CN115012851B - 具有pdc增强叶片的地质螺旋钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，涉及地质螺旋钻杆技术领域。具体包括螺旋状钻杆叶片；以及PDC切削端头，其分布在所述钻杆叶片边缘；所述PDC切削端头设有工作段和连接段，所述叶片边缘设有安装孔，连接段与安装孔配合连接，将PDC切削端头固定在叶片边缘。为了进一步提高叶片表面抵抗砂石的磨损性能，还可以将PDC切削端头布设在钻杆叶片表面。本发明通过在螺旋状钻杆叶片的边缘和表面，以向外延伸和向上下凸起的方式，引入聚晶金刚石复合片作为切削端头材质，可以实现叶片性能的强化，在钻进过程中对叶片形成有效保护。强化思路无需更换叶片材料，也不会对叶片的加工和焊接性能产生不利影响，具有更好的适用性和可操作性。

Description

具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆

技术领域

本发明属于地质螺旋钻杆技术领域，具体涉及一种具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆。

背景技术

在硬质岩层或煤层等深孔钻探时，往往需要用到地质螺旋钻杆。其工作原理是通过将钻机扭矩传递给钻头，实现钻进。同时，由于它具有排渣、钻孔成孔率高，不易卡钻的优势，是煤矿等地质钻探的首选。地质螺旋钻杆通常是以具有高扭矩的地质钻杆为基础，采用单螺旋叶片或双螺旋叶片，经预应力缠绕工艺加工焊接而成。螺旋叶片的设计使得其排渣性能显著提升，是进一步提升钻孔深度和效率的关键所在。但地质钻进过程中产生的渣土中存在一些高硬度的砂石，在排渣的过程中会对钻杆叶片产生冲击和磨损，导致叶片快速失效。因此，提高地质螺旋钻杆的叶片强度是直接影响地质螺旋钻杆服役寿命和工作效率的重要措施。

为了进一步提高地质螺旋钻杆叶片的强度，可以通过采用高强度材料和增加叶片厚度等方式来实现，但是叶片需要经过预应力缠绕工艺加工并采用焊接工艺与钻杆杆体连接。因此，高强度材料对加工性能和焊接性能的影响使得其材料选用限制很多。另一方面，叶片厚度增加同样受限于螺旋叶片与中心轴管之间的摩擦焊接加工要求。由此可见，叶片材料和厚度的改进空间有限。那么如何在不影响地质螺旋钻杆加工焊接前提下，实现螺旋叶片的强化，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，在不改变现有钻杆叶片材质及其加工焊接难度的前提下，通过合理的结构设计，在螺旋钻杆叶片的边缘和表面布设PDC切削端头来增强叶片的力学性能，从而实现高效排出砂石的同时对钻杆的钻进形成辅助，最终获得高效的岩层钻进。

本发明提供的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其采用的主要技术方案包括：

螺旋状钻杆叶片；

以及PDC切削端头，其分布在所述钻杆叶片边缘；所述PDC切削端头设有工作段和连接段，所述叶片边缘设有安装孔，连接段与安装孔配合连接，将PDC切削端头固定在叶片边缘；

沿钻杆由下到上，叶片边缘分布的所述PDC切削端头数量逐步递减。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的工作段外形为扁平的多边形，在钻杆叶片边缘呈螺旋方向延伸分布。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头延伸出钻杆叶片边缘的长度不超过3mm。

在一优选的实施方式中，所述钻杆叶片的表面设有PDC切削端头。

在一优选的实施方式中，所述钻杆叶片表面的PDC切削端头以钻杆轴杆为轴心，向钻杆叶片边缘呈放射线状分布，所述放射线状与钻杆钻进过程中砂土在叶片表面的运动轨迹一致。

在一优选的实施方式中，所述钻杆叶片表面的PDC切削端头突出钻杆叶片表面的高度不超过3mm。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的工作段横截面顶部具有不超过60度的收缩角。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的工作段横截面底部尺寸大于连接段横截面顶部尺寸。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的横截面上的任一方向上最大尺寸不超过5mm。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头材质为聚晶金刚石复合片，以金刚石微粒作为原料制备而成；所述金刚石微粒中，粒度在1微米以下的微粒占整体金刚石微粒含量的50％以上。

