CN111425143A - 孕镶金刚石和聚晶金刚石复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻头，所述钻头包括旋转主体，在所述旋转主体的下端安装有聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体，所述孕镶金刚石柱体包括固定在所述旋转主体上的基体，以及嵌在所述基体上的所述金刚石粒，至少部分金刚石粒的一部分从所述基体的下端面凸出去，在钻进过程中，所述聚晶金刚石复合片和所述金刚石粒与地层相接触，并随着所述旋转主体一起旋转。这种钻头适应于硬地层和研磨性地层，钻进效果好，使用寿命长。

Description

孕镶金刚石和聚晶金刚石复合钻头

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别是涉及一种孕镶金刚石和聚晶金刚石复合钻头钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中用于破碎地层岩石的主要工具。通过钻头破碎地层岩石并由此而钻进来形成井眼。一个井眼形成得好坏、钻进所用时间的长短均与钻头的结构和性能有着密不可分的关系。

目前，常选用聚晶金刚石复合片(PDC)钻头来对地层进行钻进。这种钻头的切削能力较强，钻进速度快，并因此而受到越来越广泛的使用。然而，PDC钻头的耐冲击、耐磨损性能较差。因此，PDC钻头很容易失效，使用寿命较短。这对于硬地层和研磨性地层的钻进作业来说是非常不利的。

因此，需要一种使用寿命较长的钻头。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种使用寿命较长的钻头。这种钻头非常适用于硬地层和研磨性地层的钻进。

根据本发明提出了一种钻头，所述钻头包括旋转主体，在所述旋转主体的下端安装有聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体，所述孕镶金刚石柱体包括固定在所述旋转主体上的基体，以及嵌在所述基体上的所述金刚石粒，至少部分金刚石粒的一部分从所述基体的下端面凸出去，在钻进过程中，所述聚晶金刚石复合片和所述金刚石粒与地层相接触，并随着所述旋转主体一起旋转。

在钻进过程中，聚晶金刚石复合片能够快速而有效地对地层进行切削。同时，孕镶金刚石柱体中的金刚石粒能够支撑在地层上，并在地层上制造划痕。一方面，这使得聚晶金刚石复合片能够更加高效地切削地层。另一方面，这还能够避免聚晶金刚石复合片的损坏。因此，这种钻头的钻进效果更好，使用寿命更长。

在一个实施例中，所述金刚石粒的粒径在2.5mm至3mm之间。

在一个实施例中，制造所述基体的材料包括30％的粒径为80微米的碳化钨粉，30％的粒径为325微米的碳化钨粉、25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。

在一个实施例中，在所述孕镶金刚石柱体内，所述金刚石的含量为3.51克拉每立方厘米。

在一个实施例中，所述聚晶金刚石复合片的最下端比所述金刚石粒的最下端凸出1mm。

在一个实施例中，所述旋转主体包括沿着所述钻头的径向方向延伸的翼片，多个所述聚晶金刚石复合片沿着径向方向分布在所述翼片的下端，多个所述孕镶金刚石柱体沿着径向方向分布在所述翼片的下端，所述聚晶金刚石复合片和所述孕镶金刚石柱体在周向上间隔开地布置在所述翼片的下端。

在一个实施例中，针对单个翼片而言，所述翼片的位于所述孕镶金刚石柱体前侧的部分与所述翼片的位于所述孕镶金刚石柱体后侧的部分相比，其下端面更加凸出以靠近地层。

在一个实施例中，所述钻头包括多个翼片，多个翼片在周向方向上均匀间隔开。

在一个实施例中，所述多个翼片包括多个第一翼片和多个第二翼片，所述多个第一翼片和多个第二翼片相互间隔地在周向上均匀分布，所述第一翼片在径向方向上比所述第二翼片长，所述第一翼片的径向远端与所述第二翼片的径向远端在径向上对齐。

