专利名称：可再生水口的金刚石取芯钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻探机具，适用于钻进各种类型岩石的不同直径的孕镶金刚 石取芯钻头，尤其是钻头水口可再生。
背景技术：
孕镶金刚石取芯钻头水口是冲洗液流经钻杆到井底并返回孔口的主要通道， 它直接影响着冲洗钻头和冷却钻头的效果，因而也影响着钻头的寿命和钻进效 率。沿轴向水口的总面积—应大于钻头与岩芯之间或钻头与井壁之间的环状间隙的 面积，以免过水断面太小而引起水流阻力过大和对钻头产生大的上浮力；水口面 积也不宜过大，以免使冲洗液流速太低，对于冲洗钻头和冷却钻头产生不利影响， 故水口高度不宜太高，水口的大小及数量应能满足冲洗液畅通，并使岩粉很好地 排除，钻头有效地冷却。水口的形状常用矩形、梯形、半圆形，为使冲洗液更靠 近切削具的前边，也可采用偏斜水口。胎体工作层高度一般稍低于水口的高度， 胎体工作层磨完了，钻头也就报废了。
目前，各钻头厂家只在钻头水口的形状和数量上做细微的改动，通过增加水 口的数量(如O75绳索取心金刚石钻头水口数量由6个增加到8个或10个)来 改善钻头的冷却和排粉条件，并减小钻头底唇面与岩石的接触面积进而增加钻头 的比压，提高钻进效率；为了防止钻头底唇面碟形磨损，将直水口改成扇形水口； 改变钻头水口斜边的倾斜角度《 (试验证明《=30°时最佳)使岩屑的比表面最 小，岩屑颗粒最大，从而使岩石的破碎效果最好；上述作法的目的都是为了更好 的排除岩粉和冷却钻头，提高钻头的寿命，但都不能从根本上对钻头的寿命有显 著的提高，纵览国内外的金刚石钻头，钻头胎体工作层的厚度都受单层水口高度 的限制。近年来，美国的宝长年公司设计出了一种高胎体G吋)孕镶金刚石钻 头AlphaStage3，打破了金刚石钻头单层水口的历史，设计了三层水口，每一层 三个水口在底唇面上均匀排列，水口宽度和高度均为8.5mm，共九个水口，九个 水口均参与冷却作用，在钻头内外径水口处各有一个半圆形水槽贯通整个钻头胎
体；试验证明，在坚硬地层中钻进，此种钻头的寿命为普通钻头的三倍。可是这 种三层水口高胎体钻头，钻进坚硬岩层时寿命也只有一百余米，虽然寿命较普通 钻头提高了，但却不能做到按照钻孔的深度来设计钻头胎体高度的要求，而且部 分冲洗液会从上层水口漏失造成钻头冷却不足；当每磨掉一层水口后，钻头的整 体冷却效果和携粉能力较新钻头会降低；当只剩余最后一层的三个水口时，水口 的总面积只占底唇面的面积的13%，远远达不到正常钻头水口占底唇面面积的比例(15% 35%)，也会造成钻头因冷却不好而微烧，降低了钻头原本应该有的寿 命。因此，要想从根本上提高钻头的寿命甚至做到一个钻头就完成一个钻孔的工 作量，必须做成高工作胎体钻头，做到按照钻孔的深度来设计钻头工作胎体的高 度，要想达到这个目的，必须解决好钻头水口的问题。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，克服现有孕镶金刚石取芯钻 头胎体受水口高度限制而不能设计高胎体，影响钻头的使用寿命的问题，提供一 种可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头。
本发明的目的是通过以下方式实现的
可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头，设有一层初始工作水口 1和一层以上隐
藏水口2，随胎体3的磨损隐藏水口 2不断出露产生。每一层水口的面积占胎 体底唇面的16% 35%，依钻头直径大小在同一层内设计不同数量的水口，每一 个水口宽度4—10腿，高度3-8ram，且均匀分布。相邻两层水口在垂直面上交互 顺序排列，错位的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即每一层 隐藏水口 2位于上下两相邻两层水口的中间。例如第三层隐藏水口 2位于初始 工作水口1的正上方。
可再生水口的金刚石取芯钻头的制造方法，包括以下顺序和步骤
a、 按照钻头直径和水口面积占胎体底唇面的百分比设计水口数和水口 尺寸，按设计的水口尺寸制备与初始工作水口 1和隐藏水口 2尺寸相同的石 墨块；
b、 从钻头横截面中扣除步骤a所设计初始工作水口 1或隐藏水口 2在平 面上所占位置的体积空间，再依据水口高度和剩余的扇形体空间制备钢制 模具；
c、 再将含金刚石混合料置于钢制模具中，在4t/cii^的压力下冷压制成 与水口高度相同的工作层胎体块；
d、 将初始工作水口 1石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上，将 冷压成型的工作层胎体块放入模具内初始工作水口 1石墨块之间，形成第一层 胎体；
