CN105089508A - 一种旋转钻井钻头及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转钻井钻头，包括API接头和钻头体，所述钻头体包括冠部，冠部包括复合胎体材料，复合胎体材料包括硬粒子材料和合金材料，硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、氮化物、硼化物和氧化物，合金材料为镍基合金、铜基合金或钴基合金。本发明还公开了一种旋转钻井钻头的制造方法，采用五轴加工铣床加工，其模具内腔由模具和模具内的钻头体内腔流体通道及面槽喷嘴通道构成，所述模具外设有保护套和保护套盖。本发明所述旋转钻井钻头的钻头体冠部采用复合胎体材料，在抗冲蚀性、抗研磨性、弹性变形、安全性和抗脆裂性方面得到明显加强，提高了旋转钻井钻头的综合性能。采用本发明所述方法制造旋转钻井钻头，能够提高安全生产效率。

Description

一种旋转钻井钻头及制造方法

技术领域

本发明涉及一种石油、地质钻探钻井用旋转钻头，尤其涉及一种旋转钻井钻头及制造方法。

背景技术

目前，常用于石油、地质钻探钻井用旋转钻头包含两类：一种为牙轮钻头，牙轮钻头体有牙掌和牙轮，牙掌和牙轮为钢材加工而成，钻头体和牙轮通过旋转轴承为一配合体，牙轮上的切削齿堆焊有耐磨合金(或镶有碳化钨切削齿)，牙掌上同样堆焊有耐磨合金或镶有耐磨材料(如碳化钨等)。牙轮钻头能够使用于软、中软，中、中硬、硬、极硬等各种地层的钻井中。

另一种为固定切削齿钻头，称作“固定翼刮刀钻头”，或称“刮刀PDC钻头”；切削齿为超硬材料，称为：聚晶金刚石复合片，简称PDC齿，圆柱形的PDC齿钎焊在固定刮刀上的齿穴内，这种钻头以剪切方式切削地层，这种钻头由API接头与钻柱相连，用于旋转钻井，如：转盘钻井，顶驱钻井，井底马达钻井等；以旋转方式工作的刮刀PDC钻头通过PDC齿剪切地层，形成井眼。

旋转钻头体可以用钢材直接加工，也可以由胎体材料形成。胎体材料形成的钻头体包含三种材料：钻头基体材料、硬粒子材料和粘结合金，其中，钻头基体材料一般采用钢材，硬粒子材料一般采用碳化钨，粘结合金一般采用铜合金，这种胎体钻头比钢体钻头的表面抗研磨和抗冲蚀，但比钢体钻头体的强度和韧性更低，所以降低了钻头的使用范围。在冲击载荷较大的钻井作业中，这种胎体钻头可能出现胎体脆性断裂(在高频冲击载荷作用下)，发生这种故障是一种严重的事故，因为刮刀断裂、钻头体破裂需要停钻更换钻头(或处理井下事故)，处理这类事故费用很高。

因此，提高胎体钻头韧性和强度来降低钻井过程出现胎体钻头脆性断裂是有效的方法，能够增加胎体钻头的使用范围。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种具有高韧性和高强度的旋转钻井钻头及制造方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种旋转钻井钻头，包括API接头和钻头体，所述钻头体包括冠部，所述冠部的顶端为多个刮刀，所述刮刀上安装有PDC齿，所述冠部包括复合胎体材料，所述复合胎体材料包括硬粒子材料和合金材料，所述硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、氮化物、硼化物和氧化物，所述合金材料为镍基合金、铜基合金或钴基合金。

具体地，所述铜基合金为铜-镍-锌或铜-锰-锡合金；所述钴基合金为钴-镍-铝合金；所述碳化物或硼化物为由化学元素钨、钼、钛、钒、铌、铬、铝或硅形成的碳化物或硼化物。

优选地，所述硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、碳化钛、二硼化钛、氮化钛、碳化钒、三氧化二铝、氮化铝和氮化硼中的部分或全部。

