳化钨，减少了稀有贵金属的使用量，节约了稀有贵金属资源；减少了烧结碳化钨环节，节约了能源；增加了复合功能，将喷嘴的丝扣部位变碳化钨合金为40CrMn钢，增强了丝扣部位的韧性，延长了丝扣部位的使用寿命。
该型喷嘴采用两种材料结合结构，可将钻井液至钻头喷嘴形成钻井工程所需的喷射压力和循环流量。根据设计要求使用，可有效的达到钻井工程设计压力要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述制作方法减少烧结碳化钨环节，其包括如下步骤：
（1）、加工喷嘴基体（100）：将喷嘴基体（100）按图形尺寸车加工成型，所加工的喷嘴基体（100）分为上下两个部分，上部分为连续凸凹状的喷嘴头（101），下部分为ＡＰＩ固持螺纹（102），连续凸凹状的喷嘴头（101）和ＡＰＩ固持螺纹（102）一体成型，喷嘴基体（100）为内部设置有一内腔内径渐变的通孔的基体；
（2）、加工工作端基体（200）：将毛坯经磨床加工成包含内通孔的圆台体，圆台体直径小的一端外部设置有台阶（201），台阶（201）的高度为整个圆台体高度的1/5-1/2；圆台体直径大的一端外部为一光滑的密封面（202），台阶（201）的外部与喷嘴基体（100）内的通孔装配；
（3）、加热过程：将步骤（1）中处理好的喷嘴基体（100）放入温控电加热箱内，调整好智能控制加热程序，以每分钟递增2℃的程序将加热件入箱加热，150-180分钟可将喷嘴基体（100）加热到300-400℃保持恒温，可成批加热，此加热过程完成；
（4）、装配过程：将清洗晾干后的工作端基体（200）装配件置入平面工作台，装配端部分向上放置，用工作钳将加热好的喷嘴基体（100）取出对准工作端基体装配面轻松压入，然后检查装配到位装配过程完成；
（5）、保温过程：将步骤（4）中装配好的工件在短时间内放回恒温300-400℃的加热箱以每分钟降低1℃的控制程序降温，实现保温过程；
（6）、冷却过程：装配好的喷嘴基体（100）温度降至50℃至40℃时可取出自然冷却到自然温度，此时加工喷嘴基体（100）和工作端基体（200）二者过盈配合结合在一起形成一个整体。
2.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述凸凹状的喷嘴头（101）为四个在喷嘴基体（100）上端铣的均匀分布的拆卸工具槽。
3.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述喷嘴基体（100）的材料为40CrMn钢。
4.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述工作端基体（200）的材料为硬质合金ＹＧ８。
5.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中，内腔内径渐变的通孔的孔壁为0.8或更高的光洁度。
6.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中台阶（201）的外部与喷嘴基体（100）内的通孔装配处为0.8或更高的光洁度。
7.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）的最后还包括在通孔内表面用工业酒精或丙酮清理干净晾干的步骤。
8.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）的最后还包括在台阶（201）的外部用工业酒精或丙酮清理干净晾干待装配的步骤。
9.根据权利要求1所述的金刚石钻头节能复合式喷嘴的制作方法，其特征在于：所述内腔内径渐变的通孔与工作端基体（200）装配处的外直径为17.50毫米，上下公差为0.02毫米，所述工作端基体（200）与喷嘴基体（100）装配处的内直径尺寸为：17.32毫米，上下公差为0.02毫米。
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