CN102128013A - 一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分层分级内锥型,对称内八字前束,漩涡式定心导向的一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的唇面、钢体连接面及其制作方式，包括金刚石钻头的工作层，钻头钢体，中间隔离水口料、连接层料。本设计钻头整套刀头的组装配置,以配对每对刀头为内八字成型方式,刀头配对配方阴阳分层对称平衡,定位排列入座构成内锥型,刀头分层分布预设同步递减的势态，构成软硬兼施的预设功能,唇面漩涡式保锥八字型(预设八字型是钻头动态着陆的瞬间平衡缓冲和同步补偿到位),持续获得漩涡式导向定心力,持续漩涡式导向定心力就是八字前束概念。关于前束,是把持前进中的有效约束,在钻探钻头的应用中,需要把持孔径垂直的有效纬度,以八字垫定前束而把持定心导向为首要关键。

Description

一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头及其制作方法

 

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，具体涉及一种"分层分级内锥型,对称内八字前束,漩涡式定心导向"的一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头及制造方法。

背景技术

金刚石取芯钻头地质勘探过程中，被广泛采用，现阶段的金刚石取芯钻头存在如下缺陷：

一、传统钻头的刀头平型唇面不利于钻进定心导向，持续钻进容易造成孔斜，没有针对孔斜的纠正功能。

二．传统钻头的刀头由于单一配方，不能适应不同地层的地质复杂性要求，在钻进不同岩层时需要更换不同的钻头，增加了地质勘探工作的复杂性，严重影响工作效率。

三、传统形式的钻头无论配置使用最好的材料也无法达到广谱性能，钻头的时效和寿命都很低。

四、传统形式的钻头保径定心不好，不能稳定取芯，不能完全使用完整个钻头的刀头工作层。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够克服现有技术缺陷的"分层分级内锥型,对称内八字前束,漩涡式定心导向"的一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头。

本发明的目的之二在于提供一种制作"分层分级内锥型,对称内八字前束,漩涡式定心导向"的一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的方法。

为实现上述目的一，本发明采用如下技术方案：

一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头，包括刀头组件和钢体，所述刀头组件上沿圆周均匀分布的多个刀头和多个水口，所述刀头组件的下端面为其唇面并呈内低外高的台阶状，所述钢体内外在水口处分别设置有互相导通的内水口和外水口；

所述刀头组件的上端面呈台阶状，并通过连接料层与所述钢体连接。

所述刀头组件包括偶数个刀头，该偶数个刀头两两相对。

所述钢体呈圆柱状，沿其轴向开设有一通孔，所述通孔内壁开设有螺纹。

所述刀头包括多个互相匹配且依次叠放的圆弧片状体。

为实现上述目的二，本发明采用如下技术方案：

上述孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的制作方法，包括如下步骤：

A、制作成多个刀头组合体，同时去筒状钢体，在其端面上加工燕尾状凹位，制成钢体初坯；

B、将凸形底环置入呈圆柱状外模腔的底部，置入柱状的模芯件，将多个刀头组合体及与之数量相等的水口塞依次间隔，且围绕柱状的模芯件装入模腔中并置于凸形底环上，使该若干刀头组合体与水口塞相互间隔并围成圆形，在外模与模芯件形成的腔体内位于刀头初坯上装入连接材料，将钢体初坯开设有燕尾状凹位的一端***外模与模芯件形成的腔体内，并使其与连接材料接触，装成烧结组合体；

C、将装好的烧结组合体，放入自动中频烧结机中，使刀头初坯位于感应圈中心位置，并在烧结组合体的上部垫设一具有排气孔的垫块；

D、对烧结组合体进行升温加压处理；

E、对经过升温加压处理的烧结组合体进行冷却处理，制成钻头胚体；

F、将冷却后的钻头胚体从外模中脱出，在油压机上将模芯压出，去除石墨水口塞；

其中步骤D包括：

D1、对烧结组合体进行加热，以温度升至600℃为准，继续加热3-4分钟，将温度从600℃升至750℃，压力升至15KN；进一步加热3-4分钟，将温度从750℃升至840℃，压力从15KN升至25KN；再进一步加热2-3分钟，将温度从840℃升至930℃，压力从25KN升至35KN；

D2、加热3-4分钟，并保持温度为930℃，压力从35KN升至60-65KN，继续加热6-7分钟，并保持温度为930℃，压力保持为60-65KN。

其中步骤E具体为：

用3-4分钟时间保持压力60-65KN，温度从930℃降至750℃，在750℃以下时从中频炉中取出夹入保温箱中缓冷至常温。

所述外模、凸形底环、模芯件、水口塞均采用耐高温石墨材料制成。

所述刀头组合体采用预合金粉末和金刚石混合配制并压制而成。

本发明的有益效果在于锁定关联适宜定义,预设关键功能效应:

