CN103953286B - 焊接式高胎体地质钻头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接式高胎体地质钻头及其制作方法，包括高胎体钻齿、水口块和钢体。高胎体钻齿和水口块单独烧结成型再的紧密连接成钻齿冠，钻齿冠激光焊接在钢体上；高胎体钻齿由含破岩磨粒的工作齿层、不含磨粒的过渡齿层、以及不含磨粒的焊接齿层组成，高胎体钻齿总高度为15mm～35mm；水口块可采用单质粉、多种金属粉或合金粉烧结制作。本发明由于采用高胎体钻齿独立烧结，并设计了自适应磨损水口块，烧结温度大大降低，金刚石损伤减少，钻齿高度提高，钻头的钻进效率、使用寿命都得到了大幅度提高，能显著降低地质钻探中钻头起下钻次数，特别适合1000米以下深孔钻进工程中。

Description

焊接式高胎体地质钻头及其制作方法

(一)技术领域：

本发明涉及地质勘探钻进技术，具体为一种焊接式高胎体地质钻头及其制作方法。

(二)背景技术：

目前，固体矿藏勘探钻进工程中大多仍采用金刚石地质钻头，金刚石地质钻头制造技术经过数十年的发展，在结构设计、钻探工艺方面有了一定的进步，但是，总的来说发展缓慢，技术创新力度不够。

金刚石地质钻头产品目前包括中频整体烧结法地质钻头、电镀法地质钻头。

中频整体烧结法地质钻头是采用中频热压烧结机制造，制造过程是先将金刚石与金属粉末的混合物倒入所需尺寸的石墨模具中，然后将经加工形成锯齿面的钢体放置在粉体上，通过中频电磁感应产生的热量和上下压力，将烧结成型的钻齿与钢体结合在一起。这种方法生产的金刚石钻头烧结温度高，钻齿内部致密度差，钻齿与钢体结合力不够强，所以钻齿高度低，且钻进效率、使用寿命都较低。

孙友宏等人的《可再生水口的金刚石取芯钻头》(申请号为200810051152.9)发明专利提出了从结构上进行了合理设计，实现钻齿和水口的多层化，并保证每一层水口面积比达到15％～35％，但是此专利仍然采用中频整体烧结法制造，烧结温度高、钻齿烧结致密度低，而且结构复杂，制造难度大，模具消耗大。

电镀法金刚石地质钻头是在经表面处理后的钢体表面直接镀上金属胎体和金刚石颗粒的复合层，金属胎体与钢体是原子价键结合，因此结合强度较高；电镀法制作的地质钻头金属胎体对金刚石具有比普通方法更高的把持强度，而且金刚石无高温损伤，钻头钻进效率高；然而电镀钻头制作时间长，成本高，且胎体高度越高，制作时间越长，钻头使用寿命往往较低。

肖云捷的《一种高效金刚石地质钻头的制造方法》(申请号为201110008431.9)发明专利第一次提出了采用激光焊接方法制造金刚石地质钻头的概念，但只是简单的模仿常规激光焊接产品，将钻齿与钢体实现连接而已。由于地质钻头钻齿内金刚石磨粒含量通常较高，钻齿强度也往往较低，随着钻齿高度的增加，钻齿断裂的可能性增加，因此，常规钻头钻齿高度低于8mm，钻头寿命十分有限。

(三)发明内容：

为此，本发明提供一种焊接式高胎体地质钻头及其制造方法，旨在解决矿产地质勘探钻进工程中、特别是1000米以下深部钻进中钻头钻进效率低、使用寿命短而导致钻头起下钻频率高、钻探总体效率低、钻孔易于塌陷等问题。

能够解决上述技术问题的焊接式高胎体地质钻头，包括高胎体钻齿、水口块和钢体，所述高胎体钻齿于钢体上圆周均布，所述水口块设于相邻高胎体钻齿之间的钢体上，所不同的是所述高胎体钻齿包括含破岩磨粒的工作齿层、不含磨粒的过渡齿层以及不含磨粒的焊接齿层，高胎体钻齿总高度为15mm～35mm，其中，所述工作齿层高度为12mm～29mm，所述过渡齿层高度为1mm～3mm，所述焊接齿层高度为2mm～3mm；匹配于高胎体钻齿高度，所述水口块高度为5mm～15mm。