根据应用需要，所述碳化钨为WC和W₂C的混合材料，或者为铸造碳化钨、烧结碳化钨或大粒结晶碳化钨。

一种旋转钻井钻头的制造方法，采用五轴加工铣床加工，其模具内腔由模具和模具内的钻头体内腔流体通道及面槽喷嘴通道构成，所述模具外设有保护套和保护套盖，模具内腔包括上内腔和下内腔；在下内腔内填充复合胎体材料，熔融或烧结后再冷却，形成钻头体的冠部；在上内腔内填充两种或两种以上的胎体材料、合金材料和钢材，熔融或烧结后再冷却，形成API接头。

优选地，在上内腔和下内腔之间填充有钢材形成管状的钢芯，钢芯具有靠近下内腔一端的环形的内表面和外表面。

形成钢芯的钢材为低碳钢或合金钢。

钢芯上加工有用于防止钢芯移动和转动的刮刀插块。

进一步，在上内腔和下内腔之间填充合金钢材料，通过熔融或烧结后再冷却，形成一体式钢体钻头体；复合胎体材料通过堆焊、敷焊、等离子喷焊或热喷涂工艺形成钢体钻头的冠部。

本发明的有益效果在于：

传统旋转钻井钻头的胎体材料成分比较单一，本发明所述旋转钻井钻头的钻头体冠部采用复合胎体材料，在抗冲蚀性、抗研磨性方面得到明显提高，同时在弹性变形、安全性和抗脆裂性方面得到加强，提高了旋转钻井钻头的综合性能，增强了旋转钻井钻头的安全性，拓宽了旋转钻井钻头的使用范围。采用本发明所述方法制造旋转钻井钻头，由于在模具外增加了保护套，所以大大降低了钻头烧结过程容易出现模具烧漏的不安全事故，能够提高安全生产效率，保证大尺寸钻头的供货及时率，降低生产成本，提高经济效益。

附图说明

图1-1是本发明所述旋转钻井钻头的主视轴向剖视图之一，图中只示出了钻头一半的结构；

图1-2是本发明所述旋转钻井钻头的仰视图之一，与图1-1对应；

图2-1是本发明所述旋转钻井钻头制造过程中的主视轴向剖视图之一，图中只示出了一半的结构；

图2-2是本发明所述旋转钻井钻头制造过程中的主视轴向剖视图之二，图中只示出了一半的结构；

图2-3是本发明所述旋转钻井钻头制造过程中的主视轴向剖视图之三，图中只示出了一半的结构；

图3-1是本发明所述旋转钻井钻头的主视轴向剖视图之二，图中只示出了钻头一半的结构；

图3-2是本发明所述旋转钻井钻头的仰视图之二，与图3-1对应；

图4-1是本发明所述旋转钻井钻头的主视轴向剖视图之三，图中只示出了钻头一半的结构；

图4-2是本发明所述旋转钻井钻头的仰视图之三，与图4-1对应。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

说明：本发明提到的材料成分，指的是材料的化学成分和显微结构；换一种说法，有相同化学成分的材料，但显微结构不同可以考虑有不同的材料成分。

如图1-1、图1-2、图3-1、图3-2、图4-1和图4-2所示，本发明所述旋转钻井钻头包括API接头8和钻头体10，钻头体10包括冠部(见图中的15、210和310)，冠部的顶端为多个刮刀，刮刀33上安装有PDC齿55，冠部包括复合胎体材料，复合胎体材料包括硬粒子材料和合金材料，硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、氮化物、硼化物和氧化物，合金材料为镍基合金、铜基合金或钴基合金。更具体地，铜基合金为铜-镍-锌或铜-锰-锡合金；钴基合金为钴-镍-铝合金；碳化物或硼化物为由化学元素钨、钼、钛、钒、铌、铬、铝或硅形成的碳化物或硼化物；硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、碳化钛、二硼化钛、氮化钛、碳化钒、三氧化二铝、氮化铝和氮化硼中的部分或全部；碳化钨为WC和W₂C的混合材料，或者为铸造碳化钨、烧结碳化钨或大粒结晶碳化钨。

