一种非硬岩取芯钻头及其加工工艺的制作方法

1.本发明涉及一种非硬岩取芯钻头及其加工工艺，属于地质勘探用钻头技术领域。


背景技术：

2.地质勘探用钻头通常采用取芯金刚石钻头，进行勘探的地质可分为软地层和硬地层。已有技术对于硬地层的取芯较为成熟，常用的取芯金刚石钻头其唇面多为锯齿形和平底形，取芯金刚石钻头的主水口垂直于钻头的轴线，宽度一般在5mm左右，内外水口较浅，一般在2-3mm，在硬地层钻进时，钻头胎体中的金刚石对岩石是磨削作用，产生较细的岩粉，在水流冲击下，岩粉能够从钻头水口中冲出，排到地面。软地层主要包括粘土质地层、砂层、泥岩及无硅化的灰岩等地层，此类地层的特点是土质松散、不稳定，取芯金刚石钻头在钻进过程中易发生缩径、坍塌、糊钻等问题，钻进时，由于岩层较软、松散不成型，钻头对岩层不能形成磨削作用，而仅仅是刮削作用，形成的岩粉颗粒较大，极易堵塞钻头的水口，造成泵压升高，无法钻进；针对软底层（软岩）钻进时，由于水口的结构存在重大缺陷，钻具的稳定性差，对岩心的扰动大，岩心采取率低，造成钻头的堵塞和糊钻，该问题一直没有得到有效解决。另外，已有技术的取芯金刚石钻头胎块的工作层结构不合理，钻进效率低下，提高了钻进成本。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种非硬岩取芯钻头及其加工工艺，避免出现钻头的堵塞和糊钻，提高钻进效率，降低钻进成本，解决已有技术存在的上述技术问题。
4.本发明的技术方案是：一种非硬岩取芯钻头，钻头钢体端部的水口分为正水口和反水口，正水口和反水口均为螺旋水口，即水口从钻头钢体的内腔至钻头钢体的外圆周形成一个弧形通道；所述正水口其弧形通道的螺旋方向与钻头钢体的旋转方向相反，所述反水口其弧形通道的螺旋方向与钻头钢体的旋转方向相同；正水口和反水口在钻头钢体端部交替布置，相邻的正水口和反水口之间的凸起为胎块，胎块包含胎块一和胎块二；螺旋方向相对的相邻正水口和反水口之间为胎块一，所述胎块一为外小内大的扇形胎块；螺旋方向相背的相邻正水口和反水口之间为胎块二，所述胎块二为外大内小的扇形胎块；胎块一和胎块二在钻头钢体端部圆周上交替布置。
5.所述胎块一的四边均为弧线，内外两边的弧线弯曲方向相同，均向外弯曲，内弧线与外弧线的圆心同为钻头钢体的圆心，左右两边的弧线均向胎块一的内部弯曲，弯曲的曲率相同、方向相反；所述胎块二的四边均为弧线，内外两边的弧线弯曲方向相同，均向外弯曲，内弧线与外弧线的圆心同为钻头钢体的圆心，左右两边的弧线均向胎块二的外部弯曲，弯曲的曲率相同、方向相反。
6.所述正水口的数量等于反水口的数量，胎块一和胎块二的数量相同。
7.所述正水口和反水口的弧度、宽度及长度相同，弧度弯曲的方向相反；所述胎块一
和胎块二对称相同。
8.所述胎块一和胎块二均突出于钻头钢体的内腔与外壁；胎块一突出于钻头钢体外壁部分与胎块二突出于钻头钢体外壁部分，相互之间形成水口外水道；胎块一突出于钻头钢体内腔部分与胎块二突出于钻头钢体内腔部分，相互之间形成水口内水道。
9.所述水口内水道布置在钻头钢体的内径上，胎块一和胎块二之间，水口内水道沿钻头钢体内壁延伸。所述水口外水道布置在钻头钢体的外径上，胎块一和胎块二之间，水口外水道沿钻头钢体外壁延伸。
10.所述胎块由工作层和非工作层构成，非工作层将工作层与钻头钢体的端部连接在一起，工作层、非工作层和钻头钢体的端部通过烧结成为一个整体钻头。
11.所述工作层的表面为钻头唇面，钻头唇面为阶梯结构。
