CN117188979B - 一种具有子母齿结构的钻齿、制作方法以及钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有子母齿结构的钻齿、制作方法以及钻头，涉及地质钻探技术领域，包括由硬质合金制成的母齿以及由CVD金刚石制成、圆柱形的子齿，母齿具有用于切割岩层的切削区域，切削区域内设置有焊接槽；在钻齿的径向方向上，焊接槽的截面为优弧弓形或圆形形状；子齿焊接在焊接槽内；本发明通过在硬质合金制成的母齿上设置优弧弓形或圆形的焊接槽，并在焊接槽内孕焊子齿，使子齿的一半以上被母齿进行包裹，可以提高CVD金刚石与硬质合金的连接强度。同时，在钻齿的切削区域设置CVD金刚石的子齿，可以明显提高钻齿切削区域的耐磨性，大幅度提升钻齿的性能和使用寿命。

Description

一种具有子母齿结构的钻齿、制作方法以及钻头

技术领域

本发明涉及地质钻探技术领域，特别是涉及一种具有子母齿结构的钻齿、制作方法以及钻头。

背景技术

公知的地质钻头的钻齿主要有聚晶金刚石复合片（PDC金刚石）钻齿、粉末冶金孕镶金刚石钻齿和硬质合金钻齿等。深井钻进的钻头主要采用PDC金刚石复合片制作钻齿，钻齿的性能直接决定了钻进效率和服役寿命，对于深井钻探、取芯过程中，井下高温（超过300℃）、高速冲击、磨粒磨损、腐蚀等多因素耦合形成的复杂环境，将导致PDC热腐蚀和机械破损、磨损严重，特别是当钻进深度超过6000米，钻进效率会降低50%以上。

目前围绕如何提高地质钻头性能主要展开了两方面的研究工作，一是对PDC钻齿成分进行改良；二是对钻头整体结构设计进行优化。

在对PDC钻齿成分进行改良时，对掺杂0.5%纳米碳化钒的细粒（0-2μm）多晶金刚石进行烧结，发现掺杂碳化钒的样品硬度和抗冲击性分别为66.65GPa和160J，相对未掺杂样品提高了8.7%和100%。同时由于硬度较大的碳化钒占据了聚晶金刚石中钴的空间，有效提升了其耐磨性。

此种方式从改善PDC金刚石添加剂角度入手，提升聚晶金刚石的耐磨性能，但性能提升有限。无法从根本上解决PDC材料存在的金刚石易脱落、强度和韧性差等缺点，钻齿磨损依旧严重。

申请号为202310786831.5的中国专利公开了一种新型喙形齿多刀翼PDC钻头，钻头基体布局水眼、刀翼和牙齿，采用周向40°均匀分布九刀翼的设计方案，各刀翼前后排交错布置喙形PDC主齿和副齿，工作过程中，主齿刺入-劈裂、副齿剪切共同破岩。多刀翼的设计平衡了井底岩石与刀翼的受力分布，有效降低了单位时间牙齿的磨损量。

这项技术是从钻头的整体结构入手，对钻齿的排布进行改善，钻齿本身仍沿用传统的PDC钻齿，一定程度上解决了钻头切削部位磨损严重及进齿慢等技术问题，但钻齿本身的性能并没有提高。

申请号为201710447313.5的中国专利公开了一种针对坚硬打滑地层的金刚石复合钻头，该钻头由刚体和孕镶块切削刀翼组成，刀翼的唇面具有坡度且加工出波纹形沟槽，在刀翼切削端镶嵌一层PCD金刚石切削条或CVD金刚石切削条，通过合理排布金刚石切削条和孕镶金刚石，加以运用胎体与金刚石硬度的差异性，提高了钻头寿命和钻进效率。

该技术中金刚石镶嵌在钻头的侧面，不作为钻进的主切削刃口，主要用于保持钻孔的直径。金刚石切削条不需要制作一定锋利的切削刃口。

上述工作对地质钻头的性能有一定程度的提升，但无法大幅度提升钻头的钻探能力来满足深井钻探要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有子母齿结构的钻齿、制作方法以及钻头，以解决现有技术存在的问题，攻克了CVD金刚石在钻齿上难以应用的技术难题，可以明显提高钻齿切削区域的耐磨性，大幅度提升钻齿的性能和使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种具有子母齿结构的钻齿，包括由硬质合金制成的母齿以及由CVD金刚石制成、圆柱形的子齿，所述母齿具有用于切割岩层的切削区域，所述切削区域内设置有焊接槽，所述子齿焊接在所述焊接槽内；在所述钻齿的径向方向上，所述焊接槽的截面为优弧弓形或圆形形状，当所述焊接槽的截面为优弧弓形时，所述子齿的外侧圆弧面和所述母齿的圆弧面重合，当所述焊接槽的截面为圆形形状，所述子齿的圆弧面与所述母齿的圆弧面内切。

