一種旋轉鉆井鉆頭及制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種石油、地質鉆探鉆井用旋轉鉆頭，尤其涉及一種旋轉鉆井鉆頭及制造方法。
【背景技術】
[0002]目前，常用于石油、地質鉆探鉆井用旋轉鉆頭包含兩類:一種為牙輪鉆頭，牙輪鉆頭體有牙掌和牙輪，牙掌和牙輪為鋼材加工而成，鉆頭體和牙輪通過旋轉軸承為一配合體，牙輪上的切削齒堆焊有耐磨合金(或鑲有碳化鎢切削齒)，牙掌上同樣堆焊有耐磨合金或鑲有耐磨材料(如碳化鎢等)。牙輪鉆頭能夠使用于軟、中軟，中、中硬、硬、極硬等各種地層的鉆井中。
[0003]另一種為固定切削齒鉆頭，稱作“固定翼刮刀鉆頭”，或稱“刮刀PDC鉆頭”;切削齒為超硬材料，稱為:聚晶金剛石復合片，簡稱roc齒，圓柱形的PDC齒釬焊在固定刮刀上的齒穴內，這種鉆頭以剪切方式切削地層，這種鉆頭由API接頭與鉆柱相連，用于旋轉鉆井，如:轉盤鉆井，頂驅鉆井，井底馬達鉆井等；以旋轉方式工作的刮刀PDC鉆頭通過PDC齒剪切地層，形成井眼。
[0004]旋轉鉆頭體可以用鋼材直接加工，也可以由胎體材料形成。胎體材料形成的鉆頭體包含三種材料:鉆頭基體材料、硬粒子材料和粘結合金，其中，鉆頭基體材料一般采用鋼材，硬粒子材料一般采用碳化鎢，粘結合金一般采用銅合金，這種胎體鉆頭比鋼體鉆頭的表面抗研磨和抗沖蝕，但比鋼體鉆頭體的強度和韌性更低，所以降低了鉆頭的使用范圍。在沖擊載荷較大的鉆井作業中，這種胎體鉆頭可能出現胎體脆性斷裂(在高頻沖擊載荷作用下)，發生這種故障是一種嚴重的事故，因為刮刀斷裂、鉆頭體破裂需要停鉆更換鉆頭(或處理井下事故)，處理這類事故費用很高。
[0005]因此，提高胎體鉆頭韌性和強度來降低鉆井過程出現胎體鉆頭脆性斷裂是有效的方法，能夠增加胎體鉆頭的使用范圍。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種具有高韌性和高強度的旋轉鉆井鉆頭及制造方法。
[0007]本發明通過以下技術方案來實現上述目的:
[0008]一種旋轉鉆井鉆頭，包括API接頭和鉆頭體，所述鉆頭體包括冠部，所述冠部的頂端為多個刮刀，所述刮刀上安裝有PDC齒，所述冠部包括復合胎體材料，所述復合胎體材料包括硬粒子材料和合金材料，所述硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、氮化物、硼化物和氧化物，所述合金材料為鎳基合金、銅基合金或鈷基合金。
[0009]具體地，所述銅基合金為銅-鎳-鋅或銅-錳-錫合金；所述鈷基合金為鈷-鎳-鋁合金；所述碳化物或硼化物為由化學元素鎢、鑰、鈦、釩、鈮、鉻、鋁或硅形成的碳化物或硼化物。
[0010]優選地，所述硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、碳化鈦、二硼化鈦、氮化鈦、碳化釩、三氧化二鋁、氮化鋁和氮化硼中的部分或全部。
[0011]根據應用需要，所述碳化鎢為WC和W2C的混合材料，或者為鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢或大粒結晶碳化鎢。
[0012]一種旋轉鉆井鉆頭的制造方法，采用五軸加工銑床加工，其模具內腔由模具和模具內的鉆頭體內腔流體通道及面槽噴嘴通道構成，所述模具外設有保護套和保護套蓋，模具內腔包括上內腔和下內腔；在下內腔內填充復合胎體材料，熔融或燒結后再冷卻，形成鉆頭體的冠部；在上內腔內填充兩種或兩種以上的胎體材料、合金材料和鋼材，熔融或燒結后再冷卻，形成API接頭。
[0013]優選地，在上內腔和下內腔之間填充有鋼材形成管狀的鋼芯，鋼芯具有靠近下內腔一端的環形的內表面和外表面。
[0014]形成鋼芯的鋼材為低碳鋼或合金鋼。
[0015]鋼芯上加工有用于防止鋼芯移動和轉動的刮刀插塊。
[0016]進一步，在上內腔和下內腔之間填充合金鋼材料，通過熔融或燒結后再冷卻，形成一體式鋼體鉆頭體；復合胎體材料通過堆焊、敷焊、等離子噴焊或熱噴涂工藝形成鋼體鉆頭的冠部。