如图2-1和图2-2，本发明所述旋转钻井钻头的制造方法，作为其中一种钻头的加工模具结构，与图1-1对应，用三维钻头设计数据模型，经计算机程序转换的加工文件，采用五轴加工铣床加工，其模具内腔110由模具100和模具100内的钻头体内腔流体通道及面槽喷嘴通道108构成，模具100外设有保护套102和保护套盖104，模具内腔110包括上内腔125和下内腔120；复合胎体材料由A箭头方向装入，在下内腔120内填充复合胎体材料，熔融或烧结后再冷却，形成钻头体10的冠部；在上内腔125内填充两种或两种以上的胎体材料、合金材料和钢材，熔融或烧结后再冷却，形成API接头8；在上内腔125和下内腔120之间填充有钢材形成管状的钢芯，见图1-1中的钢芯13，形成钢芯的钢材为低碳钢或合金钢；加工后的钻头如图1所示，钢芯13具有靠近下内腔一端的环形的内表面18和外表面16，环形的内表面18和外表面16共同形成用于防止钢芯移动和转动的刮刀插块；本专业的技术人员能够通过现有专业技术，就能够生产市场需求的旋转钻井钻头，也可称为刮刀PDC钻头。

如图2-3所示，作为另一种钻头的加工模具结构，与图4-1对应，模具内腔130为一个整体，由于与上述图2-2中分为上内腔125和下内腔120的模具内腔110的结构有差异，所以这里用了130来标记模具内腔；模具内腔130充填含有基体材料和复合胎体材料，这些材料通过C口进入模具内腔130内，形成的钻头见图4-1所示，API接头8和冠部310为一体化结构，在钻头冠部形成表面形成抗冲蚀和抗研磨的硬粒子金属保护层；钻头基体是可加工的合金钢材，经过热处理工艺和冷却工艺处理，具有良好的弹性变形能力，能够提高钻头刮刀的韧性、强度和其它性能；专业技术人员能够通过现有专业技术，生产出合格的旋转钻井钻头，也可称为刮刀PDC钻头；由这种复合胎体材料制造的钻头，能够增强刮刀PDC钻头的使用性能和使用范围。图2-1、图2-2和图2-3中的106为剖视中轴线。

上述复合胎体材料包括合金材料，合金材料的物理性能，包括屈服强度、拉伸强度、断裂韧性和疲劳性能适应钻头体的使用环境；复合胎体材料的合金更多的表现在材料的弹性变形，材料的完全弹性变形能够满足钻头体工作环境。当冲击载荷施加在钻头体的切削齿或刮刀上，使刮刀发生弹性变形，当冲击载荷减小或卸载，切削齿和刮刀能够恢复到原先的位置。

根据本旋转钻井钻头的具体结构差异，下面分三个具体结构实施例对本发明的钻头结构进行更具体的描述，其中，由于具体结构的变化，不同的实施例的钻头和冠部采用了不同的数字标记，其它部件名称在各实施例中相同。

实施例1：

如图1-1所示，本旋转钻井钻头5包含API接头8和钻头体10，API接头8包含API公螺纹25、对中螺纹22和中心孔42；钻头体10包含钢芯13和钻头冠部15，钻头冠部15有钻头刮刀33，钻头刮刀33上有齿靠背35和齿穴37，PDC齿40安装在齿穴37内，通过钎焊或其它方式固定到刮刀33的齿穴37内，钻头冠部15的表面20由复合胎体材料构成；钻头体10的钢芯13有对中螺纹22通过焊缝23使API接头8与钻头体10成为一体；钢芯13有内表面18和外表面16能够增强与钻头冠部15的有效连接。由复合胎体材料构成的钻头冠部15提高了本旋转钻井钻头5的韧性，强度和其它性能；有效提高了本旋转钻井钻头5的安全性，增加了本旋转钻井钻头5的使用范围。图1-1中的6为剖视中轴线。

如图1-2所示，图中示出了刮刀33、前PDC齿40、齿靠背35和齿穴37的相对位置，以及中心孔42在钻头面的位置关系；在钻头冠部15的表面20有刮刀33，两个刮刀33之间有面槽和排屑槽50，本例的钻头5没有后PDC齿。

实施例2：

如图3-1所示，钻头215包含有钻头冠部210，钻头冠部210通过螺纹、焊接等方法与API接头8的公螺纹25连接为一体，钻头215通过API接头8与钻柱(图中未显示)连接。API接头8的对中螺纹22是母螺纹，钻头冠部210的对中螺纹是公螺纹；钻头冠部210的合金钢材料通过热加工工艺处理，能够改变合金钢的组织结构和材料性能；钻头215的冠部210含有硬粒子材料的复合胎体材料通过堆焊、敷焊工艺方法，经熔融，冷却附着在钻头冠部210的工作表面，能够提高钻头215的工作性能。钻头215的API接头8和钻头冠部210为分体式结构。