根据钻进岩石对象，进一步对水口块高度的设置：所述高胎体钻齿总高度选择为15mm～20mm时，所述水口块高度选择为5mm～10mm；所述高胎体钻齿高度选择为20mm～35mm时，所述水口块高度选择为10mm～15mm。

为保证钻削区域供水充分，所述水口块的内、外两侧(直径方向)分别开设内水槽和外水槽，所述内、外水槽深度根据钻进对象选择为1mm～5mm。

对于普通钻进岩石，一般不需要添加聚晶进行钻头保径，但对于强研磨性地层，所述高胎体钻齿的内、外表面需镶嵌聚晶，聚晶镶嵌部位为工作齿层、或为过渡齿层、或为工作齿层和过渡齿层。

所述工作齿层中包含的破岩磨粒为金刚石，当钻进岩石为中硬、软地层时，工作齿层中包含的破岩磨粒为金刚石和碎聚晶的混合物，通过体积破碎方式实现钻进，可大大提高钻进效率。

如上所述的焊接式高胎体地质钻头之制作方法，方案有三种：

1、所述高胎体钻齿和水口块分别独立烧结成型，然后通过烧结工艺实现高胎体钻齿和水口块紧密结合成钻齿冠。

2、或所述高胎体钻齿和水口块的制作为各自冷压成型，单独成型后的高胎体钻齿和水口块组装在一起烧结成为钻齿冠。

3、或所述高胎体钻齿的制作采用先冷压后热压，冷压胚体致密度为50％～70％，热压采用真空电阻式热压烧结，烧结温度为750℃～900℃，保温时间3min～8min，最大加压压力为20MPa～30MPa，所述水口块采用单质粉、或多种金属粉或合金粉烧结而成，烧结致密度为50％～100％，高胎体钻齿与水口块连接成为整体齿冠的方式为将水口块压缩，通过横向挤压作用力使其与高胎体钻齿实现机械嵌固，或采用钎焊法焊接，或者采用浸渍法实现补缝与结合。

上述高胎体钻齿和水口块的分别制作，便于单独调节钻齿结合剂配方，同时水口块与高胎体钻齿的组合结构能提高高胎体钻齿高度，能实现高胎体钻齿的制作，从而保证了钻头的长寿命；能够实现高胎体钻齿与水口块的牢固连接，保障水口块能一直正常发挥钻齿支撑作用；所述制作方法操作简易，钻头圆周跳动很低，易于实现高胎体钻齿内部结构设计成不同类型，如“三明治”、高低浓度齿等。

将上述1、2、3三种制作方式中所述高胎体钻齿与水口块连接后形成的钻齿冠通过激光焊接方法焊接在钢体上。

所述激光焊接方法可采用激光直接焊接，或采用激光熔覆焊接。

可采用焊片、或焊丝、或焊膏进行钎焊法焊接。

本发明的有益效果：

1、本发明结构中，高胎体钻齿结构中焊接齿层确保了与钢体的连接强度，过渡齿层则起到衔接工作齿层与焊接齿层的作用，能保障高胎体钻齿的整体强度；制作方法中采用先进的激光焊接技术制造具有大的钻齿高度、能保证钻齿强度不至于断裂的地质钻头，此种地质钻头钻齿强度高、钻进效率高、使用寿命高，从而大大减少了钻头起下钻的次数，大大提高了钻探台月效率，减少塌孔事故的发生。

2、本发明具有钻齿烧结致密度高、金刚石热损伤小、胎体尺寸高等优点，因而较常规地质钻头具有高得多的钻进寿命和较高的钻进效率，大大减少了钻头的起下钻频率，能极大的提升钻进工程效率。

