[发明专利]一种旋转钻井钻头及制造方法

说明书

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；