12.所述钻头钢体端部设有与钻头唇面相同的阶梯结构，与钻头钢体端部连接的非工作层为相匹配的阶梯结构。
13.一种非硬岩取芯钻头的加工工艺，采用石墨模具进行组合，放入钻头钢体，填入非工作层粉料和工作层粉料，采用中频热压烧结成型，将钻头钢体、非工作层粉料和工作层粉料烧结成取芯钻头；所述工作层粉料烧结成为取芯钻头端部的胎块一和胎块二；所述胎块一为外小内大的扇形胎块，所述胎块二为外大内小的扇形胎块，胎块一和胎块二在钻头钢体端部圆周上交替布置；胎块一和胎块二之间的弧形通道形成交错布置的正水口和反水口，所述正水口和反水口的弧度、宽度及长度相同，弧度弯曲的方向相反；所述胎块一和胎块二对称相同。
14.所述胎块由工作层和非工作层构成，非工作层将工作层与钻头钢体的端部连接在一起，工作层、非工作层和钻头钢体的端部通过烧结成为一个整体钻头；所述工作层的表面为钻头唇面，钻头唇面为阶梯结构；所述钻头钢体端部设有与钻头唇面相同的阶梯结构，与钻头钢体端部连接的非工作层为相匹配的阶梯结构。
15.所述石墨模具包含底模、垫圈和模芯，底模的内腔形状与钻头钢体的形状相匹配，垫圈的形状与工作层的钻头唇面形状相匹配（垫圈布置与钻头唇面相反的形状），模芯的形状与钻头钢体内腔形状相匹配；将垫圈和模芯放入底模内，垫圈放置在胎块一和胎块二的钻头唇面位置，在预留正水口和反水口的位置填充石墨，成石墨水口，其形状依据胎块一和胎块二形状预设，形成一正一反石墨水口；在石墨水口以外形成的空腔内填充工作层粉料，工作层粉料填充完毕后继续填充非工作层粉料；钻头钢体放入底模内并匹配模芯，钻头钢体与非工作层粉料压紧压实；进行高温烧结，钻头钢体、非工作层粉料和工作层粉料烧结成一体。
16.所述工作层粉料为金刚石粉与金属粉混合物；所述非工作层粉料为金属粉。
17.本发明的钻头在钻进过程中，采用正向旋转方向钻进，由于弧形通道的正水口和反水口交替布置，正水口在钻头内部压力和钻头的旋转作用下，流出的水量较大，反水口在钻头内部压力作用下，流出的水量较小，使得在钻头与井体底部之间形成湍流（紊流），将孔底的岩粉和石屑快速脱离孔底，避免出现糊钻问题。钻头唇面采用多级阶梯的唇面设计，能够优先刻取岩层，达到快速进尺的目的。采取上述措施后，可以同时增加钻头外径，在钻进的过程中保证孔径，防止发生缩进的抱钻现象，有利于岩粉的排除。内水道和外水道有效地保证冲洗液对钻头和孔底的冲洗，提供有效的流量达到冷却钻头的目的。
18.本发明的有益效果：制作方便、结构合理，解决了钻头对于软岩地层的适应性的问题，减少坍塌和糊钻的现象发生；在软岩地层中减少钻头的频繁更换，提高钻探的工作效率和降低钻探成本，通过现场机台的实际使用，达到发明目的，解决地质勘探用钻进技术领域中软岩地层取芯难的问题。
附图说明
19.图1为本发明实施例底模示意图；图2为本发明实施例垫圈示意图；图3为本发明实施例钻头钢体示意图；图4为本发明实施例模芯示意图；图5为本发明实施例加工工艺示意图；图6为本发明实施例取芯钻头立体示意图；图7为本发明实施例取芯钻头俯视示意图；图中：钻头钢体1、胎块一2、胎块二3、正水口4、反水口5、水口内水道6、水口外水道7、钻头唇面8、底模9、垫圈10、模芯11、工作层12、非工作层13、石墨水口14。
具体实施方式
20.以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