(四)附图说明：

图1为本发明一种实施方式的立体结构图。

图2(a)为图1实施方式中矮齿钻头的立体结构图。

图2(b)为图1实施方式中中齿钻头的立体结构图。

图2(c)为图1实施方式中高齿钻头的立体结构图。

图3为图1实施方式中高胎体钻齿与水口块形成为钻齿冠的立体结构图。

图4(a)为树脂圈箍紧图3中钻齿冠的结构示意图。

图4(b)为图4(a)中的A-A剖示图。

图号标识：1、高胎体钻齿；1-1、工作齿层；1-2、过渡齿层；1-3、焊接齿层；2、水口块；3、钻齿冠；4、钢体；5、外水槽；6、内水槽；7、树脂圈。

(五)具体实施方式：

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明焊接式高胎体地质钻头包括相连接的上部的钻齿冠3和下部的钢体4，所述钻齿冠3包括高胎体钻齿1和水口块2，所述高胎体钻齿1于钢体4上圆周均布，所述水口块2间隔设于相邻高胎体钻齿1之间的钢体4上；所述高胎体钻齿1包括上、中、下三部分，分别为上部含破岩磨粒的工作齿层1-1、中部不含磨粒的过渡齿层1-2，下部不含磨粒的焊接齿层1-3，高胎体钻齿1总高度为15mm～35mm，根据不同的钻进工况，所述工作齿层1-1的高度在12mm～29mm之间选择，所述过渡齿层1-2高度在1mm～3mm之间选择，所述焊接齿层1-3的高度在2mm～3mm之间选择，为了与高胎体钻齿1的总高度相匹配，所述水口块2的高度在5mm～15mm之间选择；所述水口块2径向的内、外两侧分别开设有内水槽6和外水槽5，所述内、外水槽6、5的深度根据钻进工况选择在1mm～5mm之间，如图1、图2(a)、图2(b)、图2(c)、图3所示。

上述结构中，所述过渡齿层1-2起到衔接工作齿层1-1与焊接齿层1-3的作用，保障钻齿整体的抗断裂强度；焊接齿层1-3为激光焊接专用粉末烧结而成，具有较高的烧结致密性和防烧熔流失能力，确保钻齿3冠与钢体4焊接后具有较高的连接强度。

所述水口块2的作用是支撑高胎体钻齿1，提高其抗切向断裂强度和径向断裂强度，所述水口块2的高度根据高胎体钻齿1的高度进行设计：当高胎体钻齿1的高度在15mm～20mm之间时，水口块2的高度为5～10mm；高胎体钻齿1的高度为20mm～35mm时，水口块2的高度为10mm～15mm。

根据钻进工况需要，所述高胎体钻齿1的内、外表面镶嵌聚晶，聚晶镶嵌部位为工作齿层1-1、或为过渡齿层1-2、或为工作齿层1-1和过渡齿层1-2；所述工作齿层1-1中包含的破岩磨粒为金刚石，或为金刚石和碎聚晶的混合物，如图1、图2、图3所示。

本发明焊接式高胎体地质钻头之制造方法：

1、制作钻齿冠3。

①、所述高胎体钻齿1、水口块2分别独立烧结成型，组装在一起烧结成一个整体即钻齿冠3，结合剂成份为WC、Co、Cu、Sn、Ni等单质或合金的粉末冶金烧结体，如图3所示。

所述高胎体钻齿1、水口块2分别独立烧结成型时，可以先分别采用钢模冷压出胚体，然后分别组装在碳模中，采用真空电阻热压烧结机进行烧结，在制作成为齿冠3过程中，则需要分别冷压出高胎体钻齿1、水口块2的冷压胚体，然后将冷压胚体组装在碳模中烧结成环。

由于高胎体钻齿1采用独立电阻热压烧结，相对于常规钻头的中频整体烧结方法，烧结温度大大降低，从而减少了金刚石的强度损伤，也减少了烧结模具的热损伤，烧结效率大大提升，胎体致密度、强度等都得到了大幅度提升，钻头的钻进效率、钻进进尺数从而也获得了大幅度提高。

②、所述高胎体钻齿1和水口块2的制作为各自冷压成型，单独成型后的高胎体钻齿1和水口块2组装在一起烧结成为整体的钻齿冠3，结合剂成份为WC、Co、Cu、Sn、Ni等单质或合金的粉末冶金烧结体，如图3所示。