一.本设计钻头整套刀头的组装配置,以配对每对刀头为内八字成型方式,刀头配对配方阴阳分层对称平衡,定位排列入座构成内锥型, 刀头分层分布预设同步递减的势态，构成软硬兼施的预设功能,唇面漩涡式保锥八字型(预设八字型是钻头动态着陆的瞬间平衡缓冲和同步补偿到位), 持续获得漩涡式导向定心力, 持续漩涡式导向定心力就是八字前束概念。

关于前束,是把持前进中的有效约束,在钻探钻头的应用中,需要把持孔径垂直的有效纬度,以八字垫定前束而把持定心导向为首要关键。

二.针对钻进工艺需要内八字前束的概念,是把持可靠的路径惯性概念,如马车装备的四只马头和马身之间间距兼顾灵活而又齐头并进,寻求构成适度约束中联动而同步匹配效应。

所以,应用预设配对每对阴阳分层对称平衡的内八字成型刀头构成动态着陆而保持前束,每对刀头如同一匹马的动力,如果预设四对刀头就如四匹马的匹配联动而同步的效应。

钻头的内八字前束是寻找到瞬间平衡钻进的有效依托,预设唇面内锥是由若干组刀头对称而灵活应变中瞬间平衡的八字齿型,使钻头配套整体持续平衡,获得的软硬兼施的动态着陆效果,就是既能前束定心导向,又兼顾缓冲阻力与增速和增压的平衡钻进效果。

三.分层级内锥型八字前束漩涡式定心钻头,注重八字前束是先把持定心,再兼导向以定心为核心的集中能量,在很大程度上,可靠地克服了传统钻头的公转偏摆与孔斜因素,传统钻头的形式基本上难以约束钻头的定心与导向,所以,可以理解为被动后补约束。

四.八字前束导向原理,又是参照汽车一对前轮方向的八字前束与悬挂着陆的结构与复合原理,其功能体现约束一对左右前轮摆动中的匹配有效轨道,兼缓冲复杂变化的软硬着陆而自动校正复位的效果。

五.钻头八字前束的应用与钻杆钻机的配套匹配,钻进时的钻速钻压与对应抗击阻力摆动因素需要相当高精度的匹配,这一概念,如同汽车一对前轮轨道的前束与悬挂的综合因素的概念完成是相通的。

试想,钻头配套(悬挂兼动力)和工艺如能应对钻进轨道中复杂变化的岩层环境之苛刻程度,需要高精度而可靠的八字前束,才能得到准确纬度;如同汽车一对前轮悬挂和方向能以应对行进轨道中复杂变化的路面环境之苛刻程度,需要高精度而可靠的八字前束,才能得到保驾护航。

不可忽视,八字前束与悬挂兼动力的匹配是一脉相承的,力量方向的有效前束决定后续力量的匹配跟进,力量匹配的最大化是在于漩涡式定心垂直集中。

六.内锥八字前束技术的一些复合效果：

1.关键在于保锥的始终,并可以大大提高可钻性能,一方面有效地改善了唇面钻压作用力的压强比分布,针对对峙岩石圆面反作用力的外弱内强的分布格局(针对圆体承受压力内比外的差距大于1.5倍),以分层配方金刚石细分优先压强比,错位排列相对的金刚石破碎格局力;另一方面具备了遇到打滑时增大了研磨面和合围的漩涡式研磨力,从而获得更高的可钻性能。

2.因为由每组对称八字平衡的刀头构成内锥形态,更能促进钻进中的钻压传递到分层唇面上的分层分级金刚石,以最佳锐角载现多种压强比,又以联动组合方式释放冲击波式、脉冲式的升级能量。

3.联动组合能量的释放,在有限的唇面上获得最大的阴阳分布的分层而有序差异的漩涡式脉冲点击破碎力,该有序差异的漩涡式脉冲点击破碎力,如同汽车自动变速箱的大中小变速齿轮的同步循环效果,既在高速和变速中传动的持续缓冲又兼顾扭力转化而递增杠杆式升级功力,就是升级的高效攻克力。

唇面分层阴阳形态与钻速和钻压的三合一趋向促成递增升级功力是必然态势,从而可以优胜于传统钻头的多项效果与各项指标。

七.锁链式装配***的关联适宜与定位是:刀头有序的配对配方与分层对称,定位排列入座呈内锥,并依托分层燕尾型基体(钢体)的支撑,预设支配分层刀头在加工中的行程才能匹配,钻头装配和应用具备了全方位匹配才能获得保锥的始终。