优选的，所述子齿设置有1个或1个以上，当子齿设置1个以上时，若干所述子齿的直径相同或者不同，当若干所述子齿的直径相同时，若干所述子齿均匀分布在所述切削区域内，当若干所述子齿的直径不同时，若干所述子齿分布在所述切削区域内，且直径较大的所述子齿设置在所述切削区域内磨损程度高的位置。

优选的，所述子齿的端面与所述母齿的端面平齐。

优选的，相邻所述子齿之间的间距为D，满足 2×（R1+R2）≥D≥R1+R2，R1和R2分别为相邻所述子齿的半径。

优选的，所述子齿的切削刃口做倒棱处理，倒棱角度为10°~30°。

本发明还公开一种具有子母齿结构的钻齿的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在母齿上加工焊接槽；

S2：将CVD金刚石加工成圆柱形的子齿；

S3：将子齿放入焊接槽内，并放入焊粉，在真空条件下进行焊接。

优选的，S1中采用电火花刻蚀工艺加工焊接槽；S2中采用激光切割工艺加工子齿。

本发明还公开一种钻头，包括沿圆周向均匀设置的若干刀翼，所述刀翼上设置有若干如上述的钻齿，若干所述钻齿在圆周方向上的投影互补，所述钻头上若干所述钻齿中所述子齿在圆周方向上的投影互补。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过在硬质合金制成的母齿上设置优弧弓形或圆形的焊接槽，并在焊接槽内孕焊CVD金刚石制成的子齿，子齿的大部分被母齿进行包裹，可以提高CVD金刚石与硬质合金的连接强度，攻克了CVD金刚石在钻齿上难以应用的技术难题。同时，在钻齿的切削区域设置CVD金刚石的子齿，可以明显提高钻齿切削区域的耐磨性，大幅度提升钻齿的性能和使用寿命，对深地的硬质岩层的钻进将产生重大突破，带来巨大经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为全孕焊等径子齿的钻齿结构示意图；

图2为半孕焊等径子齿的钻齿结构示意图；

图3为全孕焊不等径子齿的钻齿结构示意图；

图4为半孕焊不等径子齿的钻齿结构示意图；

图5为半孕焊一个子齿钻齿结构示意图；

其中，1、母齿；2、子齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有子母齿结构的钻齿、制作方法以及钻头，以解决现有技术存在的问题，攻克了CVD金刚石在钻齿上难以应用的技术难题，可以明显提高钻齿切削区域的耐磨性，大幅度提升钻齿的性能和使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1~图5所示，本实施例提供一种具有子母齿结构的钻齿，包括由硬质合金制成的母齿1以及由CVD金刚石制成、圆柱形的子齿2，母齿1具有用于切割岩层的切削区域，切削区域内设置有1个或多个焊接槽。本实施例中母齿1在未开设焊接槽之前为圆柱形，焊接槽的轴向平行于母齿1轴向。在钻齿的径向方向上，焊接槽的截面为优弧弓形，优弧弓形中弧线所对应的圆心角大于180°，焊接槽的开口自母齿1表面外露，弧形形状对应的圆心角大于180°，子齿2的截面形状与焊接槽的截面形状适配，子齿2的外侧圆弧面和母齿1的圆弧面重合。或者焊接槽的截面为圆形形状，子齿2同样为圆柱形，子齿2焊接完成后与母齿1的表面相内切。子齿2焊接在焊接槽内。当焊接槽为1个时，焊接槽的结构只能为优弧弓形。本实施例通过在硬质合金制成的母齿1上设置优弧弓形或圆形的焊接槽，并在焊接槽内孕焊CVD金刚石制成的子齿2，子齿2的一半以上被母齿1进行包裹，可以提高CVD金刚石与硬质合金的连接强度，攻克了CVD金刚石在钻齿上难以应用的技术难题。同时，在钻齿的切削区域设置CVD金刚石的子齿2，可以明显提高钻齿切削区域的耐磨性大幅度提升钻齿的性能和使用寿命，对深地的硬质岩层的钻进将产生重大突破，带来巨大经济效益和社会效益。

本实施例中母齿1采用YG6硬质合金，直径为10mm~30mm，高度为5mm~50mm。圆柱形的子齿2高度为2mm~5mm，直径为4mm~10mm。子齿2的高度较小会影响其焊接的总面积，进而影响焊接强度；直径较大则会导致焊接后产生较大的热应力，进而影响其使用性能。

本实施例中的子齿2可以设置为1个，也可以设置2个或2个以上。当设置子齿2的数量为2个或2个以上时，子齿2的直径相同或者不同，当若干子齿2的直径不同时，直径较大的子齿2设置在钻齿磨损程度高的位置。无论子齿2的直径相同或者不同，令相邻子齿2之间的间距为D，则需要满足 2×（R1+R2）≥D≥R1+R2，R1和R2分别为相邻子齿2的半径。