21.一种非硬岩取芯钻头，钻头钢体1端部的水口分为正水口4和反水口5，正水口4和反水口5均为螺旋水口，即水口从钻头钢体1的内腔至钻头钢体1的外圆周形成一个弧形通道；所述正水口4其弧形通道的螺旋方向与钻头钢体1的旋转方向相反，所述反水口5其弧形通道的螺旋方向与钻头钢体1的旋转方向相同；正水口4和反水口5在钻头钢体1端部交替布置，相邻的正水口4和反水口5之间的凸起为胎块，胎块包含胎块一2和胎块二3；螺旋方向相对的相邻正水口4和反水口5之间为胎块一2，所述胎块一2为外小内大的类似扇形胎块；螺旋方向相背的相邻正水口4和反水口5之间为胎块二3，所述胎块二3为外大内小的类似扇形胎块；胎块一2和胎块二3在钻头钢体1端部圆周上交替布置。
22.所述胎块一2的四边均为弧线，内外两边的弧线弯曲方向相同，均向外弯曲，内弧线与外弧线的圆心同为钻头钢体1的圆心，左右两边的弧线均向胎块一2的内部弯曲，弯曲的曲率相同、方向相反；所述胎块二3的四边均为弧线，内外两边的弧线弯曲方向相同，均向外弯曲，内弧线与外弧线的圆心同为钻头钢体1的圆心，左右两边的弧线均向胎块二3的外部弯曲，弯曲的曲率相同、方向相反。
23.所述正水口4的数量等于反水口5的数量，胎块一2和胎块二3的数量相同。
24.所述正水口4和反水口5的弧度、宽度及长度相同，弧度弯曲的方向相反；所述胎块一2和胎块二3对称相同。
25.所述胎块一2和胎块二3均突出于钻头钢体1的内腔与外壁；胎块一2突出于钻头钢体1外壁部分与胎块二3突出于钻头钢体1外壁部分，相互之间形成水口外水道7；胎块一2突出于钻头钢体1内腔部分与胎块二3突出于钻头钢体1内腔部分，相互之间形成水口内水道6。
26.所述水口内水道6布置在钻头钢体1的内径上，胎块一2和胎块二3之间，水口内水
道6沿钻头钢体1内壁延伸；所述水口外水道7布置在钻头钢体1的外径上，胎块2一和胎块3二之间，水口外水道7沿钻头钢体1外壁延伸。
27.所述胎块由工作层12和非工作层13构成，非工作层13将工作层12与钻头钢体1的端部连接在一起，工作层12、非工作层13和钻头钢体1的端部通过烧结成为一个整体钻头。
28.所述工作层12的表面为钻头唇面8，钻头唇面8为阶梯结构。
29.所述钻头钢体1端部设有与钻头唇面8相同的阶梯结构，与钻头钢体1端部连接的非工作层13为相匹配的阶梯结构。
30.一种非硬岩取芯钻头的加工工艺，采用石墨模具进行组合，放入钻头钢体1，填入非工作层粉料和工作层粉料，采用中频热压烧结成型，将钻头钢体1、非工作层粉料和工作层粉料烧结成取芯钻头；所述工作层粉料烧结成为取芯钻头端部的胎块一2和胎块二3；所述胎块一2为外小内大的类似扇形胎块，所述胎块二3为外大内小的类似扇形胎块，胎块一2和胎块二3在钻头钢体1端部圆周上交替布置；胎块一2和胎块二3之间的弧形通道形成交错布置的正水口4和反水口5，所述正水口一4和反水口二5的弧度、宽度及长度相同，弧度弯曲的方向相反；所述胎块一2和胎块二3对称相同。
31.所述胎块由工作层12和非工作层13构成，非工作层13将工作层12与钻头钢体1的端部连接在一起，工作层12、非工作层13和钻头钢体1的端部通过烧结成为一个整体钻头；所述工作层12的表面为钻头唇面8，钻头唇面8为阶梯结构；所述钻头钢体1端部设有与钻头唇面8相同的阶梯结构，与钻头钢体1端部连接的非工作层13为相匹配的阶梯结构。
