CN113802989B - 超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头及其制备方法

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。

2019年主要发明人发明了“一种岩石切削工具的低温胎体浸渍材料及其制备方法”，其专利号为201910297863.2，公开了一种钻头无压浸渍烧结法用的低温胎体浸渍材料配方，该配方大大降低了钻头的烧结温度，能够极大地减轻高温对单晶金刚石性能的负面影响，此发明中的低温胎体浸渍材料与无压浸渍法结合，能够轻松烧制出结构复杂的孕镶金刚石钻头，该发明使烧制高质量的超高工作层胎体孕镶金刚石钻头成为可能，此配方和无压浸渍法解决了目前超高工作层钻头研究的三大问题之一：胎体配方和加工工艺方法问题，此发明也是本发明的工作基础。

同年，主要发明人还发明了“一体式切削齿孕镶金刚石钻头”其专利号为201921748695.6，公开了一种超高工作层胎体一体化的钻头结构形式以及制备方法，此专利旨在解决超高工作层孕镶金刚石钻头切削齿的强度问题，通过胎体一体化的形式，将钻头单齿通过加强的方式使钻头切削齿相互连接，将切削齿的“单兵作战”变为“整体作战”极大的提高了钻头切削齿的强度以及钻头的整体性，但是此种结构形式的钻头对泵量要求较高，虽然能够解决钻头切削齿强度的问题，但是泥浆“假循环”的问题仍然没有解决。

上述两个专利解决了目前超高工作层钻头面临的三大技术难题之二：胎体配方和加工工艺方法、超高工作层单齿强度问题，本发明在此工作基础上进行钻头泥浆循环研究，旨在解决第三个技术难题：泥浆“假循环”问题，提高超高工作层孕镶金刚石钻头的冷却效果以及泥浆携粉能力。使超高工作层孕镶金刚石钻头能够在常规钻进条件下正常钻进，最终达到“一钻头一孔”的目的。

发明内容

为了解决上述难题，本发明的目的是提供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，在保证切削齿的整体强度的情况下，保证钻头的正常冷却，泥浆能够正常循环，孔底干净，避免岩屑的重复破碎，解决“假循环”问题，以达到在钻进过程中快速、平稳和长时间钻进，实现一只钻头一个钻孔的目标，大大缩短钻孔周期和降低钻探成本。

本发明所提供的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头与传统钻头有相同的骨架、钢体及钻头工作部，这里我们将其称为钻头主体，本发明除钻头主体外另增加了阻泥浆结构。本发明主要通过阻泥浆结构来解决目前高胎体钻头存在的钻头冷却不好，携粉能力弱的问题，阻泥浆结构的存在使钻头的水口随着钻头的磨损而逐级出露，从根本上解决“假循环”问题，提高钻头的冷却效果和携粉能力，减少孔底岩屑的重复破碎，进一步提高钻头的使用寿命。

为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，包括钢体及连接在钢体上端的钻头工作部；

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为中空立方体，第一阻泥浆结构和第二阻泥浆结构中空内部构成中间流道；

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；阻水片中心与内齿间第一层加强中心在一条直线上，

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；

钻头工作部上相邻两个水口内依次交替分布有内齿间第一层加强和内齿间第二层加强，第二阻泥浆结构上表面与内齿间第一层加强上表面齐平，第一阻泥浆结构上表面与内齿间第二层加强上表面齐平；

内齿间第一层加强与内齿间第二层加强之间纵向距离不小于3mm，内齿间第一层加强上表面与切削齿上表面不平齐，外齿间第一层加强上表面与切削齿上表面平齐，外齿间第一层加强下表面与内齿间第一层加强下表面平齐，外齿间第二层加强与内齿间第二层加强平齐；