e、 第二层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在垂直面上错位排列，错位
的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即倒置梯形石墨块固定在 模具中第一层胎体之上两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体
块；
f、 第三层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在同一垂直面上，隐藏水口 2石墨块之间为工作层胎体块，第四层胎体的隐藏水口 2石墨块与第二层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，第五层的隐藏水口 2与第三层藏水口 2石墨块在同一
垂直面上，第六层的隐藏水口 2石墨块与第四层藏水口 2石墨块在同一垂直面上， 以此类推，乃至N层隐藏水口2;
g、在最后一层工作层胎体块和隐藏水口 2石墨块的上面装3—5mm的过 渡层胎料，并压实；
h过渡层胎料之上为钢体；
i通过热压法烧结，升温至一定温度，加压到一定压力，再保温保压一定 时间，将钻头取出放在保温材料中缓慢冷却至室温，用打磨机加工出初始工作水 口 1，即为可再生水口的金刚石取芯钻头。
本发明的目的还可以通过以下方式实现
初始工作水口 1为直角矩形，隐藏水口 2为倒置梯形；热压法的烧结温度为
900—1000° C，压力为140—160Kgf/cm2。
有益效果
本发明克服了现有孕镶金刚石取芯钻头工作胎体受水口高度限制而不能设
计高胎体问题，成倍提高了钻头的使用寿命；经试验，当初始水口磨完后，第一
层隐藏水口充填材料自动脱落，产生新的工作水口，第一层隐藏水口磨完后，第 二层隐藏水口自动出露，又形成新的工作水口，直至所有隐藏水口磨完。
附图1为一层可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头结构图
附图2为二层可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头结构图 附图3为三层可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头结构图 附图4为四层可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头结构图 附图5为五层可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头结构图 1初始工作水口， 2隐藏水口， 3工作胎体层，4钢体。 A、剖视图，B、俯视图，C、效果图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例作进一步详细说明
可再生水口的孕镶金刚石取芯钻头，设有一层初始工作水口 1和一层以上隐
藏水口2，随胎体3的磨损隐藏水口 2不断出露产生。每一层水口的面积占胎 体底唇面的16%~35%，依钻头直径大小在同一层内设计不同数量的水口，每一 个水口宽度4一10mra，高度3-8mm,且均匀分布。相邻两层水口在垂直面上交互 顺序排列，错位的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即22.5Q 一45°，每一层隐藏水口 2位于上下两相邻两层水口的中间。例如第三层隐藏 水口 2位于初始工作水口 1的正上方。
可再生水口的金刚石取芯钻头的制造方法，包括以下顺序和步骤
a、按照钻头直径和水口面积占胎体底唇面的百分比设计水口数和水口
尺寸，按设计的水口尺寸制备与初始工作水口 1和隐藏水口 2尺寸相同的石 墨块；
b、 从钻头横截面中扣除步骤a所设计初始工作水口 1或隐藏水口 2在平 面上所占位置的体积空间，再依据水口高度和剩余的扇形体空间制备钢制 模具；
c、 再将含金刚石混合料置于钢制模具中，在4t/cm2的压力下冷压制成 与水口高度相同的工作层胎体块；
d、 将初始工作水口 1石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上，将 冷压成型的工作层胎体块放入模具内初始工作水口 1石墨块之间，形成第一层 胎体；
e、 第二层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即倒置梯形石墨块固定在 模具中第一层胎体之上两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体 块；
