金刚石钻头及其制造方法与流程

1.本发明实施例涉及钻具技术领域，尤其涉及一种金刚石钻头及其制造方法。

背景技术：

2.石油勘探钻井中主要使用金刚石钻头，金刚石钻头通常包括钻头本体、设置在钻头本体上的刀翼，以及设置在刀翼上的切削齿，通过切削齿对地层岩石进行挤压和剪切来破坏岩石。切削齿的材质可以为聚晶金刚石复合片(英文全称polycrystalline diamond compact，简称pdc)。

3.金刚石钻头在使用过程中，切削齿承受较大的冲击力，在钻进高砾石含量夹杂地层或者硬质地层时容易产生冲击损伤，导致切削齿的破坏，钻进效率低。此外，在高温高压气井的钻井过程中，金刚石钻头需钻进巨厚砾石层，该砾石层结构、成分比较复杂，其包括上部未成岩松散堆积的超大砾径砾石，准成岩段的中等砾径砾石以及下部压实效果好的小砾岩，其砾石成分既包括玄武岩、安山岩等火成岩，也包含变质岩及碳酸盐岩类沉积岩，金刚石钻头钻进时的进尺低、钻速慢，钻进效率低。

技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明实施例提供一种金刚石钻头及其制造方法，用于提高金刚石钻头的钻进效率。

5.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

6.第一方面，本发明实施例提供一种金刚石钻头，其包括：钻头本体，设置在所述钻头本体的刀翼，以及设置在所述刀翼上的第一切削齿和第二切削齿，所述刀翼设置在所述钻头本体的侧壁上，且延伸至所述钻头本体的第一端面，沿远离所述第一端面的方向，所述刀翼依次包括心部、鼻部、肩部和保径部；所述第二切削齿用于预破碎目标岩层，所述第一切削齿包括第一抗冲击齿和第一抗研磨齿，所述第一抗冲击齿设置在所述肩部和所述保径部，所述第一抗研磨齿设置在所述心部和所述鼻部；所述第二切削齿包括第二抗冲击齿和第二抗研磨齿，所述第二抗冲击齿设置在所述肩部，所述第二抗研磨齿设置在所述保径部。

7.本发明实施例提供的金刚石钻头至少具有如下优点：

8.本发明实施例提供的金刚石钻头包括第一切削齿和第二切削齿，第一切削齿用于破碎目标岩层，第二切削齿用于预破碎目标岩层，通过第二切削齿使目标岩层形成先期裂纹，从而降低第一切削齿破碎目标岩层时的钻压及扭转力，提高金刚石钻头进尺和钻速，从而提高金刚石钻头的钻进效率。此外，第一切削齿包括第一抗冲击齿和第一抗研磨齿，第二切削齿包括第二抗冲击齿和第二抗研磨齿，其中，第一抗冲击齿设置在肩部和保径部，第一抗研磨齿设置在心部和鼻部，第二抗冲击齿设置在肩部，第二抗研磨齿设置在保径部，使得金刚石钻头的各齿的排布与其受力相匹配，即金刚石钻头中磨损较严重的心部和鼻部设置抗研磨齿，冲击较严重的肩部设置抗冲击齿，从而提高金刚石钻头的抗冲击性和抗研磨性，进而提高金刚石钻头进尺和钻速，从而提高金刚石钻头的钻进效率。

9.如上所述的金刚石钻头中，所述第一切削齿为三棱形齿，所述三棱形齿包括第一柱状部，所述第一柱状部的端面的中心区域设置有三角形平面，所述三角形的三个顶点分别连接一条凸脊。

10.如上所述的金刚石钻头中，所述第一抗冲击齿和所述第一抗研磨齿通过第一原始切削齿酸化后获得，酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，用于所述第一抗研磨齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比和用于所述第一抗冲击齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比不同。

11.如上所述的金刚石钻头中，所述第二切削齿为锥形齿，所述锥形齿包括锥面部和所述锥面部的底面连接的第二柱状部。

12.如上所述的金刚石钻头中，所述锥面部的锥角为60

°?

120

°

。

13.如上所述的金刚石钻头中，所述第二抗冲击齿和所述第二抗研磨齿通过第二原始切削齿酸化后获得，酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，用于所述第二抗研磨齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比和用于所述第二抗冲击齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比不同。

14.如上所述的金刚石钻头中，所述刀翼上设置有双排齿，所述刀翼远离所述第一端面的一侧还设置有倒划眼齿。

15.第二方面，本发明实施例还提供一种金刚石钻头的制造方法，其包括：

16.对第一切削齿和第二切削齿进行空间布齿；

17.获得目标岩层的研磨指数和冲击指数，并根据所述研磨指数和所述冲击指数模拟不同钻压和转速下所述第一切削齿和所述第二切削齿的受力情况；

18.根据所述受力情况确定所述第一切削齿选用第一抗研磨齿或第一抗冲击齿，所述第二切削齿选用第二抗研磨齿或者第二抗冲击齿。

19.本发明实施例提供的金刚石钻头的制造方法具有如下优点：

20.本发明实施例提供的金刚石钻头的制造方法中，根据目标岩层的研磨指数和冲击指数模拟不同工况下的第一切削齿和第二切削齿的受力情况，并根据受力情况确定第一切削齿选用第一抗研磨齿或第一抗冲击齿，第二切削齿选用第二抗研磨齿或者第二抗冲击齿，使得各抗研磨齿和各抗冲击齿的排布与其受力相匹配，从而提高金刚石钻头的抗冲击性和抗研磨性，进而提高金刚石钻头进尺和钻速，从而提高金刚石钻头的钻进效率。