第一层外保径和第一层内保径分别设置在与内齿间第一层加强平齐的切削齿上，第二层外保径和第二层内保径分别设置在与内齿间第二层加强平齐的切削齿上；

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。

层加强的层数大于等于2层，具体层数的确定要根据钻孔的深度和岩石研磨性来确定，总体而言，层加强的层数越多钻头工作部的高度越大。

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头的制备方法，所使用的制备模具包括：钻头底模具，钻头底模具与钻头心模同心胶粘固定，水道替块均匀分布在钻头底模具与钻头心模间的环状空间内，内保径聚晶金刚石胶粘于钻头心模外壁，外保径聚晶金刚石胶粘于钻头底模具内壁；弱化槽石墨片通过3D减材加工工艺设置于钻头底模具与钻头心模其间的环状空间的底面位置上；

该制备方法包括如下步骤：

第一步，混料；按照计算称取各胎体粉料和单晶金刚石颗粒放置在准备好的容器中，按照比例倒入乙二醇液体搅拌混合，使金刚石、胎体粉料和乙二醇液体形成一种粘稠的固液两相流态混合物；

第二步，装料；将混合好的流态混合料均匀倒入钻头底模具、钻头心模和弱化槽石墨片间的空隙中，并填满该空隙充实无气泡；在最上层加入3-10mm的无单晶金刚石的过度层，过度层料需要干混；

第三步，放钢体；将钢体对中放到装好过度层料上，在钢体的内、外侧倒入适量过度层料，使钢体进入过度层料内深度3-8mm；

第四步，烘干；在钢体与钻头底模具间放入适量低温浸渍金属，并放在干燥炉中230℃环境中挥发干净；

第五步，采用无压法烧结；烧结温度930℃，以240℃/min的升温速度持续升温，到达930℃后保持30-100min,待低温浸渍金属从心模与钢体间渗出，然后以60℃/min的速度缓慢冷却至550℃，然后自然冷却至室温。

本发明的有益效果：

本发明通过增加胎体高度，大大提高钻头使用寿命，减少起下钻作业，进而减少钻进成本，提高纯钻进时间、钻进效率以及钻进利润；

通过安装交替的层加强结构以及齿单元加强筋结构(简称桥结构)使钻头每个切削齿以及每个齿单元与钻头主体形成一个整体，增加齿的抗剪强度，避免断齿情况发生，通过阻泥浆结构的交替排布、阻水片随着钻头特定位置的磨损而逐一脱落，形成交替式渐开型水口结构，可以有效的减少泥浆从钻头齿根部位的流失，相较于其他高胎体钻头而言，相同条件下可以更好的冷却钻头，提高泥浆的携粉能力，降低岩屑的重复破碎，进一步提高钻头的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的立体示意图。

图2是第一阻泥浆结构和第二阻泥浆结构在钻头工作部中交替分布的分解示意图。

图3是本发明实施例中内齿间第一层加强磨损后的阻水结构渐开式水口第一层水口出露的超高工作层胎体孕镶金刚石钻头立体示意图。

图4是本发明实施例中内齿间第二层加强磨损后的阻水结构渐开式水口第二层水口出露的超高工作层胎体孕镶金刚石钻头立体示意图。

图5是本发明实施例中内齿间第三层加强磨损后的阻水结构渐开式水口第三层水口出露的超高工作层胎体孕镶金刚石钻头立体示意图。

图6是本发明实施例中内齿间第四层加强磨损后的阻水结构渐开式水口第四层水口出露的超高工作层胎体孕镶金刚石钻头立体示意图。

图7是本发明实施例中三层齿间加强渐开型水口超高工作层胎体孕镶金刚石钻头模具组装的三维结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，包括钢体1及连接在钢体1上端的钻头工作部；

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19和多个第二阻泥浆结构20；

第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20为中空立方体，第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20中空内部构成中间流道18，第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20其尺寸随钻头工作部径向厚度的变化而不断改变，壁厚为1mm左右，壁厚随钻进工况的泵压变化而变化，泵压较大的工况下壁厚随之增加；