八.应用中对比的描述,历经长期实践测试,该钻头技术之优胜,具备的效果与效率:

1.钻进保持常态与特点,先剪切开钻孔外径周边的最薄弱对抗力的岩面,再合力围攻漩涡式包裹唇面内岩石,遇破碎岩层能保持高效钻进力。

2.可钻性能,具备更大的广谱性能,在同等用料和配套情况下,相对比传统钻头的攻克能力高强150%以上。

3.进尺时效锋利度,同等用料配套,相对同类岩层的情况下比较传统钻头的进尺时效高强200%以上。

4.钻头的单位磨耗比,因为钻进力量的垂直集中和质能损耗的均衡,明显减少了非钻进磨耗,所以,在对等情况下,该钻头的单位平均寿命明显大于传统钻头的180％以上。

5.对于解决打滑岩层,具有相当强的软硬兼施能力。

6.因为钻头在钻进中偏摆机会甚少,所以有效提高内外保径效果。

附图说明

图1为本发明一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的结构示意图；

图2为图1所示孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的剖视图；

图3图1中钢体的剖视图；

图4为本发明制作方法中烧结组合体的安装示意图；

图5为本发明制作方法中烧结工艺示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

如图1、2、3所示，为本发明的一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头，包括钻头钢体1、刀头3、以及用于连接钻头钢体1与刀头3的连接层2，其中，钻头钢体1呈圆柱筒状，在其下端面上开设有凹位，该凹位在钻头钢体1的轴向截面上呈燕尾台阶型，刀头3对接于钻头钢体1具有燕尾台阶型的端部，通过连接层2与钻头钢体1连接，具体可采用烧结工艺。由于采用燕尾台阶型的连接凹位，增大了连接层2与钻头钢体1的接触面积，也就增大了其二者之间的结合力。

刀头3的下端面为其唇面，其呈内低外高的台阶状，刀头3的上端面呈台阶状，与钻头钢体1的燕尾台阶型凹位相匹配；多个刀头3在钻头钢体1端面上围成一个圆周，且该圆周与钻头钢体1的外周缘匹配，多个刀头3均匀分布。

该取芯地质钻头一共包括八个刀头3，相邻的两个刀头3之间，形成一过水槽4，因此一共形成八个过水口4；钻头钢体1上具有一轴向的大通孔11，在该大通孔11的内壁设置有与扩孔器匹配的内螺纹12，工作时，可利用内螺纹12将上述地质取芯钻头连接在扩孔器上。此外，为了在钻进过程中，能够使内部水流顺畅流出，在钻头钢体1上设置有与过水槽4匹配的导水槽13、14，其中导水槽13位于钻头钢体1的外表面，导水槽14位于钻头钢体1的内表面。

如图2中所示上述刀头3形状均相同，在其唇面（即其端面）形成一个三级台阶状，刀头3的厚度由下至上依次递增，具体的是 d1＜d2＜d3。刀头3具体的是由三层圆弧片状体相互匹配且依次叠放组成，利用凸形底环上表面的三级台阶形状使圆弧片状体组合而成刀头3的唇面呈三级台阶内锥状态。

此外，本发明孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的刀头数量可以根据需要设置，以八个为基础，随着钻头直径大小相对刀头承担的压强比，以偶数配对组合为准。

本发明的"分层分级内锥型,对称内八字前束,漩涡式定心导向"的一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的钢体，如图3所示，说明分层燕尾的钢体有利于承托分层刀头装置与烧结完整成型，有利于加强胎体与钢体连接的结合强度。

上述孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的制作方法如下：

上述地质取芯钻头的制作方法如下：

（100）制作多个圆弧片状体，该多个圆弧片状体相互匹配且依次叠放形成刀头组合体；取筒状的钢体，在其一端面上加工燕尾状凹位，制成钢体初坯；

（110）如图4所示，将与刀头组合体3`唇面形状匹配的凸形底环5置入呈外模6的圆柱状内腔底部，置入柱状的模芯件7，若干刀头组合体3`及与之数量相等的水口塞（图未示）依次间隔的装入外模6与模芯件7形成的内腔中并置于凸形底环5上，使若干刀头组合体3`与水口塞相互间隔并围圆形，在外模6与模芯件7形成的腔体内位于刀头组合体3`上装入连接材料8，将钻头钢体初坯1`开设有燕尾状凹位的一端***外模6与模芯件7形成的腔体内，并使其与连接材料8接触，装成如图4所示的烧结组合体；

（120）如图5所示，将装好的烧结组合体，放入自动中频烧结机中，并使刀头组合体3`位于感应圈93的中心位置，并在烧结组合体的上部垫设一具有排气孔的垫块94，垫块94位于压头95的下方，烧结组合体的底部与底座91之间用一石墨垫92隔开；