③、所述高胎体钻齿1采用先冷压后热压工艺，冷压胚体致密度为50％～70％，热压采用真空电阻式热压烧结，烧结温度为750℃～900℃，保温时间3min～8min，最大加压压力为20MPa～30MPa；所述水口块2采用单质粉、或多种金属粉或合金粉烧结而成，烧结致密度为50％～100％，水口块2的成份根据钻进岩层的性质(包括研磨性、硬度、强度等)设计，一般为Fe、Co、Cu等金属元素的混合物。

高胎体钻齿1与水口块2连接成为整体的钻齿冠3的方式为将水口块2压缩，通过横向挤压作用力使其与高胎体钻齿1实现机械嵌固，或采用钎焊法焊接(焊接材料采用焊片、或焊丝、或焊膏等)，或者采用浸渍法实现补缝与结合。

2、用激光焊接方法将①、②、③方法分别制作的钻齿冠3焊接在钢体4上，如图1、图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。

焊接前，使用如图4(a)、图4(b)所示的树脂圈7紧箍住钻齿冠3，采用平磨设备进行钻齿冠3底部磨平和光洁处理，然后将钻齿冠3和钢体4分别安装在专用夹具上，利用激光焊接机完成焊接工序，焊接壁厚根据钻头内外径尺寸一般选择为6mm～15mm，焊接方法可以为激光直接焊接，也可为激光熔覆焊接等，焊接强度要求达到800MPa以上，焊接要求焊缝饱满，无空隙。焊接完成后，可对钻头进行回火处理，以减少焊接的热损伤，提高焊接强度，回火温度为250℃～350℃，保温时间为4小时。

完成焊接工序后，按常规地质钻头的制作工艺，进一步进行钻头的机加工，包括在水口块2位置加工出外水槽5和内水槽6，钢体4根据所需尺寸车制内外圆、倒角、螺纹加工等。

本发明的使用：

将如图1、图2(a)、图2(b)、图2(c)所示的钻头安装在地质钻机的钻杆上，通过钻杆的高速旋转，并向井内通入钻井液，钻头上的高胎体钻齿1实现对岩层的钻进，由于水口块2的支撑作用，高胎体钻齿1具有较高的抗断裂强度，保障了高胎体钻齿1的正常使用；由于配方组成的特殊设计，水口块2在高胎体钻齿1磨损的同时也具有同步磨损的功能，因此能保证钻头在所有工作齿层1-1消耗的过程中都存在水口，钻井液流通顺畅，实现冷却及排屑的作用。

本发明结构中的钻齿冠3可按地质钻头的常用内、外径尺寸制作，如φ36.5/φ21.5、φ59/φ36.5、φ75/φ47.5、φ96/63.5等。

以直径为φ36.5/φ21.5的钻头为例，设计高胎体钻齿1的高度为16mm，水口块2的高度为5mm，水口块2宽度为5mm，设计水口数量为5个，钻进岩石可钻性级别为7级、中等研磨性，设计高胎体钻齿1配方为WC、Co、Cu、Sn、Ni等，金刚石浓度为70％，粒度为40/45，水口块2配方为Co、Cu等，将粉末分别冷压成型后再烧结成高胎体钻齿1和水口块2，烧结温度为860℃，全压为25MPa，保温6min，钻齿冠3脱模取出后经过去毛刺、磨光处理，用树脂圈7紧箍成圆环状，采用平磨机将焊接层部位磨平整，然后通过激光实现钻齿冠3与钢体4的焊接，再经过机加工、喷漆、检测，即实现焊接式高胎体地质钻头的制作。