在一个实施例中，至少两个翼片上的聚晶金刚石复合片在径向方向上错开，以使所有的聚晶金刚石复合片的运动轨迹能覆盖要钻进的地层部分的整个表面，和/或至少两个翼片上的孕镶金刚石柱体在径向方向上错开，以使所有的孕镶金刚石柱体的运动轨迹能覆盖要钻进的底层部分的整个表面。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在钻进过程中，聚晶金刚石复合片能够快速而有效地对地层进行切削。同时，金刚石粒能够支撑在地层上，并在地层上制造划痕。一方面，这使得聚晶金刚石复合片能够更加高效地切削地层。另一方面，这还能够避免聚晶金刚石复合片的损坏。因此，这种钻头的钻进效果更好，使用寿命更长。

附图说明

在下文中参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明的一个实施方案的钻头的示意性结构；

图2显示了根据本发明的一个实施方案的钻头的截面示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1-2显示了根据本发明的钻头100的示意性结构。

钻头100可包括大体上呈圆柱形的旋转主体110。旋转主体110可受到驱动而围绕其轴线旋转。旋转主体110包括构造于其下端处的至少一个翼片，该至少一个翼片沿着径向方向延伸，并在周向上大体上均匀地间隔开。在该至少一个翼片的下端安装有聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体。聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体能够一起作用在地层上，以实现有效地切削、破碎地层。同时，这种钻头100具有较高的结构稳定性和较长的使用寿命。

在旋转主体110的下端处可设置有多个水眼180。水眼180相对均匀地分布在旋转主体110的下端上。

在一个优选的实施例中，设置有多个翼片。这些翼片包括沿径向方向上的长度较长的第一翼片120和沿径向方向上的长度较短的第二翼片130。例如在如图1所示的实施例中，设置有3个第一翼片120和3个第二翼片130。3个第一翼片120在周向方向上均匀地间隔开布置。3个第二翼片130在周向方向上均匀地间隔开布置，并与3个第一翼片120交替地布置。

在各个第一翼片120上，均设置有多个聚晶金刚石复合片140。这些聚晶金刚石复合片140设置在第一翼片120的前侧121，其一部分相对于第一翼片120的下端凸出，一部分相对于第一翼片120的前侧凸出。优选地，如图2所示，聚晶金刚石复合片140具有大体上呈矩形的截面，并且其相对于第一翼片120的下端倾斜一定角度。由此，在钻进过程中，聚晶金刚石复合片140相对于地层200倾斜一定角度，以其下端边角而与地层200相接合。在聚晶金刚石复合片140的前端面处设置有聚晶金刚石涂层141。

优选地，聚晶金刚石复合片140倾斜为其前端面与横向方向(即，地层200延伸的方向)之间的角度在70°至80°之间。

优选地，第一翼片120的前侧121与聚晶金刚石复合片140大体上平行。由此，可由第一翼片120的前侧121处沿着垂直于前侧121的方向钻孔以形成相应的容纳腔。聚晶金刚石复合片140可嵌在该容纳腔内。这种加工方式较为方便，且成本较低。

应当理解的是，聚晶金刚石复合片140本身的结构为本领域的技术人员所熟知的，在此不加赘述。本发明附有创造性地提出了这种聚晶金刚石复合片140结合到本发明中的钻头100上的设置方式。

如图1所示，在单个第一翼片120上可设置多个聚晶金刚石复合片140。这些聚晶金刚石复合片140沿径向方向间隔开地布置在第一翼片120的下端前侧。这样一方面可确保聚晶金刚石复合片140有效地固定在第一翼片120上；另一方面还能确保在钻进过程中地层200能如预期那样基本上被所有的聚晶金刚石复合片140所覆盖。也就是说，这些聚晶金刚石复合片140的旋转路径综合在一起能覆盖整个要被钻进的地层200。

另外，在第一翼片120上还可设置多个孕镶金刚石柱体160。多个孕镶金刚石柱体160在径向方向上彼此间隔开地布置在第一翼片120上。与上述针对聚晶金刚石复合片140的设置类似，这种设置有利于固定孕镶金刚石柱体160，并使得在钻进过程中地层200能如预期那样基本上被所有的孕镶金刚石柱体160所覆盖。