第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20上位于钻头内径侧和钻头外径侧分别设有贯通U型槽29和矩形孔30，U型槽29内设有阻水片31；阻水片31中心与内齿间第一层加强12中心在一条直线上，阻水片31的长度大于12mm；阻水片31的长度由齿间内、外层加强的高度决定，一般情况下：阻水片31的上边缘高于内外加强层上边缘3mm，阻水片31下边缘低于齿间内外层加强下边缘3mm。以保证在钻头钻进过程中不出现憋泵的情况。

贯通U型槽29和矩形孔30采用线切割技术进行切割，其中贯通U型槽29为在第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20的钻头内测切割成U型，槽宽0.2mm，理论上槽宽越小越好，开槽越窄泥浆流失越少，阻挡泥浆效果越明显，U型槽29长度与同一水口内两个层加强之间距离相等；

钻头工作部的外水道2和内水道17与中间流道18连通，无论是正循环还是反循环，钻井液均能够顺利通过；

钻头工作部上相邻两个水口内依次交替分布有内齿间第一层加强12和内齿间第二层加强13，第二阻泥浆结构20上表面与内齿间第一层加强12上表面齐平，第一阻泥浆结构19上表面与内齿间第二层加强13上表面齐平；

内齿间第一层加强12与内齿间第二层加强13之间纵向距离不小于3mm，内齿间第一层加强12上表面与切削齿上表面不平齐，外齿间第一层加强25上表面与切削齿上表面平齐，外齿间第一层加强25下表面与内齿间第一层加强12下表面平齐，外齿间第二层加强26与内齿间第二层加强13平齐；

第一层外保径3和第一层内保径21分别设置在与内齿间第一层加强12平齐的切削齿上，第二层外保径4和第二层内保径22分别设置在与内齿间第二层加强13平齐的切削齿上；

在内齿间第一层加强12或者内齿间第二层加强13刚好完全磨损时，第二阻泥浆结构20上的或者第一阻泥浆结构19上的贯通U型槽29的U型口处仅有的连接点被磨损殆尽，阻水片31自动脱落，并在泵压下沿钻头径向向外被推出，生成新水口。

在外齿间第一层加强25未完全磨损之前，第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20的存在改变了泥浆循环路径：泥浆要流经内水道17、中间流道18和外水道2；在外齿间第一层加强25完全磨损之后，泥浆循环路径与常规钻头相同。

更进一步而言，所述的切削齿包括设置在内齿单元7、中间齿单元8和外齿单元9，内齿单元7与中间齿单元8和中间齿单元8与外齿单元9间设有弱化槽10，内齿单元7、中间齿单元8和外齿单元9上连接有齿单元加强筋11。

更进一步而言，所述的第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20采用的材料硬度小于胎体的硬度，可以为铜，铁，铝等材料在正常泵压下既能阻挡泥浆，使其不出现“假循环”情况，又能保证脱落后不影响钻头的正常钻进。