[0017]本發明的有益效果在于:
[0018]傳統旋轉鉆井鉆頭的胎體材料成分比較單一，本發明所述旋轉鉆井鉆頭的鉆頭體冠部采用復合胎體材料，在抗沖蝕性、抗研磨性方面得到明顯提高，同時在彈性變形、安全性和抗脆裂性方面得到加強，提高了旋轉鉆井鉆頭的綜合性能，增強了旋轉鉆井鉆頭的安全性，拓寬了旋轉鉆井鉆頭的使用范圍。采用本發明所述方法制造旋轉鉆井鉆頭，由于在模具外增加了保護套，所以大大降低了鉆頭燒結過程容易出現模具燒漏的不安全事故，能夠提高安全生產效率，保證大尺寸鉆頭的供貨及時率，降低生產成本，提高經濟效益。
【附圖說明】
[0019]圖1-1是本發明所述旋轉鉆井鉆頭的主視軸向剖視圖之一，圖中只示出了鉆頭一半的結構；
[0020]圖1-2是本發明所述旋轉鉆井鉆頭的仰視圖之一，與圖1-1對應；
[0021]圖2-1是本發明所述旋轉鉆井鉆頭制造過程中的主視軸向剖視圖之一，圖中只示出了一半的結構；
[0022]圖2-2是本發明所述旋轉鉆井鉆頭制造過程中的主視軸向剖視圖之二，圖中只示出了一半的結構；
[0023]圖2-3是本發明所述旋轉鉆井鉆頭制造過程中的主視軸向剖視圖之三，圖中只示出了一半的結構；
[0024]圖3-1是本發明所述旋轉鉆井鉆頭的主視軸向剖視圖之二，圖中只示出了鉆頭一半的結構；
[0025]圖3-2是本發明所述旋轉鉆井鉆頭的仰視圖之二，與圖3-1對應；
[0026]圖4-1是本發明所述旋轉鉆井鉆頭的主視軸向剖視圖之三，圖中只示出了鉆頭一半的結構；
[0027]圖4-2是本發明所述旋轉鉆井鉆頭的仰視圖之三，與圖4-1對應。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0029]說明:本發明提到的材料成分，指的是材料的化學成分和顯微結構；換一種說法，有相同化學成分的材料，但顯微結構不同可以考慮有不同的材料成分。
[0030]如圖1-1、圖1-2、圖3-1、圖3-2、圖4-1和圖4_2所示，本發明所述旋轉鉆井鉆頭包括API接頭8和鉆頭體10，鉆頭體10包括冠部(見圖中的15、210和310)，冠部的頂端為多個刮刀，刮刀33上安裝有I3DC齒55，冠部包括復合胎體材料，復合胎體材料包括硬粒子材料和合金材料，硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、氮化物、硼化物和氧化物，合金材料為鎳基合金、銅基合金或鈷基合金。更具體地，銅基合金為銅-鎳-鋅或銅-錳-錫合金；鈷基合金為鈷-鎳-招合金；碳化物或硼化物為由化學元素鶴、鑰、鈦、fL、鈮、鉻、招或娃形成的碳化物或硼化物；硬粒子材料包括金剛石、碳化鎢、碳化鈦、二硼化鈦、氮化鈦、碳化釩、三氧化二鋁、氮化鋁和氮化硼中的部分或全部；碳化鎢為WC和W2C的混合材料，或者為鑄造碳化鎢、燒結碳化鎢或大粒結晶碳化鎢。
[0031]如圖2-1和圖2-2，本發明所述旋轉鉆井鉆頭的制造方法，作為其中一種鉆頭的加工模具結構，與圖1-1對應，用三維鉆頭設計數據模型，經計算機程序轉換的加工文件，采用五軸加工銑床加工，其模具內腔110由模具100和模具100內的鉆頭體內腔流體通道及面槽噴嘴通道108構成，模具100外設有保護套102和保護套蓋104，模具內腔110包括上內腔125和下內腔120 ;復合胎體材料由A箭頭方向裝入，在下內腔120內填充復合胎體材料，熔融或燒結后再冷卻，形成鉆頭體10的冠部；在上內腔125內填充兩種或兩種以上的胎體材料、合金材料和鋼材，熔融或燒結后再冷卻，形成API接頭8 ;在上內腔125和下內腔120之間填充有鋼材形成管狀的鋼芯，見圖1-1中的鋼芯13，形成鋼芯的鋼材為低碳鋼或合金鋼；加工后的鉆頭如圖1所示，鋼芯13具有靠近下內腔一端的環形的內表面18和外表面16，環形的內表面18和外表面16共同形成用于防止鋼芯移動和轉動的刮刀插塊；本專業的技術人員能夠通過現有專業技術，就能夠生產市場需求的旋轉鉆井鉆頭，也可稱為刮刀roc鉆頭。
[0032]如圖2-3所示，作為另一種鉆頭的加工模具結構，與圖4-1對應，模具內腔130為一個整體，由于與上述圖2-2中分