CN210164432U - 聚晶金刚石复合片钻头及具有该钻头的石油钻井设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了聚晶金刚石复合片钻头及具有该钻头的石油钻井设备。一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钢体接头和胎体冠部，胎体冠部设置有轴向延伸的多个主刀翼，胎体冠部的后端面上设置有向后凸出的连接块，连接块的侧周设置有围绕轴线的多个外壁平面，钢体接头的前端面上设置有与连接块形状匹配的连接槽，连接块插入连接槽内并过盈配合，后端面与前端面相互贴合，连接块的侧周设置有内定位孔，钢体接头的侧周对应位置设置有贯穿至连接槽内的外定位孔，还包括穿过外定位孔并插入内定位孔的定位件。同时解决了两个方向的连接问题。提高了钻头整体机械性能，节约了钻头生产成本，提高了钻井队钻进效率，具有显著的经济和社会效益。

Description

聚晶金刚石复合片钻头及具有该钻头的石油钻井设备

技术领域

本实用新型涉及石油设备领域，特别是涉及一种聚晶金刚石复合片钻头。此外，本实用新型还涉及一种具有该钻头的石油钻井设备。

背景技术

聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)利用具有极高硬度的聚晶金刚石复合片作为钻头的切削齿，具有很高的破岩效率和钻进速度，目前是石油钻井领域应用最为广泛的钻头工具。PDC钻头钢体接头和胎体冠部两部分，利用碳化钨合金粉末烧结的办法制成胎体冠部，然后与钢体接头对焊成钻头整体。

由于钢体接头和胎体冠部为分体设置的，需要解决连接和密封的问题，现有技术下，一般是采用螺纹连接的方式，然后再通过焊接的方式将连接处缝隙焊死，保证钢体接头和胎体冠部之间形成牢固的密封连接。而螺纹连接存在一个明显的缺陷，即钻头与螺杆钻具在井下工作时，其旋转方式就是周向旋转，钢体接头和胎体冠部的连接方式也是周向螺纹连接方式，就容易造成胎体冠部在高压高冲击的恶劣环境下因小的扭力而造成松脱甚至落井的问题。虽然钢体接头和胎体冠部之间还有焊接层，但是由于焊层只是在缝隙表层浅浅的焊接，并没有实现真正的冶金结合，再加上井下工况极其恶劣，磨损严重，被磨掉之后连接效果薄弱。

同时，碳化钨合金硬度非常高，进行螺纹加工是十分困难的，通过3D打印技术制造胎体冠部时，虽然可以打印出螺纹的形状，但是3D打印无法直接打印出符合精度要求的螺纹，需要经过机加工才能获得高精度螺纹。但是由于胎体材料本身的脆性，该螺纹无法承受太大的拉力，最终造成胎体冠部螺纹失效。

因此，如何提供一种稳定传递扭矩和拉力，提高稳定性和机械性能的聚晶金刚石复合片钻头是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种聚晶金刚石复合片钻头，通过连接块结构及定位件稳定传递扭矩和拉力，方便加工，提高稳定性和机械性能。本实用新型的另一目的是提供一种包括上述钻头的石油钻井设备。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钢体接头和胎体冠部，所述胎体冠部设置有轴向延伸的多个主刀翼，所述胎体冠部的后端面上设置有向后凸出的连接块，所述连接块的侧周设置有围绕轴线的多个外壁平面，所述钢体接头的前端面上设置有与所述连接块形状匹配的连接槽，所述连接块插入所述连接槽内并过盈配合，所述后端面与所述前端面相互贴合，所述连接块的侧周设置有内定位孔，所述钢体接头的侧周对应位置设置有贯穿至所述连接槽内的外定位孔，还包括穿过所述外定位孔并插入所述内定位孔的定位件。