如图2所示，孕镶金刚石柱体160包括大体上呈圆柱形的基体161，以及镶嵌固定在基体161内的金刚石粒162。基体161嵌入到第一翼片120的下端中。优选地，基体161的下端相对于第一翼片120的下端向下凸出。嵌入在基体161内的金刚石粒162中的至少一部分处于基体161的下端处并向下凸出于基体161。由此，在钻进过程中，金刚石粒162能够与地层200相接触，以在地层200上形成划痕。

如图2所示，在单个第一翼片120上，聚晶金刚石复合片140相对于孕镶金刚石柱体160设置在前侧。这里的“前侧”是相当于第一翼片120的移动方向V而言的。

优选地，孕镶金刚石柱体160后侧的第一翼片120的下端面123比孕镶金刚石柱体160前侧的第一翼片120的下端面122高。通过这种设置，一方面，第一翼片120能尽可能稳定地保持住孕镶金刚石柱体160和聚晶金刚石复合片140。另一方面，能够使孕镶金刚石柱体160切削地层200所产生的碎末不会卡在第一翼片120与地层200之间，从而有利于确保旋转主体110顺畅地转动。

另外，还优选地，孕镶金刚石柱体160的最下端(即，其暴露出的金刚石粒161的最下端)比聚晶金刚石复合片140的最下端高，优选地高1mm。由此，聚晶金刚石复合片140可首先接触到地层200，并陷入到地层200内。如果聚晶金刚石复合片140陷入到地层200中的深度不大于聚晶金刚石复合片140与孕镶金刚石柱体160之间的上述高度差，那么仅聚晶金刚石复合片140切削地层200，而孕镶金刚石柱体160不对地层200进行切削。如果聚晶金刚石复合体140陷入到地层200中的深度到达、甚至超过聚晶金刚石复合片140与孕镶金刚石柱体160之间的上述高度差，那么，孕镶金刚石柱体160能够与聚晶金刚石复合片140一起切削地层200，以提高钻进速度。另外，通过孕镶金刚石柱体160支撑在地层200上，可避免聚晶金刚石复合片140进一步深陷到地层200中。同时，该支撑有利于改善聚晶金刚石复合片140与地层200之间的受力情况，削弱地层200对聚晶金刚石复合片140的冲击。由此，有利于避免聚晶金刚石复合片140的损坏。

在本发明中，金刚石粒162的直径(粒径)例如可在2.5mm至3mm之间。相对于小粒径(例如，0.5mm)的金刚石粒而言，这种金刚石粒162的粒径较大，能够有效地在地层200上形成较粗、较深的划痕。这有利于提高钻井作业的效率。

为了将这种直径较大的金刚石粒162固定在基体161上而不易脱落，可选用浓度约为80％的金刚石粒162。或者说，金刚石粒162在孕镶金刚石柱体160中的含量约为3.51克拉每立方厘米。

另外，为了使直径较大的金刚石粒162不易脱落，也可对基体161的制造材料进行改进。在本发明中，基体161的制造材料优选地包括30％的粒径为80微米的碳化钨粉，30％的粒径为325微米的碳化钨粉、25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。本发明中的这种基体161能够使金刚石粒162更加稳定地保持在其中。

下面将通过实验来说明本发明针对孕镶金刚石柱体的上述改进相对于现有技术所带来的优势。

在目前常用的用于切削作用的孕镶金刚石柱体(对比例)中，金刚石粒的粒径为0.5mm，金刚石浓度为100％。另外，其基体的制造材料通常为60％的粒径为80微米的碳化钨粉，25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。

在实施例1的孕镶金刚石柱体中，金刚石粒的粒径大约在2.5mm至3mm之间。金刚石的浓度保持为100％。基体的制造材料为60％的粒径为325微米的碳化钨粉，25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。在这种情况下，根据实现，该孕镶金刚石柱体的磨损速率与对比例中的磨损速率大致相似，或略高于对比例中的磨损速率。但是，该磨损速率仍然在实际工程作业的允许范围内。同时，在该实施例1中的孕镶金刚石柱体的钻进速率显著高于对比例中的钻进速率，大致能提高约15％。