更进一步而言，所述的内水道17深度为1mm，内水道17宽度与水口宽度一致，其深度根据具体施工情况而定，泵量较大时为防止憋泵内水道17深度可以适当增加。

本专利中以5个内齿间加强和4个外齿间加强示例说明；

内齿间第一层加强12、内齿间第二层加强13、内齿间第三层加强14、内齿间第四层加强15、内齿间第五层加强16、外齿间第一层加强25、外齿间第二层加强26、外齿间第三层加强27、外齿间第四层加强28将每个切削齿连接起来形成一个环形整体，极大地加强了钻头切削齿的整体强度，当单个切削齿或齿单元受到异常高的剪切阻力时，其它切削齿或齿单元通过内齿间第一层加强12、内齿间第二层加强13、内齿间第三层加强14、内齿间第四层加强15、内齿间第五层加强16、外齿间第一层加强25、外齿间第二层加强26、外齿间第三层加强27、外齿间第四层加强28和齿单元加强筋11分担大部分载荷，使单切削齿或齿单元避免遭受到非正常破坏；内齿间第一层加强12、内齿间第二层加强13、内齿间第三层加强14、内齿间第四层加强15、内齿间第五层加强16、外齿间第一层加强25、外齿间第二层加强26、外齿间第三层加强27、外齿间第四层加强28的高度和厚度根据钻头的尺寸、单齿和齿单元尺寸确定，一般高度为3-20mm，内齿间第一层加强12、内齿间第二层加强13、内齿间第三层加强14、内齿间第四层加强15、内齿间第五层加强16、外齿间第一层加强25、外齿间第二层加强26、外齿间第三层加强27、外齿间第四层加强28的厚度一般为3-15mm；所述的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头内齿加强的数量与外齿加强数量均不小于2个，除内齿间第一层加强12与外齿间第一层加强25外，其他内齿加强与外齿间加强一一对应，即在同一平面上，且内齿间第一层加强12与内齿间第二层加强13之间距离不小于3mm，即内齿间第一层加强12下表面与内齿间第二层加强13上表面之间距离不小于3mm，内齿间第二层加强13与内齿间第三层加强14之间距离不小于3mm，内齿间第三层加强14与内齿间第四层加强15之间距离不小于3mm，内齿间第四层加强15与内齿间第五层加强16之间距离不小于3mm；

第一层外保径3和第一层内保径21设置在与内齿间第一层加强12平齐的切削齿内、外径表面上，第二层外保径4和第二层内保径22设置在与外齿间第二层加强26平齐的切削齿内、外径表面上，第三层外保径5和第三层内保径23设置在与外齿间第三层加强27平齐的切削齿内、外径表面上，第四层外保径6和第四层内保径24设置在与钢体1顶端平齐的切削齿内、外径表面上；内、外保径的层数与外齿加强的数量相等，单个切削齿上第一层外保径3和第一层内保径21的数量不大于第二层外保径4和第二层内保径22的数量，以此类推，最后一层的内外保径数量最多。

使用过程：

所述的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，其钻进磨损过程有四个阶段：

第一阶段，从新钻头钻进到内齿间第一层加强12刚好未磨损，该阶段随着钻头的磨损泥浆可以从8个流道进行循环，泥浆流经路径为内水道17、中间流道18、外水道2；

第二阶段，从内齿间第一层加强12刚好开始磨损到内齿间第一层加强12刚好完全磨损，该阶段钻头随着钻头的磨损内齿间第一层加强12也随之磨损，第二阻泥浆结构20上的贯通U型槽29的U型口处仅有的连接点也被磨损殆尽，此时阻水片31自动脱落，并在泵压下沿钻头径向向外被推出，此时新水口生成，在新水口未生成之前泥浆可以从4个流道进行循环，泥浆流经路径为内水道17、中间流道18、外水道2，流经的中间流道18为第一阻泥浆结构19所处的中间流道18；

第三阶段，从内齿间第一层加强12刚好完全磨损到内齿间第二层加强13刚好未磨损，此阶段与第一阶段相似；

第四阶段，从内齿间第二层加强13刚好开始磨损到内齿间第二层加强13刚好完全磨损，该阶段钻头随着钻头的磨损内齿间第二层加强13也随之磨损，第一阻泥浆结构19上的贯通U型槽29的U型口处仅有的连接点也被磨损殆尽，此时阻水片31自动脱落，并在泵压下沿钻头径向向外被推出，此时新水口生成，在新水口未生成之前泥浆可以从4个流道进行循环，泥浆流经路径为内水道17、中间流道18、外水道2，流经的中间流道18为第二阻泥浆结构20所处的中间流道18；

如此第二、第三、第四阶段交替出现，直到钻头工作部全部磨损完为止。

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头制备模具，包括钻头底模具32，钻头底模具32与钻头心模37同心胶粘固定，水道替块33均匀分布在钻头底模具32与钻头心模37间的环状空间内，内保径聚晶金刚石34胶粘于钻头心模37外壁，外保径聚晶金刚石36胶粘于钻头底模具32内壁；弱化槽石墨片35通过3D减材加工工艺设置于钻头底模具32与钻头心模37其间的环状空间的底面位置上。