优选地，多个所述内定位孔分别设置于多个所述外壁平面上，多个所述外定位孔分别设置于所述连接槽的内壁平面上，所述内定位孔和所述外定位孔均沿径向延伸。

优选地，所述钢体接头前端的侧周设置有分别对应多个所述主刀翼的多个延长刀翼，对应的所述主刀翼和所述延长刀翼连接成整体。

优选地，包括均匀设置的六个所述主刀翼和六个所述延长刀翼。

优选地，所述连接块具体为正六棱柱，包括连续设置的六个所述外壁平面，所述连接槽对应设置六个所述内壁平面。

优选地，所述外壁平面对应相邻两个所述主刀翼之间的间隙设置，所述内定位孔设置于所述外壁平面中部，所述内壁平面对应相邻两个所述延长刀翼之间的间隙设置，所述外定位孔设置于相邻两个所述延长刀翼之间的间隙，并贯穿至所述内壁平面中部。

优选地，所述胎体冠部为3D打印一体式成型。

优选地，所述定位件的末端与所述外定位孔的外端口焊接。

优选地，所述后端面和所述前端面之间设置有通过电磁感应加热形成的熔融金属密封层。

本实用新型提供一种石油钻井设备，包括聚晶金刚石复合片钻头，所述聚晶金刚石复合片钻头具体为上述任意一项所述的聚晶金刚石复合片钻头。

本实用新型提供一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钢体接头和胎体冠部，胎体冠部设置有轴向延伸的多个主刀翼，胎体冠部的后端面上设置有向后凸出的连接块，连接块的侧周设置有围绕轴线的多个外壁平面，钢体接头的前端面上设置有与连接块形状匹配的连接槽，连接块插入连接槽内并过盈配合，后端面与前端面相互贴合，连接块的侧周设置有内定位孔，钢体接头的侧周对应位置设置有贯穿至连接槽内的外定位孔，还包括穿过外定位孔并插入内定位孔的定位件。

通过设置连接块连接的方式，并设置定位孔，插入定位件固定连接，既能承受轴向的拉力，又能承受周向的扭力，同时解决了两个方向的连接问题。彻底避免了加工螺纹，克服螺纹连接存在的问题，系统的可靠性好，胎体冠部被钢体接头所包裹，将钢体接头的韧性与胎体冠部的强度相结合，提高了钻头整体机械性能。节约了钻头生产成本，提高了钻井队钻进效率，还有效减少了对自然资源的消耗，具有显著的经济和社会效益。

本实用新型还提供一种包括上述钻头的石油钻井设备，由于上述钻头具有上述技术效果，上述石油钻井设备也应具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。

附图说明

图1为本实用新型所提供的聚晶金刚石复合片钻头的一种具体实施方式的爆炸示意图；

图2为本实用新型所提供的聚晶金刚石复合片钻头的一种具体实施方式的另一视角爆炸示意图。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种聚晶金刚石复合片钻头，通过连接块结构及定位件稳定传递扭矩和拉力，方便加工，提高稳定性和机械性能。本实用新型的另一核心是提供一种包括上述钻头的石油钻井设备。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，图1为本实用新型所提供的聚晶金刚石复合片钻头的一种具体实施方式的爆炸示意图；图2为本实用新型所提供的聚晶金刚石复合片钻头的一种具体实施方式的另一视角爆炸示意图。

本实用新型具体实施方式提供一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钢体接头1和胎体冠部2，胎体冠部2设置有轴向延伸的多个主刀翼23，钢体接头1连接石油钻井设备的一端为后端，连接胎体冠部2的一端为前端，胎体冠部2连接钢体接头1的一端为后端，另一端为前端。胎体冠部2的后端面上设置有向后凸出的连接块21，连接块21的侧周设置有围绕轴线的多个外壁平面，钢体接头1的前端面上设置有与连接块21形状匹配的连接槽11，即连接槽11的侧周设置有围绕轴线的多个内壁平面，分别与外壁平面一一对应，连接块21插入连接槽11内并过盈配合，相对应的外壁平面与内壁平面接触配合，同时连接块21的高度和连接槽11的深度满足配合要求，使连接块21能够完成插入连接槽11内，进而使后端面与前端面相互贴合。连接块21的侧周设置有内定位孔22，钢体接头1的侧周对应位置设置有贯穿至连接槽11内的外定位孔12，安装时定位件3穿过外定位孔12并插入内定位孔22。其中，定位件3可以是销钉，也可采用其他类型的插入件实现轴向定位防掉落。