如图3-2所示，在钻头冠部210的表面20有刮刀33，刮刀33前排有前PDC齿40，齿靠背35和齿穴37；刮刀33的后排有后PDC齿55，齿靠背35和齿穴37；两个刮刀33之间有面槽和排屑槽50。把PDC齿通过钎焊的方法焊接到钻头体的刮刀33上，就形成了本旋转钻井钻头215。

实施例3：

如图4-1所示，钻头315包括API接头8和钻头冠部310。钻头冠部310的合金钢材料通过热加工工艺处理，改变了合金钢的组织结构和材料性能；钻头冠部310由复合胎体材料及合金钢材料能够通过堆焊、敷焊、等离子喷焊、热喷涂等工艺方法形成一体；含有硬粒子材料的复合胎体材料经熔融，冷却附着在钻头体的工作表面；能够提高钻头315的工作性能。钻头315的API接头8和钻头冠部310为一体式结构。

如图4-2所示，在钻头冠部310的表面20有刮刀33，刮刀33前排有前PDC齿40，齿靠背35和齿穴37；刮刀33的后排有后PDC齿55，齿靠背35和齿穴37；两个刮刀33之间有面槽和排屑槽50。PDC齿通过钎焊的方法焊接到钻头体的刮刀33上，就形成了本旋转钻井钻头315。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (11)

1.一种旋转钻井钻头，包括API接头和钻头体，所述钻头体包括冠部，所述冠部的顶端为多个刮刀，所述刮刀上安装有PDC齿，其特征在于：所述冠部包括复合胎体材料，所述复合胎体材料包括硬粒子材料和合金材料，所述硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、氮化物、硼化物和氧化物，所述合金材料为镍基合金、铜基合金或钴基合金。

2.根据权利要求1所述的旋转钻井钻头，其特征在于：所述铜基合金为铜-镍-锌或铜-锰-锡合金。

3.根据权利要求1所述的旋转钻井钻头，其特征在于：所述钴基合金为钴-镍-铝合金。

4.根据权利要求1所述的旋转钻井钻头，其特征在于：所述碳化物或硼化物为由化学元素钨、钼、钛、钒、铌、铬、铝或硅形成的碳化物或硼化物。

5.根据权利要求1所述的旋转钻井钻头，其特征在于：所述硬粒子材料包括金刚石、碳化钨、碳化钛、二硼化钛、氮化钛、碳化钒、三氧化二铝、氮化铝和氮化硼中的部分或全部。

6.根据权利要求1或5所述的旋转钻井钻头，其特征在于：所述碳化钨为WC和W₂C的混合材料，或者为铸造碳化钨、烧结碳化钨或大粒结晶碳化钨。

7.一种如权利要求1-5中任何一项所述的旋转钻井钻头的制造方法，其特征在于：采用五轴加工铣床加工，其模具内腔由模具和模具内的钻头体内腔流体通道及面槽喷嘴通道构成，所述模具外设有保护套和保护套盖，模具内腔包括上内腔和下内腔；在下内腔内填充复合胎体材料，熔融或烧结后再冷却，形成钻头体的冠部；在上内腔内填充两种或两种以上的胎体材料、合金材料和钢材，熔融或烧结后再冷却，形成API接头。

8.根据权利要求7所述的旋转钻井钻头的制造方法，其特征在于：在上内腔和下内腔之间填充有钢材形成管状的钢芯，钢芯具有靠近下内腔一端的环形的内表面和外表面。

9.根据权利要求8所述的旋转钻井钻头的制造方法，其特征在于：形成钢芯的钢材为低碳钢或合金钢。

10.根据权利要求8所述的旋转钻井钻头的制造方法，其特征在于：钢芯上加工有用于防止钢芯移动和转动的刮刀插块。

11.根据权利要求7所述的旋转钻井钻头的制造方法,其特征在于：在上内腔和下内腔之间填充合金钢材料，通过熔融或烧结后再冷却，形成一体式钢体钻头体；复合胎体材料通过堆焊、敷焊、等离子喷焊或热喷涂工艺形成钢体钻头的冠部。