以直径为φ75/φ47.5的钻头为例，设计高胎体钻齿1高度为25mm，水口块2高度为10mm，水口块2宽度为8mm，设计水口数量6个，钻进岩石可钻性级别为8级、强研磨性，设计钻齿配方为高WC基，金刚石浓度为100％，粒度为40/45、45/50、50/60的组合粒度，水口块配方为Fe、Co、Cu等，将粉末分别冷压成型后再组装成环状，放入石墨模具中进行烧结，烧结温度为880℃，全压为30MPa，保温8min，烧结后的钻齿冠3通过焊接层磨光处理，采用焊接专用夹具将钻齿冠3和钢体4安装在激光焊接机上，根据调试调节激光功率，实现钻齿冠3与钢体4的焊接，再进行机加工、喷漆、检测，完成焊接式高胎体地质钻头的制作。

Claims (8)

1.焊接式高胎体地质钻头，包括高胎体钻齿(1)和钢体(4)，所述高胎体钻齿(1)于钢体(4)上圆周均布，其特征在于：水口块(2)设于相邻高胎体钻齿(1)之间的钢体(4)上，高胎体钻齿(1)与水口块(2)固接成为钻齿冠(3)后再用激光焊接在钢体(4)上；所述高胎体钻齿(1)包括含破岩磨粒的工作齿层(1-1)、不含磨粒的过渡齿层(1-2)以及不含磨粒的焊接齿层(1-3)，高胎体钻齿(1)总高度为15mm～35mm，其中，所述工作齿层(1-1)高度为12mm～29mm，所述过渡齿层(1-2)高度为1mm～3mm，所述焊接齿层(1-3)高度为2mm～3mm；匹配于高胎体钻齿(1)高度，所述水口块(2)高度为5mm～15mm。

2.根据权利要求1所述的焊接式高胎体地质钻头，其特征在于：当所述高胎体钻齿(1)总高度选择为15mm～20mm时，所述水口块(2)的匹配高度选择为5mm～10mm；当所述高胎体钻齿(1)总高度选择为20mm～35m时，所述水口块(2)的匹配高度选择为10mm～15mm。

3.根据权利要求1或2所述的焊接式高胎体地质钻头，其特征在于：所述水口块(2)的内、外两侧分别开设有内水槽(6)和外水槽(5)，所述内、外水槽(6、5)深度为1mm～5mm。

4.根据权利要求1或2所述的焊接式高胎体地质钻头，其特征在于：所述高胎体钻齿(1)的内、外表面镶嵌聚晶，聚晶镶嵌部位为工作齿层(1-1)、或为过渡齿层(1-2)、或为工作齿层(1-1)和过渡齿层(1-2)。

5.根据权利要求1或2所述的焊接式高胎体地质钻头，其特征在于：所述工作齿层(1-1)中包含的破岩磨粒为金刚石，或为金刚石和碎聚晶的混合物。

6.如权利要求1或2所述的焊接式高胎体地质钻头之制作方法，其特征在于：

①、所述高胎体钻齿(1)和水口块(2)独立烧结成型，然后再通过烧结工艺实现高胎体钻齿(1)和水口块(2)紧密结合为钻齿冠(3)；

②、或所述高胎体钻齿(1)和水口块(2)的制作为各自冷压成型，单独成型后的高胎体钻齿(1)和水口块(2)组装在一起烧结成为钻齿冠(3)；

③、或所述高胎体钻齿(1)的制作采用先冷压后热压，冷压胚体致密度为50％～70％，热压采用真空电阻式热压烧结，烧结温度为750℃～900℃，保温时间3min～8min，最大加压压力为20MPa～30MPa，所述水口块(2)采用单质粉、或多种金属粉或合金粉烧结而成，烧结致密度为50％～100％，高胎体钻齿(1)与水口块(2)连接成为钻齿冠(3)的方式为将水口块(2)压缩，通过横向挤压作用力使其与高胎体钻齿(1)实现机械嵌固，或采用钎焊法焊接，或者采用浸渍法实现补缝与结合；

所述钻齿冠(3)通过激光焊接方法焊接在钢体(4)上。

7.根据权利要求6所述的焊接式高胎体地质钻头之制作方法，其特征在于：所述激光焊接方法为激光直接焊接，或为激光熔覆焊接。

8.根据权利要求6所述的焊接式高胎体地质钻头之制作方法，其特征在于：采用焊片、或焊丝、或焊膏进行钎焊法焊接。