按照本发明提供的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的技术方案通过在螺旋状钻杆叶片的边缘和表面，以向外延伸和向上下凸起的方式，引入聚晶金刚石复合片作为切削端头材质，可以有效实现叶片性能的强化。基于钻进过程中叶片边缘与钻孔内壁之间的磨损以及叶片表面排渣过程中的砂石冲击磨损，在叶片边缘和表面对应位置设计了PDC切削端头的加固保护，利用PDC材料的高硬度和优异的耐磨性，可以提升叶片的力学性能，从而在钻进过程中对叶片形成有效保护。

2、本发明的技术方案在叶片的强化思路上，采用了局部微结构的改进，不需要进行叶片材料的更换，也无需制备新的叶片，更不会对叶片的加工和焊接性能产生不利影响，具有更好的适用性和可操作性。PDC切削端头可以通过钎焊的方式在叶片对应位置的安装孔进行固定处理，不改变叶片原有的材料和焊接性能，有助于降低叶片强化的成本，拓展其应用范围。另外，本发明思路对叶片材质无任何限定，即使对老旧叶片也可以有效加固，提高资源利用效率。

3、本发明的技术方案在PDC切削端头的结构设计和尺寸设计方面，兼顾了叶片整体力学性能、耐磨性能和排渣性能，具有长效作用能力。PDC切削端头的收缩角设计，以及其与叶片同样的螺旋排列，使得其切削性能得到进一步提升，从而提高叶片边缘的耐磨性能；PDC切削端头的小尺寸设计，使得其对叶片整体力学性能的影响更小，成本更低，钎焊也更为牢固。整体来看，以上设计可以使得PDC切削端头在兼顾叶片耐磨性能的同时，减少砂石的磨损，使得渣土通过更为流畅，进一步提升排渣效率，辅助实现高效钻进。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的PDC切削端头结构示意图。

图3是本发明的PDC切削端头的工作段横截面的第一种结构形式示意图。

图4是本发明的PDC切削端头的工作段横截面的第二种结构形式示意图。

图5是本发明的PDC切削端头的工作段横截面的第三种结构形式示意图。

主要附图标记说明：

1-钻杆，2-钻杆叶片，3-PDC切削端头，31-工作段，32-连接段，311-收缩角。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明实施例通过提供一种具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，解决现有技术中对于硬质地矿钻探时，地质螺旋钻杆叶片易被冲击和磨损的问题。

本发明中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

本发明提供的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，包括：

螺旋状钻杆叶片；

以及PDC切削端头，其分布在所述钻杆叶片边缘；所述PDC切削端头设有工作段和连接段，所述叶片边缘设有安装孔，连接段与安装孔配合连接，将PDC切削端头固定在叶片边缘；所述PDC为本领域行业的材料用语，指聚晶金刚石复合片；PDC切削端头指以聚晶金刚石复合片作为工作段材料；

沿钻杆由下到上，叶片边缘分布的所述PDC切削端头数量逐步递减；换言之，越靠近钻杆钻头的钻杆叶片边缘的PDC切削端头密度越大，越远离钻杆钻头的钻杆叶片边缘的PDC切削端头密度越小。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的工作段外形为扁平的多边形，在钻杆叶片边缘呈螺旋方向延伸分布，此设计可以有效将钻杆叶片外延，且PDC切削端头坚硬的材质在地质钻探过程中也可以给叶片更有效的保护。

在一优选的实施方式中，为确保叶片表面渣土的快速通过，达到排渣效果，任意两个PDC切削端头的工作段距离不低于10mm。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头延伸出钻杆叶片边缘的长度不超过3mm。