在实施例2的孕镶金刚石柱体中，金刚石粒的粒径大约在2.5mm至3mm之间。金刚石的浓度为80％。基体的制造材料为30％的粒径为80微米的碳化钨粉，30％的粒径为325微米的碳化钨粉，25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。在这种情况下，根据实现，该孕镶金刚石柱体的磨损速率较优，明显低于对比例中的磨损速率，大致在对比例中的孕镶金刚石柱体的磨损速率的69％左右。同时，在该实施例1中的孕镶金刚石柱体的钻进速率显著高于对比例中的钻进速率，大致能提高约30％。

通过上述实验可有效地说明本发明的上述针对孕镶金刚石柱体的改进非常有利于提高钻头的钻进速度，同时还有利于确保钻头的结构稳定性。

应当理解的是，在第二翼片130上也可设置相应的聚晶金刚石复合片150和孕镶金刚石柱体170。具体的设置方式与上述第一翼片120上的聚晶金刚石复合片140和孕镶金刚石柱体170相似，在此不加赘述。

在此，应当注意的是，如图1所示，第二翼片130比第一翼片120要短。在此情况下，第二翼片130的径向远端与第一翼片120的径向远端对齐。通过第二翼片130的设置可使得地层200的相对径向靠外的部分所受到的切削更多、更加频繁。通过这种设置，有利于提高钻头100的钻进效率。

在一个优选的实施例中，不同的翼片上的聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体在径向方向上错开。例如，相邻的翼片上的聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体在径向方向上错开。在图1所示的实施例中，可以表现为第一翼片120上的聚晶金刚石复合片140与相邻的第二翼片130上的聚晶金刚石复合片150在径向方向上错开，即，他们转动时的旋转路径同心而不重合。相应地，第一翼片120上的孕镶金刚石柱体160与相邻的第二翼片130上的孕镶金刚石柱体170在径向方向上错开，即，他们转动时的旋转路径同心而不重合。

通过这种方式，能够使所有翼片上的所有聚晶金刚石复合片的旋转路径基本上覆盖要切削的整个地层200；使所有翼片上的所有孕镶金刚石柱体的旋转路径基本上覆盖要切削的整个地层200。通过这种设置方式能够确保地层200被有效地切削而形成井眼。

在本发明中，聚晶金刚石复合片可通过焊接的方式而固定在翼片上。对于强度和硬度较高的地层，可采用尺寸较小、数量较多的聚晶金刚石复合片来进行切削。由此能够在确保切削速度的同时，避免聚晶金刚石复合片的损坏。

在本发明中，可通过将金刚石粒混装于基体的制造材料中一起进行热压烧结而形成。然而，应当理解的是，根据需要，也可通过其他的方式而将金刚石粒固定到翼片上。

在这里，提供了两个钻头100的实施例，即，实施例3和实施例4。

实施例3

在地层200较硬时，钻头100具有6个翼片，即，3个第一翼片和3个第二翼片。聚晶金刚石复合片的直径为13mm。孕镶金刚石柱体的直径为15mm，高为20mm。该柱体的轴线平行于钻头100的轴线。孕镶金刚石柱体中的金刚石粒的直径为2.5-3mm。采用80％浓度的金刚石颗粒。基体的制造材料为30％的粒径为80微米的碳化钨粉，30％的粒径为325微米的碳化钨粉，25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。在旋转主体110的下端布置有6个水眼通道，分别用于安装3个13mm直径的喷嘴和3个16mm直径的喷嘴。

相对于常规钻头，本发明的钻头中的孕镶金刚石柱体能够在被切削的地层上形成较大尺寸的划痕和裂缝。这大大降低了聚晶金刚石复合片破碎硬地层的难度，可提高机械钻速30％以上。硬地层钻进时容易出现振动，孕镶金刚石柱体可承担部分冲击力，有效避免聚晶金刚石受到巨大冲击，提高聚晶金刚石复合片的寿命35％以上。