超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头的制备方法，所使用的制备模具包括：钻头底模具32，钻头底模具32与钻头心模37同心胶粘固定，水道替块33均匀分布在钻头底模具32与钻头心模37间的环状空间内，内保径聚晶金刚石34胶粘于钻头心模37外壁，外保径聚晶金刚石36胶粘于钻头底模具32内壁；弱化槽石墨片35通过3D减材加工工艺设置于钻头底模具32与钻头心模37其间的环状空间的底面位置上；

该制备方法包括如下步骤：

第一步，混料；按照计算称取各胎体粉料和单晶金刚石颗粒放置在准备好的容器中，按照比例倒入乙二醇液体搅拌混合，使金刚石、胎体粉料和乙二醇液体形成一种粘稠的固液两相流态混合物；

第二步，装料；将混合好的流态混合料均匀倒入钻头底模具32、钻头心模37和弱化槽石墨片35间的空隙中，并填满该空隙充实无气泡；在最上层加入3-10mm的无单晶金刚石的过度层，过度层料需要干混；

第三步，放钢体1；将钢体1对中放到装好过度层料上，在钢体1的内、外侧倒入适量过度层料，使钢体1进入过度层料内深度3-8mm；

第四步，烘干；在钢体1与钻头底模具32间放入适量低温浸渍金属，并放在干燥炉中230℃环境中挥发干净；

第五步，采用无压法烧结；烧结温度930℃，以240℃/min的升温速度持续升温，到达930℃后保持30-100min,待低温浸渍金属从心模与钢体间渗出，然后以60℃/min的速度缓慢冷却至550℃，然后自然冷却至室温。

工作原理：

本发明在2019年发明的“一体式切削齿孕镶金刚石钻头”的基础上改变了内外齿间加强的相对位置和结构的同时增加了阻泥浆结构，旨在从根本上解决高胎体钻头存在钻头冷却不好，甚至烧钻，携粉能力弱等泥浆循环问题，最终达到“一钻头一孔”的目的。

在外齿间第一层加强25未完全磨损之前，在外齿间第一层加强25和第一阻泥浆结构19和第二阻泥浆结构20的共同作用下泥浆循环路径为内水道17、中间流道18和外水道2。随着钻进的进行，当内齿间第一层加强12开始磨损，第二阻泥浆结构20也随着内齿间第一层加强12开始磨损，此时泥浆循环通道将由8个变为4个，第二阻泥浆结构20处的循环通道将因钻头与井底接触而被封住，4个泥浆通道完全可以冷却钻头以及携带岩屑，随着钻头的继续磨损待内齿间第一层加强12完全磨损后，阻水片31自动脱落并在水压下被向外推出，形成新的水口，此水口泥浆循环与常规钻头相同，此过程如此循环往复至钻头完全磨损，此过程中体现了本发明渐开式水口的优势，水口逐一出露，迫使泥浆向特定方向流过。经过课题组通过试验和模拟验证得出规律：在不同的泵量下：32L/min、47L/min、72L/min、125L/min泥浆从阻泥浆结构的贯通U型槽29上流失的量均为20％左右，并且随着钻头的磨损，贯通U型槽29的减少，泥浆流失会逐级减少。

Claims (5)

1.超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，其特征在于：包括钢体（1）及连接在钢体（1）上端的钻头工作部；

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（19）和多个第二阻泥浆结构（20）；

第一阻泥浆结构（19）和第二阻泥浆结构（20）为中空立方体，第一阻泥浆结构（19）和第二阻泥浆结构（20）中空内部构成中间流道（18）；

第一阻泥浆结构（19）和第二阻泥浆结构（20）上位于钻头内径侧和钻头外径侧分别设有贯通U型槽（29）和矩形孔（30），U型槽（29）内设有阻水片（31），阻水片（31）中心与内齿间第一层加强（12）中心在一条直线上，U型槽（29）长度与同一水口内两个层加强之间距离相等；