f、 第三层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在同一垂直面上，隐藏水口 2石墨块之间为工作层胎体块，第四层胎体的隐藏水口 2石墨块与第二层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，第五层的隐藏水口 2与第三层藏水口 2石墨块在同一 垂直面上，第六层的隐藏水口 2石墨块与第四层藏水口 2石墨块在同一垂直面上， 以此类推，乃至N层隐藏水口2;
g、 在最后一层工作层胎体块和隐藏水口 2石墨块的上面装3—5mm的过 渡层胎料，并压实；
h过渡层胎料之上为钢体；
i通过热压法烧结，升温至一定温度，加压到一定压力，再保温保压一定 时间，将钻头取出放在保温材料中缓慢冷却至室温，用打磨机加工出初始工作水 口l，即为可再生水口的金刚石取芯钻头。
初始工作水口 1为直角矩形，隐藏水口2为倒置梯形或直角矩形；热压法的 烧结温度为900—1000° C，压力为140—160Kgf/cm2。
由于钻头水口为多层分布，采用普通的热压法可能造成隐藏水口底部的胎体 材料不能很好的被压实，从而使钻头的整体强度降低。为了保证水口搭桥处钻头 胎体的强度，首先在钢制模具中冷压钻头工作层(金刚石混胎体材料)成型，压 力不低于4t/cm2，然后将水口材料和压制成型的胎体块按设计方案分布在模具 中，然后装入非工作层纯胎体材料，通过热压或无压浸渍等方法烧结成型。 实施例l
以直径为75mra的孕镶取芯金刚石钻头为例，设计钻头可再生水口为1层， 按水口面积占胎体底唇面的16.4%设计水口的数量为8个，宽度4mm，初始工
作水口的高度6mm，用成形的石墨块作为工作水口的模块，粘在石墨模具的最 底面；将隐藏水口石墨块粘在初始工作水口石墨块的上面，然后将钻头胎体材料 均匀装入石墨模具中，再装3mm厚的过渡层，压实后放入钢体，在900'C，压 力在140Kgf/cm2的条件下热压成型，放在保温材料中缓慢冷却至室温，最后用 打磨机加工出初始工作水口，将隐藏水口石墨块留在胎体内；也可将隐藏水口内 的石墨块取出，塞入隐藏水口形状的锡块或铜块，采用二次镶焊的工艺使其成为 隐藏水口。 实施例2
以直径为75mm的孕镶取芯金刚石钻头为例，设计钻头为2层可再生水口， 按水口面积占胎体底唇面的16.4%设计每一层水口的数量为8个，宽度4mm， 高度8mm;将初始工作水口 l石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上， 将冷压成型的工作层胎体块置于模具内初始工作水口 1石墨块之间，构成第一 层胎体；第二层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即第一层隐藏水口的位置 较初始工作水口错开了 22.5°角，倒置梯形石墨块固定在模具中第一层胎体之上 两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体块；在最后一层工作层 胎体块和隐藏水口 2石墨块的上面装5mm厚的过渡层胎料，并压实；过渡层胎 料之上放入钢体，在900'C，压力在140Kgf/cn^的条件下热压成型，放在保温材 料中缓慢冷却至室温，最后用打磨机加工出初始工作水口，将隐藏水口石墨块留 在胎体内；也可将隐藏水口处石墨块去掉，然后按照梯形水口的形状烧结低强度 材料的胎块，镶入隐藏水口位置，使其与水口壁有一定的配合强度，不至于在初 始工作水口未磨完的情况下就从侧边脱落。 实施例3
以直径为75mm的孕镶取芯金刚石钻头为例，设计钻头为3层可再生水口， 按水口面积占胎体底唇面的18.5%设计每一层水口的数量为6个，宽度6mm， 高度7mm;将初始工作水口 1石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上， 将冷压成型的工作层胎体块置于模具内初始工作水口 1石墨块之间，构成第一 层胎体；第二层胎体的隐藏水口 2与初始工作水口 1在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即第一层隐藏水口的位置 较初始工作水口错开了 30°角，倒置梯形石墨块固定在模具中第一层胎体之上 两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体块；第三层胎体的隐藏 水口 2与初始工作水口 1在同一垂直面上，隐藏水口 2石墨块之间为工作层胎 体块,第四层胎体的隐藏水口2石墨块与第二层藏水口2石墨块在同一垂直面上， 第五层的隐藏水口 2与第三层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，第六层的隐藏水 口 2石墨块与第四层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，以此类推，乃至N层隐
