[发明专利]超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头及其制备方法

说明书

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头及其制备方法，钻头工作部的水口内竖直交替分布有多个第一阻泥浆结构和多个第二阻泥浆结构；第一阻泥浆结构和第二阻泥浆结构上位于钻头内径侧和钻头外径侧分别设有贯通U型槽和矩形孔，U型槽内设有阻水片；钻头工作部的外水道和内水道与中间流道连通，无论是正循环还是反循环，钻井液均能够顺利通过，在内齿间第一层加强或者内齿间第二层加强刚好完全磨损时，第二阻泥浆结构上的或者第一阻泥浆结构上的贯通U型槽的U型口处仅有的连接点被磨损殆尽，阻水片自动脱落，并在泵压下沿钻头径向向外被推出，生成新水口。

技术领域

本发明涉及地质钻探、油气钻井领域，特别涉及一种超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头及其制备方法。

背景技术

钻头是钻探技术中必不可少的重要组成部分，钻头的效率和寿命直接影响整个钻探的周期、成本和效果。在钻探的所有消耗清单中钻头是用量最大物件之一，钻头的使用寿命直接决定着钻探起下钻频次，其钻进效率和寿命共同决定钻探的台月效率和钻进周期。为此，国内外专业技术人员分别从钻头的金刚石材料、胎体材料配方、制备工艺和钻头切削齿结构等入手，开展了大量的研究，近十几年取得了较大的进步，较大幅度提高钻头的整体性能。然而，美中不足的是钻头的寿命和效率仍然没有达到人们理想的要求。材料方面，孕镶金刚石钻头切削齿胎体工作层材料的主要作用是包裹单晶金刚石，承载着来自于金刚石切削岩石的各种应力，胎体工作层材料主要包括骨架粉末，浸渍合金和一些微量元素等其它材料。但是，现有钻头胎体工作层的脆性较大，其齿的高度受到了较大限制，目前世界上报道最高工作层胎体高度26mm,设置有三层水口。然而，钻孔深度越深，对钻头的寿命要求越迫切。因此，在深孔钻探中，长寿命钻头对于减少起下钻换钻头次数、延长钻头的纯钻进时间、提高钻探台月效率和降低钻探成本具有十分重要的作用。为此，国内外学者和工程师想方设法提高钻头的寿命，其中增加孕镶金刚石钻头的切削齿高度是优先想到的解决措施。

在国外，瑞典研制的Golden Jet孕镶金刚石钻头，该钻头切削齿高度为16mm，切削齿的宽度较宽利于保持较高的强度，同时，其内开槽构形可以有效分散泥浆，使泥浆更好的冷却和润滑钻头，但是因钻头的冷却和泥浆的循环也限制了其胎体高度；加拿大研制出的CULCAN—26型钻头，该钻头切削齿高度高达26mm，在齿间设置有加强筋，其目的是用来强化高胎体强度，此钻头解决了钻头胎体强度的问题，但是泥浆的携粉能力较弱，易出现岩屑重复破碎现象，同时对泵量要求较高；美国研制的Ultramatrix钻头，设计了3层水口，增加了钻头切削齿的高度，该钻头能够在第一层水口磨损完后，第二层水口继续发挥作用，以此类推，在整个钻头的寿命期间一直保证钻头的冷却与排屑，但是这种形式未能从根本上解决钻头冷却问题及泥浆携粉能力的问题。

国内。中国地质调查局北京探矿工程研究所研制的，切削齿高度为16mm。西安煤炭科学研究院研制的双层水口钻头，切削齿高度达22mm，钻进寿命提高了近一半。吉林大学研制的自再生水口钻头，第二层、第三层水口为隐藏型水口，这些水口空间在出来之前用石墨材料占用，当第一层水口快要结束时，第二层的隐藏水口会逐渐出露并能在极短的时间内快速形成新的水口，但此种方式在理论上可行，实际工作中水口并没有按照理论设想中的及时出露。此外，无锡地质装备公司研制了高胎体加强筋孕镶金刚石钻头，该钻头切削齿高度为16mm，该钻头的使用寿命提高幅度基本上达到常规切削齿高度钻头的2倍以上。

纵观国内外高胎体钻头现状，目前存在三大技术难题：一是制作超高工作层这种复杂结构的胎体配方及加工工艺，在制作超高工作层孕镶金刚石钻头时，为保证其钻头切削齿强度，在结构上要采用相对复杂的结构来保证其强度，如果制作复杂结构的钻头，首要解决的就是胎体配方和加工工艺方法问题；二是超高工作层钻头齿强度问题，随着钻头胎体的增高，钻头单个切削齿的强度在降低，因切削齿的强度限制了钻头胎体的高度；三是胎体增高而面临的钻头冷却及泥浆携粉能力的问题，随着胎体高度的提高，水口高度也在变大，因水口较高，泥浆会趋向于阻力小的方向流动，因此大部分泥浆会从孔底上部分水口(齿根部水口)进行循环，我们称之为“假循环”，“假循环”的存在降低了钻头的冷却能力及泥浆携粉能力。