钻头工作部的外水道（2）和内水道（17）与中间流道（18）连通，无论是正循环还是反循环，钻井液均能够顺利通过；

钻头工作部上相邻两个水口内依次交替分布有内齿间第一层加强（12）和内齿间第二层加强（13），第二阻泥浆结构（20）上表面与内齿间第一层加强（12）上表面齐平，第一阻泥浆结构（19）上表面与内齿间第二层加强（13）上表面齐平；

内齿间第一层加强（12）与内齿间第二层加强（13）之间纵向距离不小于3mm，内齿间第一层加强（12）上表面与切削齿上表面不平齐，外齿间第一层加强（25）上表面与切削齿上表面平齐，外齿间第一层加强（25）下表面与内齿间第一层加强（12）下表面平齐，外齿间第二层加强（26）与内齿间第二层加强（13）平齐；

第一层外保径（3）和第一层内保径（21）分别设置在与内齿间第一层加强（12）平齐的切削齿上，第二层外保径（4）和第二层内保径（22）分别设置在与内齿间第二层加强（13）平齐的切削齿上；

在内齿间第一层加强（12）或者内齿间第二层加强（13）刚好完全磨损时，第二阻泥浆结构（20）上的或者第一阻泥浆结构（19）上的贯通U型槽（29）的U型口处仅有的连接点被磨损殆尽，阻水片（31）自动脱落，并在泵压下沿钻头径向向外被推出，生成新水口。

2.根据权利要求1所述的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述的切削齿包括设置在内齿单元（7）、中间齿单元（8）和外齿单元（9），内齿单元（7）与中间齿单元（8）和中间齿单元（8）与外齿单元（9）间设有弱化槽（10），内齿单元（7）、中间齿单元（8）和外齿单元（9）上连接有齿单元加强筋（11）。

3.根据权利要求1所述的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述的第一阻泥浆结构（19）和第二阻泥浆结构（20）采用的材料硬度小于胎体的硬度。

4.根据权利要求1所述的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头，其特征在于：所述的内水道（17）深度为1mm，内水道（17）宽度与水口宽度一致。

5.一种权利要求1～4任一项所述的超高工作层渐开式水口孕镶金刚石钻头的制备方法，其特征在于：

所使用的制备模具包括：钻头底模具（32），钻头底模具（32）与钻头心模（37）同心胶粘固定，水道替块（33）均匀分布在钻头底模具（32）与钻头心模（37）间的环状空间内，内保径聚晶金刚石（34）胶粘于钻头心模（37）外壁，外保径聚晶金刚石（36）胶粘于钻头底模具（32）内壁；弱化槽石墨片（35）通过3D减材加工工艺设置于钻头底模具（32）与钻头心模（37）其间的环状空间的底面位置上；

该制备方法包括如下步骤：

第一步，混料；按照计算称取各胎体粉料和单晶金刚石颗粒放置在准备好的容器中，按照比例倒入乙二醇液体搅拌混合，使金刚石、胎体粉料和乙二醇液体形成一种粘稠的固液两相流态混合物；

第二步，装料；将混合好的流态混合料均匀倒入钻头底模具（32）、钻头心模（37）和弱化槽石墨片（35）间的空隙中，并填满该空隙充实无气泡；在最上层加入3-10mm的无单晶金刚石的过度层，过度层料需要干混；

第三步，放钢体（1）；将钢体（1）对中放到装好过度层料上，在钢体（1）的内、外侧倒入适量过度层料，使钢体（1）进入过度层料内深度3-8mm；

第四步，烘干；在钢体（1）与钻头底模具（32）间放入适量低温浸渍金属，并放在干燥炉中230℃环境中挥发干净；

第五步，采用无压法烧结；烧结温度930℃，以240℃/min的升温速度持续升温，到达930℃后保持30-100min,待低温浸渍金属从心模与钢体间渗出，然后以60℃/min的速度缓慢冷却至550℃，然后自然冷却至室温。

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