本实施例中子齿2的端面与母齿1的端面平齐。

本实施例中子齿2的切削刃口做倒棱处理，倒棱角度为10°~30°，倒棱宽度0.05mm~0.3mm。子齿2的倒棱部分是钻齿的主要切削刃口。

实施例2：

本实施例公开一种具有子母齿结构的钻齿的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在母齿1上加工焊接槽；

S2：将CVD金刚石加工成圆柱形的子齿2；

S3：将子齿2放入焊接槽内，并放入焊粉，在真空条件下进行焊接。

S1中采用电火花刻蚀工艺加工焊接槽；S2中采用激光切割工艺加工子齿2。

以下通过几种不同结构钻齿的具体加工示例对本实施例中钻齿的制作方法进行详细描述。

示例1：

制作齿径Φ19mm、全孕焊5子齿2等径的钻齿。

第一步：选厚度4mm以上的CVD金刚石，在金刚石平磨机上一面磨平、另一面磨光，磨光的一面达到镜面级别，并使CVD金刚石厚度达到4mm。

第二步：采用YAG激光器把第一步做出的CVD金刚石切出五个直径4.4mm、高4mm的圆柱体子齿2，并清洗干净。

第三步：选择一块YG6硬质合金圆柱体作为母齿1的坯料，坯料直径23mm、高度20mm。在坯料上表面用电火花刻蚀加工出5个直径4.4mm、深度4mm的圆柱形焊接槽，相邻焊接槽圆心的距离4.7mm，每个焊接槽的圆心与硬质合金圆柱体的圆心之间的距离7.3mm，做好后清洗干净。

第四步：将子齿2和适量的银铜钛焊粉放入母齿1的焊接槽内，子齿2的亮面一端朝上。子齿2和母齿1上用一个厚度0.2mm的氧化铝陶瓷片压住，陶瓷片上方压一个100g的重物。然后把这个整体放入真空炉中。

第五步：抽真空至2×10-3Pa，加热升温至860℃，保温1小时，然后缓慢降温2小时至200℃以下，关机。

第六步：取出已焊接的子母钻齿初级样块，除掉上表面的陶瓷片，若有陶瓷片被焊料焊接在上表面上，可用超细金刚石砂轮在专用金刚石工具磨床上磨掉，并保持上表面平整光滑。以母齿1的圆柱中心轴为旋转轴，用金刚石专用磨床磨削母齿1外圆至直径Φ19mm。

第七步：用金刚石专用磨床对母齿1圆柱体的上面边缘做倒棱处理，倒棱与上表面夹角10°，倒棱宽度0.2mm。

第八步：检测、打标、包装。

完成直径Φ19mm、高度20mm、等径五子齿2、全孕焊子母齿结构的钻齿的制作，钻齿结构如图一所示。

示例2：制作齿径Φ16mm、半孕焊5子齿2等径的子母齿结构的钻齿。

第一步：同示例1第一步

第二步：同示例1第二步

第三步：同示例1第三步

第四步：同示例1第四步

第五步：同示例1第五步

第六步：取出已焊接的子母钻齿初级样块，除掉上表面的陶瓷片，若有陶瓷片被焊料焊接在上表面上，可用超细金刚石砂轮在专用金刚石工具磨床上磨掉，并保持上表面平整光滑。

以母齿1的圆柱中心轴为旋转轴，用金刚石专用磨床磨削母齿1外圆至直径Φ16mm。

第七步：同示例1的第七步。

第八步：同示例1的第八步。

得到直径Φ16mm、高度20mm、等径五子齿2、半孕焊子母齿结构的钻齿，钻齿结构如图二所示。

示例3：制作齿径Φ16mm、高度20mm、非等径4子齿2、全孕焊子母齿结构的钻齿。

第一步：选厚度3mm以上CVD金刚石，在金刚石平磨机上一面磨平、另一面磨光，磨光的一面达到镜面级别，并使金刚石厚度达到3mm。

第二步：采用YAG激光器把第一步做出的CVD金刚石分别切出两个直径5mm、高3mm的圆柱体子齿2和两个直径4mm、高3mm的子齿2，并清洗干净。

第三步：选择一块YG6硬质合金圆柱体作为母齿1的坯料，直径18mm、高度20mm。在坯料上表面用电火花刻蚀分别加工出2个直径5mm、深度3mm的圆柱形焊接槽和2个直径4mm、深度3mm的焊接槽。相邻焊接槽不相交，每个焊接槽的外侧圆弧与直径16mm的母齿1同心圆相内切；做好后清洗干净。

