CN104060943A - 一种螺杆钻具钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺杆钻具钻头，其结构包括刀头、刀片、夹持部分，钻头刀片夹持部分可转位，刀片表面涂层、梯度结构、纳米复合材料，刀头具有多头刀刃，所述刀片，可装夹、可转位、可更换，可多次修复使用，寿命长；刀片外表涂层可增加钻头的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能；纳米复合涂层材料的使用可降低摩擦系数；所述螺杆钻具钻头适用于高转速、复杂恶劣钻井地层的场合，特别是坚硬地层的作业。

Description

一种螺杆钻具钻头

技术领域

本发明属于石油装备领域，具体涉及一种螺杆钻具钻头。

背景技术

螺杆钻具是一种的井下动力钻具，它采用容积式马达，以钻井液为动力，产生转速和扭矩，广泛用于打定向井、丛式井和水平钻井，因此能满足钻井新工艺的要求，在国外得到了迅速的发展。我国从上世纪80年代开始研制螺杆钻具，80年代中期引进了美国迪纳(DYNA-DRILL)钻具技术，90年代初形成生产规模，产品覆盖全国80％以上地区。

由于螺杆钻具工作环境复杂恶劣，经常发生失效，导致钻井事故频繁发生，严重影响了钻井速度的提高，而处理这些事故耗费了大量的人力、物力和财力，造成巨大的经济损失。研究表明，螺杆钻具钻头最容易损坏，高温下易软化，更换频繁。螺杆钻具钻头作业环境苛刻恶劣，工作过程中时刻受到岩石、泥沙、泥浆的摩擦、碰撞和侵蚀，经常发生磨损、破损、腐蚀、剥落、高温软化等失效现象。考虑上述的原因，开发了适用于高转速、复杂恶劣钻井地层的场合，特别是坚硬地层的作业的螺杆钻具钻头。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的易磨损、破损、腐蚀、剥落、高温软化等不足之处，提供了一种用于螺杆钻具的钻头，旨在为适用于高转速、复杂恶劣钻井地层的场合，特别是坚硬地层的作业的螺杆钻具钻头。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明的一种螺杆钻具钻头，所述的螺杆钻具钻头由刀头、刀片、夹持部分组成，所述的刀片，包括表面涂层和基体两部分，所述表面涂层部分为刀片上下两个外表面，内部基体为合金钢、工具钢、高速钢或者硬质合金材料；所述夹持部分可转位，所述刀头为多刃刀头，所述多刃刀头的刃为直刃或螺旋刃，所述刀片的具有表面涂层，所述表面涂层为耐磨耐蚀耐高温涂层纳米材料组成的复合涂层，所述复合涂层由结合层和耐磨层组成，所述的结合层是由平均粒径为200纳米的氧化铝粉重量百分比50％、平均粒径为180纳米的石墨粉重量百分比20％与纳米晶尺寸为60-70纳米的氮化钛TiN粉重量百分比30％，将所述的氧化铝粉、石墨粉和氮化钛TiN粉混合后在700-1200℃下焙烧2-4小时即得到所述的结合层，所述的耐磨层是由金刚石层和含氮化合物层组成，所述的金刚石层是利用第一步电沉积在所述结合层的表面沉积金刚石层，所述第一步电沉积的条件为氮气环境下，气压0.7Pa，电压-280V，温度为550℃，然后第二步电沉积氮化钛TiN与氮化硅钛TiSiN的混合物，氮化钛TiN与氮化硅钛TiSiN的质量比为3∶1，所述第二步电沉积的条件为氩气环境下，气压0.75Pa，电压-280V，温度为600℃，通过所述第一步电沉积和所述第二步电沉积即可得到所述的耐磨层。

优选所述的复合涂层的总厚度为30-100纳米。

优选所述的结合层的总厚度为20-60纳米。

优选所述的耐磨层的总厚度为20-80纳米。

优选，所述的刀片能够机械装夹、更换和转位；所述夹持部分包括机械式装夹或液压式装夹。

更进一步的，本发明的螺杆钻具钻头，其刀片，可装夹、更换、转位；夹持部分，其装夹方式包括机械式或液压式，机械式包括杠杆式、螺栓式；刀片形状可为三角形、四边形、五边形和六边形，甚至圆形，刀片的刀尖有6-12个，甚至12个以上，刀片的每个刀尖转位后均可参与工作，刀片可正反使用，刀片利用率高，从而可降低钻头的成本。

所述刀片，其刀片材质，刀片上下两个外表面均涂层，涂层采用超硬材料磨耐蚀耐高温涂层材料，内部基体为合金钢、工具钢、高速钢(普通高速钢或细晶粒高速钢)或者硬质合金材料(钨钴类、钨钛钴类或者钨钛钽(铌)类硬质合金)。这样即可减少作业时泥浆和沙粒的腐蚀、摩擦和碰撞，又增加了刀片表面的硬度以及高温热硬性，承受的温度可达1000℃以上，使钻头使用寿命得到大幅度提高。

所述基体材料(合金钢、工具钢、高速钢或者硬质合金)的含量由表及里递增梯度分布；刀片表层涂层材料中超硬材料的体积含量达80％以上。涂层的厚度为5μm-20μm。这样设计可从分利用涂层材料的磨耐蚀耐、耐高温性能和基体材料的高强度耐冲击性，又可降低涂层材料的成本。

所述刀片，其涂层表面为纳米复合材料，其纳米材料的体积含量为70％-80％，即可减少纳米复合陶瓷材料在制备过程中纳米颗粒的团聚，从而影响刀片表面的力学性能，又可有效降低涂层表面的摩擦系数，摩擦系数小于0.3，减少泥浆的附着，具有自清洁性，自砺性高(刀片崩刃后还可使用，且锋利)；表面纳米材料平均粒径小于200nm，纳米复合材料的硬度大于93HRA。