实施例4

在地层200的研磨性较强但硬度一般时，钻头100具有5个翼片。聚晶金刚石复合片的规格为16mm。孕镶金刚石柱体的直径为15mm，高为20mm。该柱体的轴线平行于钻头100的轴线。孕镶金刚石柱体中的金刚石粒的直径为2.5-3mm。采用80％浓度的金刚石颗粒。基体的制造材料为30％的粒径为80微米的碳化钨粉，30％的粒径为325微米的碳化钨粉，25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。。在旋转主体110的下端布置有6个水眼通道，分别用于安装6个13mm直径的喷嘴，以通过水力喷射的方式辅助破岩。

研磨性地层对聚晶金刚石复合片的磨损较为严重。当聚晶金刚石复合片磨损较多、例如磨损高度超过1mm时，孕镶金刚石柱体可以起到较为主要的破岩作用。在这种情况下，可正常地继续钻进，而避免了常规聚晶金刚石复合片钻头磨损后被迫起钻的情况。研磨性地层钻进时，相对常规聚晶金刚石复合片钻头寿命延长50％以上。

应当理解的是，在长期的钻进作业中，聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体不可避免地会存在一定磨损。然而，孕镶金刚石柱体中可均匀地分布着许多金刚石粒。随着基体受到磨损，会有新的金刚石粒暴露出来，并对地层进行切削。

应当理解的是，本文中所使用的方位用语“上”和“下”为相对概念。“上”为靠近井口一侧的方向，“下”为靠近井底一侧的方向。“上”和“下”的使用并不使得本发明中的钻头拘泥于用于竖直井段。

同样地，还用当理解的是，本文中所说的“纵向”为沿着钻井路径的方向。该路径并不限于实际的直线方向，也包含倾斜和水平的方向。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种钻头，所述钻头包括旋转主体，在所述旋转主体的下端安装有聚晶金刚石复合片和孕镶金刚石柱体，所述孕镶金刚石柱体包括固定在所述旋转主体上的基体，以及嵌在所述基体上的所述金刚石粒，至少部分金刚石粒的一部分从所述基体的下端面凸出去，在钻进过程中，所述聚晶金刚石复合片和所述金刚石粒与地层相接触，并随着所述旋转主体一起旋转。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述金刚石粒的粒径在2.5mm至3mm之间。

3.根据权利要求1或2所述的钻头，其特征在于，制造所述基体的材料包括30％的粒径为80微米的碳化钨粉，30％的粒径为325微米的碳化钨粉、25％的铜粉、10％的镍粉和5％的锰粉。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的钻头，其特征在于，在所述孕镶金刚石柱体内，所述金刚石的含量为3.51克拉每立方厘米。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的钻头，其特征在于，所述聚晶金刚石复合片的最下端比所述金刚石粒的最下端凸出1mm。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的钻头，其特征在于，所述旋转主体包括沿着所述钻头的径向方向延伸的翼片，多个所述聚晶金刚石复合片沿着径向方向分布在所述翼片的下端，多个所述孕镶金刚石柱体沿着径向方向分布在所述翼片的下端，所述聚晶金刚石复合片和所述孕镶金刚石柱体在周向上间隔开地布置在所述翼片的下端。

7.根据权利要求6所述的钻头，其特征在于，针对单个翼片而言，所述翼片的位于所述孕镶金刚石柱体前侧的部分与所述翼片的位于所述孕镶金刚石柱体后侧的部分相比，其下端面更加凸出以靠近地层。

8.根据权利要求6或7所述的钻头，其特征在于，所述钻头包括多个翼片，多个翼片在周向方向上均匀间隔开。

9.根据权利要求8所述的钻头，其特征在于，所述多个翼片包括多个第一翼片和多个第二翼片，所述多个第一翼片和多个第二翼片相互间隔地在周向上均匀分布，所述第一翼片在径向方向上比所述第二翼片长，所述第一翼片的径向远端与所述第二翼片的径向远端在径向上对齐。

10.根据权利要求8或9所述的钻头，其特征在于，至少两个翼片上的聚晶金刚石复合片在径向方向上错开，以使所有的聚晶金刚石复合片的运动轨迹能覆盖要钻进的地层部分的整个表面，和/或至少两个翼片上的孕镶金刚石柱体在径向方向上错开，以使所有的孕镶金刚石柱体的运动轨迹能覆盖要钻进的底层部分的整个表面。

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