藏水口 2;在最后一层工作层胎体块和隐藏水口 2石墨块的上面装5mm厚的过 渡层胎料，并压实；过渡层胎料之上放入钢体，在95(TC，压力在145Kgf/cm2 的条件下热压成型，放在保温材料中缓慢冷却至室温，最后用打磨机加工出初始 工作水口，将隐藏水口石墨块留在胎体内；也可将隐藏水口处石墨块去掉，然后 按照梯形水口的形状烧结低强度材料的胎块，镶入隐藏水口位置，使其与水口壁 有一定的配合强度，不至于在初始工作水口未磨完的情况下就从侧边脱落。 实施例4
以直径为75mm的孕镶取芯金刚石钻头为例，设计钻头为4层可再生水口， 按水口面积占胎体底唇面的30%设计每一层水口的数量为6个，宽度10mm，高 度6mm;将初始工作水口 1石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上， 将冷压成型的工作层胎体块置于模具内初始工作水口 1石墨块之间，构成第一 层胎体；第二层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即第一层隐藏水口的位置 较初始工作水口错开了 30°角，倒置梯形石墨块固定在模具中第一层胎体之上 两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体块；第三层胎体的隐藏 水口 2与初始工作水口 1在同一垂直面上，稳藏水口 2石墨块之间为工作层胎 体块，第四层胎体的隐藏水口2石墨块与第二层藏水口2石墨块在同一垂直面上， 在最后一层工作层胎体块和隐藏水口2石墨块的上面装3mm厚的过渡层胎料， 并压实；过渡层胎料之上放入钢体，在100(TC，压力在150Kgf/cr^的条件下热 压成型，放在保温材料中缓慢冷却至室温，最后用打磨机加工出初始工作水口， 将隐藏水口石墨块留在胎体内；也可将隐藏水口处石墨块去掉，然后按照梯形水 口的形状烧结低强度材料的胎块，镶入隐藏水口位置，使其与水口壁有一定的配 合强度，不至于在初始工作水口未磨完的情况下就从侧边脱落。 实施例5
以直径为75mm的孕镶取芯金刚石钻头为例，设计钻头为5层可再生水口， 按水口面积占胎体底唇面的24.6%设计每一层水口的数量为4个，宽度12mm， 高度5mm;将初始工作水口 1石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上， 将冷压成型的工作层胎体块置于模具内初始工作水口 1石墨块之间，构成第一 层胎体；第二层胎体的隐藏水口 2与初始工作水口 1在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即第一层隐藏水口的位置 较初始工作水口错开了 45°角，倒置梯形石墨块固定在模具中第一层胎体之上 两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体块；第三层胎体的隐藏 水口 2与初始工作水口 1在同一垂直面上，隐藏水口 2石墨块之间为工作层胎 体块，第四层胎体的隐藏水口2石墨块与第二层藏水口2石墨块在同一垂直面上， 第五层的隐藏水口 2与第三层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，在最后一层工
作层胎体块和隐藏水口2石墨块的上面装4mm厚的过渡层胎料，并压实；过渡 层胎料之上放入钢体，在100(TC，压力在155Kgf/ci^的条件下热压成型，放在 保温材料中缓慢冷却至室温，最后用打磨机加工出初始工作水口，将隐藏水口石 墨块留在胎体内；也可将隐藏水口处石墨块去掉，然后按照梯形水口的形状烧结 低强度材料的胎块，镶入隐藏水口位置，使其与水口壁有一定的配合强度，不至 于在初始工作水口未磨完的情况下就从侧边脱落。 实施例6
以直径为75画的孕镶取芯金刚石钻头为例，设计钻头为6层可再生水口， 按水口面积占胎体底唇面的34%设计每一层水口的数量为6个，宽度llmm，高 度4mm;将初始工作水口 1石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上， 将冷压成型的工作层胎体块置于模具内初始工作水口 1石墨块之间，构成第一 层胎体；第二层胎体的隐藏水口 2与初始工作水口 1在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即第一层隐藏水口的位置 较初始工作水口错开了 30°角，倒置梯形石墨块固定在模具中第一层胎体之上 两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体块；第三层胎体的隐藏 水口 2与初始工作水口 1在同一垂直面上，隐藏水口 2石墨块之间为工作层胎 