通过设置连接块21连接的方式，并设置定位孔，插入定位件3固定连接，通过定位件3承受轴向的拉力，通过连接块21与连接槽11的配合承受周向的扭力，同时解决了两个方向的连接问题。彻底避免了加工螺纹，克服螺纹连接存在的问题，系统的可靠性好，胎体冠部2被钢体接头1所包裹，将钢体接头1的韧性与胎体冠部2的强度相结合，提高了钻头整体机械性能。节约了钻头生产成本，提高了钻井队钻进效率，还有效减少了对自然资源的消耗，具有显著的经济和社会效益。

进一步地，为了提高连接的稳定性，将多个内定位孔22分别设置于多个外壁平面上，多个外定位孔12分别设置于连接槽11的内壁平面上，内定位孔22和外定位孔12均沿径向延伸，也可将定位孔设置于相邻两个平面的交界处，或调整定位孔的延伸方向，均在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型具体实施方式提供的聚晶金刚石复合片钻头中，在钢体接头1前端的侧周设置有轴向延伸的多个延长刀翼13，分别对应多个主刀翼23，且主刀翼23的断口与后端面平齐，延长刀翼13的断口与前端面平齐，使对应的主刀翼23和延长刀翼13连接成整体，形成一个完整的刀翼，这样使得整个钻头结合了钢体接头1的韧性与胎体冠部2的强度，获得一种优异的耐磨损、抗冲击性能。具体地，均匀设置有六个主刀翼23和六个延长刀翼13。

进一步地，连接块21具体为正六棱柱，正六棱柱的轴线与钻头的轴线重合，因此包括连续设置的六个外壁平面，对应地，连接槽11为一个正六棱槽，包括连续设置的六个内壁平面。当然，相邻的两个平面之间可以设置过渡圆角，除了采用六边形，也可为八边形、十边形或十二边形等其他多边形，相应调整其他部件即可。

为了提供良好的安装空间，外壁平面对应相邻两个主刀翼23之间的间隙设置，内定位孔22设置于外壁平面中部，内壁平面对应相邻两个延长刀翼13之间的间隙设置，外定位孔12设置于相邻两个延长刀翼13之间的间隙，并贯穿至内壁平面中部，因此设置六个定位件3即可对应全部定位孔完成连接，通过上述布置方式，使定位件3能够隐藏于两个延长刀翼13之间的间隙，防止干涉。

在本实用新型具体实施方式提供的聚晶金刚石复合片钻头中，胎体冠部2为3D打印一体式成型，采用3D打印的方式可以实现任何结构的成形，端面磨光比加工螺纹容易的多。另外，3D打印的方式需要消耗的胎体原材料较有内螺纹结构设计的钻头冠部的材料要少的多，这样既能节约原材料，降低生产成本，又能同时兼得胎体冠部2的高强度以及钢体接头1的高韧性，提升钻头体的整体抗冲击性及机械性能，延长钻头使用寿命，提高钻井队钻进效率。也可采用热压成型的胎体冠部，也可以是分体式的钢体冠部，均可以采用上述连接方式连接。

在上述各具体实施方式提供的聚晶金刚石复合片钻头的基础上，定位件3的末端与外定位孔12的外端口焊接，后端面和前端面之间设置有熔融金属密封层。其中，熔融金属密封层可以为钎焊层，即由熔融的钎焊条熔融后冷却形成。

具体加工方式为：采用3D打印增材制造技术，打印出胎体冠部2，连接块21的六方形外壁平面及端面可以采用平面磨适当磨光即可，内定位孔22无需单独加工，3D打印时直接成型。