（130）对烧结组合体进行升温加压处理；该步骤具体为：

（131）对烧结组合体进行加热，以温度升至600℃为准，继续加热3-4分钟，将温度从600℃升至750℃，压力升至15KN；进一步加热3-4分钟，将温度从750℃升至840℃，压力从15KN升至25KN；再进一步加热2-3分钟，将温度从840℃升至930℃，压力从25KN升至35KN；

（132）加热3-4分钟，并保持温度为930℃，压力从35KN升至60-65KN，继续加热6-7分钟，并保持温度为930℃，压力保持为60-65KN；

（140）对经过升温加压处理的烧结组合体进行冷却处理，具体的是，用3-4分钟时间保持压力60-65KN，温度从930℃降至750℃，在750℃以下时从中频炉中取出夹入保温箱中缓冷至常温。

（150）将冷却后的钻头胚体从外模中脱出，在油压机上将模芯压出，去除水口塞，得到地质取芯钻头初坯。

（160）在以上步骤中制成的地质取芯钻头初坯的内表面加工导水槽，以及螺纹面。

以上方法中，外模、凸形底环、模芯件、水口塞均采用耐高温石墨材料制成。

连接材料8为烧结材料，其经过烧结工艺，最终形成如图2中所示的烧结层2。

刀头胎体材料采用预合金粉末与金刚石混合配方配制并压制成型，分层胎体针对钻探深层中常见岩层的复杂性，相应配置不同的配方用以预设广谱性能的可钻性。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种孕镶金刚石绳索取芯地质钻头，其特征在于，包括刀头组件和钢体，所述刀头组件上沿圆周均匀分布的多个刀头和多个水口，所述刀头组件的下端面为其唇面并呈内低外高的台阶状，所述钢体内外在水口处分别设置有互相导通的内水口和外水口；

所述刀头组件的上端面呈台阶状，并通过连接料层与所述钢体连接。

2.如权利要求1所述的孕镶金刚石绳索取芯地质钻头，其特征在于，所述刀头组件包括偶数个刀头，该偶数个刀头两两相对。

3.如权利要求1所述的孕镶金刚石绳索取芯地质钻头，其特征在于，所述钢体呈圆柱状，沿其轴向开设有一通孔，所述通孔内壁开设有螺纹。

4.如权利要求1所述的孕镶金刚石绳索取芯地质钻头，其特征在于，所述刀头包括多个互相匹配且依次叠放的圆弧片状体。

5.如权利要求1所述孕镶金刚石绳索取芯地质钻头的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、制作成多个刀头组合体，同时去筒状钢体，在其端面上加工燕尾状凹位，制成钢体初坯；

B、将凸形底环置入呈圆柱状外模腔的底部，置入柱状的模芯件，将多个刀头组合体及与之数量相等的水口塞依次间隔，且围绕柱状的模芯件装入模腔中并置于凸形底环上，使该若干刀头组合体与水口塞相互间隔并围成圆形，在外模与模芯件形成的腔体内位于刀头初坯上装入连接材料，将钢体初坯开设有燕尾状凹位的一端***外模与模芯件形成的腔体内，并使其与连接材料接触，装成烧结组合体；

C、将装好的烧结组合体，放入自动中频烧结机中，使刀头初坯位于感应圈中心位置，并在烧结组合体的上部垫设一具有排气孔的垫块；

D、对烧结组合体进行升温加压处理；

E、对经过升温加压处理的烧结组合体进行冷却处理，制成钻头胚体；

F、将冷却后的钻头胚体从外模中脱出，在油压机上将模芯压出，去除石墨水口塞。

6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，其中步骤D包括：

D1、对烧结组合体进行加热，以温度升至600℃为准，继续加热3-4分钟，将温度从600℃升至750℃，压力升至15KN；进一步加热3-4分钟，将温度从750℃升至840℃，压力从15KN升至25KN；再进一步加热2-3分钟，将温度从840℃升至930℃，压力从25KN升至35KN；

D2、加热3-4分钟，并保持温度为930℃，压力从35KN升至60-65KN，继续加热6-7分钟，并保持温度为930℃，压力保持为60-65KN。

7.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，其中步骤E具体为：

用3-4分钟时间保持压力60-65KN，温度从930℃降至750℃，在750℃以下时从中频炉中取出夹入保温箱中缓冷至常温。

8.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述外模、凸形底环、模芯件、水口塞均采用耐高温石墨材料制成。

9.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述刀头组合体采用预合金粉末和金刚石混合配制并压制而成。

Images