第四步：将4个子齿2分别放入相对应的焊接槽内并添加适量焊料，子齿2的亮面一端朝上。母齿1和子齿2上用一个厚度0.2mm的氧化铝陶瓷片压住，陶瓷片上方压一个100g的重物，然后把整体放入真空炉中。

第五步：同示例1第五步。

第六步：取出已焊接的子母钻齿初级样块，除掉上表面的陶瓷片，若有陶瓷片被焊料焊接在上表面上，可用超细金刚石砂轮在专用金刚石工具磨床上磨掉，并保持上表面平整光滑。以母齿1的圆柱中心轴为旋转轴，用金刚石刀具专用磨床磨削母齿1外圆至直径Φ16mm。

第七步：同示例1的第七步。

第八步：同示例1的第八步。

得到直径Φ16mm、高度20mm、非等径四子齿2、全孕焊的子母齿结构的钻齿，钻齿结构如图三所示。

示例4：制作齿径Φ13mm、半孕焊4子齿2非等径子母齿结构的钻齿。

第一步：同示例3第一步。

第二步：同示例3第二步。

第三步：同示例3第三步。

第四步：同示例3第四步。

第五步：同示例3第五步。

第六步：取出已焊接的子母钻齿焊接的样块，除掉上表面的陶瓷片，若有陶瓷片被焊料焊接在上表面上，可用超细金刚石砂轮在专用金刚石工具磨床上磨掉，并保持上表面平整光滑。以母齿1的圆柱中心轴为旋转轴，用金刚石刀具专用磨床磨削母齿1外圆至直径Φ13mm。

第七步：同示例3第七步

第八步：同示例3第八步

得到直径Φ13mm、高度20mm、非等径四子齿2的半孕焊子母齿结构的钻齿，钻齿结构如图四所示。

示例5：制作一个子齿2、半孕焊的子母齿结构的钻齿。

按照以上步骤，可制作母齿1直径13mm，高度20mm的，一个子齿2直径10.0mm、半孕焊的子母齿结构的钻齿，钻齿结构如图五所示。

实施例3：

本实施例公开一种钻头，包括沿圆周向均匀设置的若干刀翼，刀翼上设置有若干如上述的钻齿，若干钻齿在圆周方向上的投影互补，钻头上若干钻齿中子齿2在圆周方向上的投影互补，保证钻头旋转一周时，子齿2能够将圆周范围内的岩石进行切除，也可以对母齿1进行保护，提高钻进效率，延长钻头的使用寿命。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种具有子母齿结构的钻齿，其特征在于，包括由硬质合金制成的母齿以及由CVD金刚石制成、圆柱形的子齿，所述母齿具有用于切割岩层的切削区域，所述切削区域内设置有焊接槽，所述子齿利用真空焊接工艺焊接在所述焊接槽内；在所述钻齿的径向方向上，所述焊接槽的截面为优弧弓形或圆形形状，当所述焊接槽的截面为优弧弓形时，所述子齿的外侧圆弧面和所述母齿的圆弧面重合，当所述焊接槽的截面为圆形形状，所述子齿的圆弧面与所述母齿的圆弧面内切。

2.根据权利要求1所述的具有子母齿结构的钻齿，其特征在于，所述子齿设置有1个或1个以上，当子齿设置1个以上时，若干所述子齿的直径相同或者不同，当若干所述子齿的直径相同时，若干所述子齿分布在所述切削区域内，当若干所述子齿的直径不同时，若干所述子齿分布在所述切削区域内，且直径较大的所述子齿设置在所述切削区域内磨损程度高的位置。

3.根据权利要求1所述的具有子母齿结构的钻齿，其特征在于，所述子齿的端面与所述母齿的端面平齐。

4.根据权利要求2所述的具有子母齿结构的钻齿，其特征在于，相邻所述子齿之间的间距为D，满足 2×（R1+R2）≥D≥R1+R2，R1和R2分别为相邻所述子齿的半径。

5.根据权利要求1所述的具有子母齿结构的钻齿，其特征在于，所述子齿的切削刃口做倒棱处理，倒棱角度为10°~30°。

6.如权利要求1~5任意一项所述的具有子母齿结构的钻齿的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在母齿上加工焊接槽；

S2：将CVD金刚石加工成圆柱形的子齿；

S3：将子齿放入焊接槽内，并放入焊粉，在真空条件下进行焊接。

7.根据权利要求6所述的具有子母齿结构的钻齿的制作方法，其特征在于，S1中采用电火花刻蚀工艺加工焊接槽；S2中采用激光切割工艺加工子齿。

8.一种钻头，其特征在于，包括沿圆周向均匀设置的若干刀翼，所述刀翼上设置有若干如权利要求1~5任意一项所述的钻齿，若干所述钻齿在圆周方向上的投影互补，所述钻头上若干所述钻齿中所述子齿在圆周方向上的投影互补。