体块，第四层胎体的隐藏水口2石墨块与第二层藏水口2石墨块在同一垂直面上， 第五层的隐藏水口 2与第三层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，第六层的隐藏水 口 2石墨块与第四层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，以此类推，乃至N层隐 藏水口 2;在最后一层工作层胎体块和隐藏水口 2石墨块的上面装5mm厚的过 渡层胎料，并压实；过渡层胎料之上放入钢体，在IOO(TC，压力在160Kgf/cm2 的条件下热压成型，放在保温材料中缓慢冷却至室温，最后用打磨机加工出初始 工作水口，将隐藏水口石墨块留在胎体内；也可将隐藏水口处石墨块去掉，然后 按照梯形水口的形状烧结低强度材料的胎块，镶入隐藏水口位置，使其与水口壁 有一定的配合强度，不至于在初始工作水口未磨完的情况下就从侧边脱落。
权利要求
1、可再生水口的金刚石取芯钻头，是由钢体、胎体构成，其特征在于，设有一层初始工作水口1和一层以上隐藏水口2，随胎体3的磨损隐藏水口2不断出露产生，每一层水口的面积占胎体底唇面的16％～35％，依钻头直径大小在同一层内设计不同数量的水口，每一个水口宽度4-12mm，高度4-8mm，且均匀分布，相邻两层水口在垂直面上交互顺序排列，错位的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，即每一层隐藏水口2位于上下两相邻两层水口的中间，即第三层隐藏水口2位于初始工作水口1的正上方。
2、 按照权利要求1所述的可再生水口的金刚石取芯钻头，其特征在于，在 钻头纵剖面上初始工作水口 1为直角矩形，隐藏水口 2为直角矩形或倒置梯形， 在横截面上初始工作水口 1和隐藏水口 2均为直水口或扇形水口。
3、 按照权利要求1所述的可再生水口的金刚石取芯钻头的制造方法，其特 征在于，包括以下顺序和步骤a、 按照钻头直径和水口面积占胎体底唇面的百分比设计水口数和水口 尺寸，按设计的水口尺寸制备与初始工作水口 1和隐藏水口 2尺寸相同的石 墨块；b、 从钻头横截面中扣除步骤a所设计初始工作水口 1或隐藏水口 2在平 面上所占位置的体积空间，再依据水口高度和剩余的扇形体空间制备钢制 模具；c、 再将含金刚石的混合料置于钢制模具中，在4t/cm2的压力下冷压制 成与水口高度相同的工作层胎体块；d、 将初始工作水口 l石墨块粘在石墨模具内最底层设计的水口位置上，将 冷压成型的工作层胎体块置于模具内初始工作水口 1石墨块之间，构成第一层 胎体；e、 第二层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在垂直面上错位排列，错位 的角度为同一水口层相邻水口与圆心形成角度的一半，倒置梯形石墨块固定在模 具中第一层胎体之上两相邻水口的中间，倒置梯形石墨块之间为工作层胎体块；f、 第三层胎体的隐藏水口2与初始工作水口 l在同一垂直面上，隐藏水口 2石墨块之间为工作层胎体块，第四层胎体的隐藏水口 2石墨块与第二层藏水口 2石墨块在同一垂直面上，第五层的隐藏水口 2与第三层藏水口 2石墨块在同一 垂直面上，第六层的隐藏水口 2石墨块与第四层藏水口 2石墨块在同一垂直面上， 以此类推，乃至N层隐藏水口2;g、 在最后一层工作层胎体块和隐藏水口 2石墨块的上面装3—5mm厚的 过渡层胎料，并压实； h、 过渡层胎料之上为钢体；i、 通过热压法烧结，升温至一定温度，加压到一定压力，再保温保压一定 时间，将钻头取出放在保温材料中缓慢冷却至室温，用打磨机加工出初始工作水 口l，即为可再生水口的金刚石取芯钻头。
4、按照权利要求3所述的可再生水口的金刚石取芯钻头的制造方法，其特 征在于，热压法的烧结温度为900—1000° C，压力为140—160Kgf/cm2。
全文摘要
本发明涉及一种孕镶金刚石取芯钻头，尤其是钻头水口可再生。可再生水口是由初始工作水口和隐藏水口构成，随着钻头工作层的磨损，初始工作水口的高度逐渐减少直至为零，隐藏水口暴露出来，成为新的工作水口。本发明克服了现有孕镶金刚石取芯钻头工作胎体受水口高度限制而不能设计高胎体问题，成倍提高了钻头的使用寿命；经试验，当初始水口磨完后，第一层隐藏水口充填材料自动脱落，产生新的工作水口，第一层隐藏水口磨完后，第二层隐藏水口自动出露，又形成新的工作水口，直至所有隐藏水口磨完。采用可再生水口的金刚石钻头胎体高度大幅度增加，钻头的寿命也随着成倍增长，达到一个钻头完成整个钻孔的目的，极大地提高了工作效率。
文档编号E21B10/02GK101353946SQ20081005115
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者任露泉, 刘宝昌, 孙友宏, 良 徐, 科 高 申请人:吉林大学