32.所述石墨模具包含底模9、垫圈10和模芯11，底模9的内腔形状与钻头钢体1的形状相匹配，垫圈10的形状与工作层12的钻头唇面8形状相匹配（垫圈布置与钻头唇面相反的形状），模芯11的形状与钻头钢体1内腔形状相匹配；将垫圈10和模芯放入底模9内，垫圈10放置在胎块一2和胎块二3的钻头唇面8位置，在预留正水口4和反水口5的位置填充石墨，成石墨水口，其形状依据胎块一2和胎块二3形状预设，形成一正一反石墨水口；在石墨水口以外形成的空腔内填充工作层粉料，工作层粉料填充完毕后继续填充非工作层粉料；钻头钢体1放入底模9内并匹配模芯，钻头钢体与非工作层粉料压紧压实；进行高温烧结，钻头钢体1、非工作层粉料和工作层粉料烧结成一体。
33.所述工作层粉料为金刚石粉与金属粉混合物；所述非工作层粉料为金属粉。
34.本发明的钻头在钻进过程中，采用正向旋转方向钻进，由于弧形通道的正水口4和反水口5交替布置，正水口4在钻头内部压力和钻头的旋转作用下，流出的水量较大，反水口在钻头内部压力作用下，流出的水量较小，使得在钻头与井体底部之间形成湍流（紊流），将孔底的岩粉和石屑快速脱离孔底，避免出现糊钻问题。钻头唇面采用多级阶梯的唇面设计，能够优先刻取岩层，达到快速进尺的目的。采取上述措施后，可以同时增加钻头外径，在钻进的过程中保证孔径，防止发生缩进的抱钻现象，有利于岩粉的排除。水口内水道和水口外水道有效地保证冲洗液对钻头和孔底的冲洗，提供有效的流量达到冷却钻头的目的。
35.在实施例中，所述钻头唇面8采用三级阶梯设计，每级阶梯的宽度5-7mm。
36.所述正水口4和反水口5的总数量为6-12个，宽度为6-12mm。
37.所述正水口4的数量等于反水口5的数量；例如：正水口4和反水口5总数为八个，反水口5的数量为4个，正水口4的数量为4个。
38.所述正水口4和反水口5在钻头钻进时因出水方向不同，能在孔底形成紊流，将孔
底的岩粉搅起，随冲洗液带走，避免钻头的糊钻。
39.所述钻头的外径是经过加大设计，将钻头外径加大10-20mm。
40.所述钻头的水口内水道6是采用深水口设计，深度5-10mm。
41.所述胎块一2和胎块二3总数量为八个，胎块一2为四个，胎块二3为四个。
42.一种非硬岩取芯钻头加工工艺，采用石墨模具组合，填入金属粉和钻头钢体，采用中频热压烧结成型；步骤如下：
①
加工钻头钢体1，钻头钢体外径与钻头的外径一致，上端加工出与钻头唇面相同的阶梯形状；加工钻头的底模9，底模的内径与钻头的外径相同；加工钻头的垫圈10，垫圈布置与钻头唇面相反的形状；加工钻头的模芯11，模芯的直径与钻头内径相同。
43.②
将垫圈10和模芯放入底模9内，在垫圈上预留的水口处填充石墨（石墨水口），形成一正一反石墨水口14，在石墨水口以外形成的空腔内填充工作层粉料，工作层粉料填充完毕后继续填充非工作层粉料，最后将钻头钢体放入底模内并压紧压实，组装完成钻头模具。
44.③
将组装好的钻头模具进行高温烧结，将各种粉料和钻头钢体烧成一体。
45.④
将烧结好的钻头的底模、垫圈、模芯退掉，并将钻头水口中的石墨清除，至此钻头的烧结工序完成。
46.⑤
将钻头进行机加工到需要的尺寸。
47.⑥
加工钻头的正水口和反水口。
48.⑦
对钻头进行表面处理。
49.本发明的制作过程中，钻头钢体1和非工作层13可进行加工，水口内水道6在钻头钢体1和非工作层13上通过插床加工处理，水口外水道7通过磨床在钻头钢体1和非工作层13上加工出来。
50.工作层12不可加工，通过提出垫圈10（石墨）和工作层12上的石墨，出现石墨水口14，包括正水口4和反水口5两种；工作层12呈现胎块一2和胎块二3两种，并呈现钻头唇面8。