所述的刀头，可是平头，也可为球头，具有多个刀刃，刀刃可为直刃，也可为螺旋刃，螺旋刃的螺旋角为20度～60度，每个刀刃上具有多个刀片，刀片磨损或破损后可回收修复使用。

本发明具有下述技术效果：

1)该钻头专用螺杆钻具作业，刀片可装夹、更换、转位，刀片可回收后修复，刀片利用率高，可降低钻头的成本。

2)刀片表层采用涂层材料，耐磨、耐高温、耐腐蚀，解决了钻头的磨损、破损问题，提高了钻头的寿命。

3)该涂层采用梯度结构，充分利用涂层材料和基体材料的性能，又可降低涂层材料的成本。

4)该梯度涂层表面采用纳米复合材料，摩擦系数小，可降低摩擦，减少泥浆的附着，具有自清洁性，自砺性高，适于高速作业。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

图1为本发明螺杆钻具钻头图

附图标记：

1-刀头 2-刀片 3-夹持部分

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行阐述。

以4刃螺旋钻头为例，图1为本螺杆钻具钻头图。螺杆钻具钻头其特征在于，该钻头结构由刀头1、刀片2和夹持部分3组成，刀片2特征包括表面涂层、梯度结构、纳米复合材料。刀片2的形状为正四边形，共有8个刀尖，当一个刀尖磨损或者破损失效后，可转动刀片，换一个刀尖工作；当一面的4个刀尖全磨损或者破损失效后，可更换刀面，换另一面的刀尖工作。

夹持部分3采用螺纹固定式夹持。刀片2的表面涂层为复合涂层，由结合层和耐磨层组成，所述的结合层是由平均粒径为200纳米的氧化铝粉重量百分比50％、平均粒径为180纳米的石墨粉重量百分比20％与纳米晶尺寸为70纳米的氮化钛TiN粉重量百分比30％，将所述的氧化铝粉、石墨粉和氮化钛TiN粉混合在1200℃下焙烧4小时即得到所述的结合层，所述的耐磨层是由金刚石层和含氮化合物层组成，所述的金刚石层是利用第一步电沉积在所述结合层的表面沉积金刚石层，所述第一步电沉积的条件为氮气环境下，气压0.7Pa，电压-280V，温度为550℃，然后第二步电沉积氮化钛TiN与氮化硅钛TiSiN的混合物，氮化钛TiN与氮化硅钛TiSiN的质量分别为300g与100g，所述第二步电沉积的条件为氩气环境下，气压0.75Pa，电压-280V，温度为600℃，通过所述第一步电沉积和所述第二步电沉积即可得到所述的耐磨层。基体主体材料硬质合金WC的体积含量由表及里递增。刀片2表面纳米复合材料的硬度达8000HV，耐热温度达1400℃，刀片表面作业时的摩擦系数小于0.2。刀头1，刀头为平头，有4个螺旋刀刃，每个刀刃上安装有3个刀片，刀头螺旋角为30度。

尽管参考实施例对所公开的涉及一种螺杆钻具钻头进行了特别描述，以上描述的实施例是说明性而不是限制性的。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本发明的保护范围。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种螺杆钻具钻头，其特征在于，所述的螺杆钻具钻头由刀头、刀片、夹持部分组成，所述的刀片，包括表面涂层和基体两部分，所述表面涂层部分为刀片上下两个外表面，内部基体为合金钢、工具钢、高速钢或者硬质合金材料；所述夹持部分可转位，所述刀头为多刃刀头，所述多刃刀头的刃为直刃或螺旋刃，所述刀片具有表面涂层，所述表面涂层为耐磨耐蚀耐高温涂层纳米材料组成的复合涂层，所述复合涂层由结合层和耐磨层组成，所述的结合层是由占结合层重量百分比50％的平均粒径为200纳米的氧化铝粉、占结合层重量百分比20％的平均粒径为180纳米的石墨粉与占结合层重量百分比30％的纳米晶尺寸为60-70纳米的氮化钛TiN粉组成，将所述的氧化铝粉、石墨粉和氮化钛TiN粉混合后在700-1200℃下焙烧2-4小时即得到所述的结合层，所述的耐磨层是由金刚石层和含氮化合物层组成，所述的金刚石层是利用第一步电沉积在所述结合层的表面沉积金刚石层，所述第一步电沉积的条件为氮气环境下，气压0.7Pa，电压-280V，温度为550℃，然后第二步电沉积氮化钛TiN与氮化硅钛TiSiN的混合物，氮化钛TiN与氮化硅钛TiSiN的质量比为3∶1，所述第二步电沉积的条件为氩气环境下，气压0.75Pa，电压-280V，温度为600℃，通过所述第一步电沉积和所述第二步电沉积即可得到所述的耐磨层。

2.根据权利要求1所述的螺杆钻具钻头，其特征在于，所述的复合涂层的总厚度为30-100纳米。

3.根据权利要求1所述的螺杆钻具钻头，其特征在于，所述的结合层的总厚度为20-60纳米。

4.根据权利要求1所述的螺杆钻具钻头，其特征在于，所述的耐磨层的总厚度为20-80纳米。

5.根据权利要求1-4任一项所述的螺杆钻具钻头，其特征在于，所述的刀片能够机械装夹、更换和转位；所述夹持部分包括机械式装夹或液压式装夹。

6.根据权利要求1所述的螺杆钻具钻头，其特征在于，所述的复合涂层的材料硬度大于93HRA，所述的复合涂层中的纳米材料的体积含量为70％-80％，所述的复合涂层的摩擦系数小于0.3，平均粒径小于200nm，纳米复合材料的硬度大于93HRA。