在一优选的实施方式中，所述钻杆叶片的表面设有PDC切削端头，优选的，所述PDC切削端头位于钻杆叶片朝向钻头方向的下表面，更优选的，所述PDC切削端头分别位于钻杆叶片上下两个表面。

在一优选的实施方式中，所述钻杆叶片表面的PDC切削端头以钻杆轴杆为轴心，向钻杆叶片边缘呈放射线状分布，所述放射线状与钻杆钻进过程中砂土在叶片表面的运动轨迹一致。

在一优选的实施方式中，所述钻杆叶片表面的PDC切削端头突出钻杆叶片表面的高度不超过3mm。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的工作段横截面顶部具有不超过60度的收缩角。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的工作段横截面底部尺寸大于连接段横截面顶部尺寸。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头的横截面上的任一方向上最大尺寸不超过5mm。

在一优选的实施方式中，所述PDC切削端头材质为聚晶金刚石复合片，以金刚石微粒作为原料制备而成；所述金刚石微粒中，粒度在1微米以下的微粒占整体金刚石微粒含量的50％以上；优选的，制备聚晶金刚石复合片时，所用触媒材料采用钴和镍中的至少一种材料。

下面通过具体实施例详细说明本申请的技术方案：

实施例一

参见图1，按照本发明提供的一种具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆1，钻杆叶片2的边缘设有PDC切削端头3，利用PDC切削端头的高耐磨性能实现对岩层的高效切削，实现快速排渣的同时，辅助钻头向深层钻进，以单位长度计算，越靠近钻杆钻头的钻杆叶片2边缘的PDC切削端头3密度越大，图1中，从下到上的钻杆叶片边缘安装的PDC切削端头3的数量越来越少，任两个PDC切削端头的距离不低于10mm，在提供有效保护的同时，还能确保叶片表面渣土的快速通过。

钻杆叶片2的边缘设有安装孔，参见图2，PDC切削端头3设有工作段31和连接段32，所述PDC材料位于工作段的上表面，作为钻进过程中与钻孔内表面的切屑辅助，连接段32与安装孔的连接方式可以采用本领域技术人员已知的任意方式，优选的，采用钎焊的方式配合连接，实现牢固连接。

PDC切削端头3中工作段31和连接段32的横截面形状不作限定，优选的，连接段32横截面为多边形，工作段31横截面底部尺寸大于连接段32横截面顶部尺寸，从而实现PDC切削端头3更牢固的连接在钻杆叶片2边缘，并使得PDC切削端头3的工作段始终位于叶片边缘的外部。进一步优选的，PDC切削端头3的工作段32外形为扁平的多边形，且钻杆叶片2边缘的PDC切削端头3沿着叶片2的螺旋方向排列，即PDC切削端头3组成螺旋状排列，使钻杆叶片向外延伸。

更优选的，PDC切削端头3的工作段32横截面具有不超过60度的收缩角311，该收缩角的设计可以利用应力集中实现对地层的高效切削，下述三种工作段32横截面形状，但需要说明的是，图3-5仅为PDC切削端头3的工作段32的示意形状，其他具有不超过60度的收缩角311的形状也在本发明的保护范围内。

参见图3，工作段32横截面为具有收缩角311的三角形；

参见图4，工作段32横截面为具有收缩角311的五边形；

参见图5，工作段32横截面为具有收缩角311的椭圆形。

为了进一步提高PDC切削端头3的工作段32收缩角的钻进效果，所述收缩角311指向与钻杆叶片2边缘在向下钻进过程中的指向一致，结合其与叶片边缘一致的螺旋状排列，可以辅助提高钻杆的钻进效率。

实施例二

为了进一步提高叶片表面抵抗砂石的磨损性能，还可以在钻杆叶片的表面设有PDC切削端头。优选的，钻杆叶片2朝向地层的表面也设有PDC切削端头3，由于钻杆叶片2朝向地层的表面是直接接受砂石冲击的表面，因此应该进行重点保护。进一步优选的，对于地层中砂石硬度大数量多的情况，还可以在钻杆叶片2的上下两个表面均设置PDC切削端头3，叶片表面对应的位置处设有安装孔进行配合连接。