采用机加工的方式加工出钢体接头1的基体，前端的延长刀翼13、连接槽11的内六方内壁平面及端面采用磨削加工适当磨光，外定位孔12尺寸与内定位孔22尺寸一致。

将胎体冠部2的后端面布满焊条，为后续胎体冠部2及钢体接头1的钎焊做准备。

利用感应加热的方式，将钢体接头顶部1加热，因为钢的热膨胀系数好，加热后的钢体接头1有一定的膨胀，利用热镶的原理，将布满焊条的胎体冠部2压入钢体接头1内，并插入销钉，然后将销钉的末端与外定位孔12的外端口焊接。

将连接好的钢体接头1和胎体冠部2再进行钎焊，位于前端面和后端面之间的焊条充分熔融后，形成钎焊层，最终使得钻头冠部2与钢体接头1之间的缝隙实现牢固的密封连接。可以采用电磁感应加热的方式进行钎焊，其加热原理是通过线圈的电磁感应效应，使得线圈磁感应线范围内的钢体部分加热，其他部分不会加热，且方便控制加热区域和加热时间，与其他钎焊方式相比，上述方式应用在钻头钎焊领域更加方便，也可采用炉内钎焊的方式，只要能够使得端面的焊条充分熔融并实现端面的冶金结合即可。当然也可采用机械密封方式，图套装密封圈或密封环等。

除了上述聚晶金刚石复合片钻头，本实用新型的具体实施方式还提供一种包括上述钻头的石油钻井设备，该石油钻井设备其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本实用新型所提供的聚晶金刚石复合片钻头及具有该钻头的石油钻井设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种聚晶金刚石复合片钻头，包括钢体接头(1)和胎体冠部(2)，所述胎体冠部(2)设置有轴向延伸的多个主刀翼(23)，其特征在于，所述胎体冠部(2)的后端面上设置有向后凸出的连接块(21)，所述连接块(21)的侧周设置有围绕轴线的多个外壁平面，所述钢体接头(1)的前端面上设置有与所述连接块(21)形状匹配的连接槽(11)，所述连接块(21)插入所述连接槽(11)内并过盈配合，所述后端面与所述前端面相互贴合，所述连接块(21)的侧周设置有内定位孔(22)，所述钢体接头(1)的侧周对应位置设置有贯穿至所述连接槽(11)内的外定位孔(12)，还包括穿过所述外定位孔(12)并插入所述内定位孔(22)的定位件(3)。

2.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，多个所述内定位孔(22)分别设置于多个所述外壁平面上，多个所述外定位孔(12)分别设置于所述连接槽(11)的内壁平面上，所述内定位孔(22)和所述外定位孔(12)均沿径向延伸。

3.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述钢体接头(1)前端的侧周设置有分别对应多个所述主刀翼(23)的多个延长刀翼(13)，对应的所述主刀翼(23)和所述延长刀翼(13)连接成整体。

4.根据权利要求3所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，包括均匀设置的六个所述主刀翼(23)和六个所述延长刀翼(13)。

5.根据权利要求4所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述连接块(21)具体为正六棱柱，包括连续设置的六个所述外壁平面，所述连接槽(11)对应设置六个内壁平面。

6.根据权利要求5所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述外壁平面对应相邻两个所述主刀翼(23)之间的间隙设置，所述内定位孔(22)设置于所述外壁平面中部，所述内壁平面对应相邻两个所述延长刀翼(13)之间的间隙设置，所述外定位孔(12)设置于相邻两个所述延长刀翼(13)之间的间隙，并贯穿至所述内壁平面中部。

7.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述胎体冠部(2)为3D打印一体式成型。

8.根据权利要求1所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述定位件(3)的末端与所述外定位孔(12)的外端口焊接。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述后端面和所述前端面之间设置有熔融金属密封层。

10.一种石油钻井设备，包括聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于，所述聚晶金刚石复合片钻头具体为权利要求1至9任意一项所述的聚晶金刚石复合片钻头。

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