在钻杆叶片2表面布设PDC切削端头3时，以钻杆轴杆为轴心，向钻杆叶片边缘呈放射线状分布。该放射弧的形状与钻杆钻进过程中砂土在叶片表面的运动轨迹一致，进而使得PDC切削端头在最大程度上实现对叶片的强化和保护。

为了兼顾耐磨性能提升和排渣效率，钻杆叶片2表面的PDC切削端头3突出钻杆叶片表面的高度不超过3mm。钻杆叶片2的边缘设有PDC切削端头3伸出钻杆叶片2边缘的长度不超过3mm。PDC切削端头3的横截面上的任一方向的最大尺寸不超过5mm。该小尺寸设计还使得PDC切削端头的成本显著降低，也使得叶片表面的安装孔不会对叶片本身的整体强度产生大的影响。

对于本发明技术方案中的PDC切削端头的聚晶金刚石复合片，其综合性能非常的重要。按照现有技术，PDC切削端头的聚晶金刚石复合片在高温高压条件下制备而成。制备过程中采用的金刚石微粒中粒度在1微米以下的占整体金刚石微粒含量的50％以上，优选的占比为70％或80％或90％；触媒材料采用钴和镍中的至少一种材料。PDC切削端头的连接段可以采用硬质合金制备。PDC切削端头的聚晶金刚石复合片厚度不超过1mm。以上设计均从成本和性能两方面坚固的角度入手，基于PDC材料的优异的耐磨性，可以显著提升叶片的耐磨性能和对钻进效率的有效促进。

本发明提供的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，通过局部微结构的改进，在叶片边缘和叶片表面引入聚晶金刚石复合片材料作为切削端头，来实现叶片的有效强化。由于不需要进行叶片材料的更换，也不会对叶片的加工和焊接性能产生不利影响，因此具有更好的适用性，可以进一步拓展地质螺旋钻杆的应用领域和提升其工作效率。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (6)

1.一种具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其特征在于，包括：

螺旋状钻杆叶片；

以及PDC切削端头，其分布在所述钻杆叶片边缘和叶片的表面；所述PDC切削端头设有工作段和连接段，所述叶片边缘设有安装孔，连接段与安装孔配合连接，将PDC切削端头固定在叶片边缘；

所述PDC切削端头的工作段外形为扁平的多边形，在钻杆叶片边缘呈螺旋方向延伸分布；

所述钻杆叶片表面的PDC切削端头以钻杆轴杆为轴心，向钻杆叶片边缘呈放射线状分布，所述放射线状与钻杆钻进过程中砂土在叶片表面的运动轨迹一致；

所述PDC切削端头的工作段横截面底部尺寸大于连接段横截面顶部尺寸；

沿钻杆由下到上，叶片边缘分布的所述PDC切削端头数量逐步递减。

2.如权利要求1所述的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其特征在于，所述PDC切削端头延伸出钻杆叶片边缘的长度不超过3mm。

3.如权利要求1所述的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其特征在于，所述钻杆叶片表面的PDC切削端头突出钻杆叶片表面的高度不超过3mm。

4.如权利要求1-3任意一项所述的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其特征在于，所述PDC切削端头的工作段横截面顶部具有不超过60度的收缩角。

5.如权利要求1-3任意一项所述的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其特征在于，所述PDC切削端头的横截面上的任一方向上最大尺寸不超过5mm。

6.如权利要求1-3任意一项所述的具有PDC增强叶片的地质螺旋钻杆，其特征在于，所述PDC切削端头材质为聚晶金刚石复合片，以金刚石微粒作为原料制备而成；所述金刚石微粒中，粒度在1微米以下的微粒占整体金刚石微粒含量的50％以上。

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