21.如上所述的金刚石钻头的制造方法中，获得目标岩层的研磨指数和冲击指数时，利用自然伽马测井和声波测井获得测井数据，并根据测井数据计算所述目标岩层的研磨指数和冲击指数。

22.如上所述的金刚石钻头的制造方法中，还其包括：获得多个第一原始切削齿和多个第二原始切削齿，各所述第一原始切削齿和各第二原始切削齿的金刚石层通过电火花加工成所需形状；

23.将各所述第一原始切削齿和各所述第二原始切削齿的非金刚石层的部位进行密封；

24.对各所述第一原始切削齿和各所述第二原始切削齿暴露的金刚石层进行不同的酸化处理；其中，部分所述第一原始切削齿形成第一抗研磨齿，部分所述第一原始切削齿形成第一抗冲击齿，部分所述第二原始切削齿形成第二抗研磨齿，部分所述第二原始切削齿形成第二抗冲击齿。

25.除了上面所描述的本发明实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及

由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明实施例提供的金刚石钻头及其制造方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

26.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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

27.图1为本发明实施例中的金刚石钻头的结构示意图；

28.图2为本发明实施例中的第一切削齿的结构示意图；

29.图3为本发明实施例中的第二切削齿的结构示意图；

30.图4为本发明实施例中的第一切削齿和第二切削齿的布齿设计图；

31.图5为本发明实施例中的目标岩层的研磨指数和冲击指数的分布图；

32.图6为本发明实施例中的抗冲击齿和抗研磨齿的布齿分布图。

33.附图标记说明：

34.100-金刚石钻头；

????

110-钻头本体；

35.120-刀翼；

??????????

121-心部；

36.122-鼻部；

??????????

123-肩部；

37.124-保径部；

????????

125-保径块；

38.130-第一切削齿；

????

131-第一柱状部；

39.132-三角形平面；

????

133-凸脊；

40.140-第二切削齿；

????

141-第二柱状部；

41.142-锥面部；

????????

150-喷嘴；

42.160-倒划眼齿；

??????

170-排屑槽。

具体实施方式

43.为了提高金刚石钻头进尺、钻速以及钻进效率，本发明实施例中的金刚石钻头在刀翼的肩部和保径部设置第一抗冲击齿，在刀翼的心部和鼻部设置第一抗研磨齿，并在刀翼的肩部设置第二抗冲击齿，在刀翼的保径部设置第二抗研磨齿，第一抗冲击齿和第一抗研磨齿用于破碎目标岩层，第二抗冲击齿和第二抗研磨齿用于预破碎目标岩层，使得金刚石钻头的各齿的排布与其受力相匹配，即金刚石钻头中磨损较严重的心部和鼻部设置抗研磨齿，冲击较严重的肩部设置抗冲击齿，从而提高金刚石钻头的抗冲击性和抗研磨性，进而提高金刚石钻头的钻进效率。

44.为了使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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的一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

45.实施例一

46.参考图1，本发明实施例提供一种金刚石钻头100，该金刚石钻头100包括钻头本体110、设置在钻头本体110上的刀翼120，以及设置在刀翼120上的第一切削齿130和第二切削齿140。其中，钻头本体110可以大致呈柱状结构，例如圆柱状；钻头本体110上设置有刀翼120，刀翼120可以设置有多条，例如六条，多条刀翼120间隔设置。

47.如图1所示，多条刀翼120环绕钻头本体110的轴线方向设置在钻头本体110的侧壁上，且多条刀翼120延伸至钻头本体110的第一端面。示例性的，本发明实施例中的六条刀翼120中三条刀翼120为第一刀翼，第一刀翼延伸至第一端面的中心区域，另三条刀翼120为第二刀翼，第二刀翼分别位于相邻的两条第一刀翼之间，且与第一刀翼之间具有间隔。

48.相邻的两条刀翼120之间形成排屑槽170，示例性的，第二刀翼与其相邻的两个第一刀翼之间分别形成排屑槽170，且这两个排屑槽170在第一端面上相连通。当目标岩层的岩石破碎之后所形成的碎岩可以通过排屑槽170导向和排出，以减少碎岩对刀翼120上的第一切削齿130或者第二切削齿140的冲击载荷，减少或者避免第一切削齿130或者第二切削齿140钝化过快，提高金刚石钻头100的钻速。

49.钻头本体110的第一端面上还设置有喷嘴150，喷嘴150位于排屑槽170的底部，喷嘴150与钻头本体110内部的管道相连通。钻井液经由管道分流后进入喷嘴150，由喷嘴150喷射出，一方面对第一切削齿130和第二切削齿140进行冷却、降温，另一方面还可以清除排屑槽170内的碎岩等，以提高金刚石钻头100的使用寿命和钻进效率。

50.钻头本体110远离第一端面的一端为接头，以将钻头本体110与其他装置进行连接。示例性的，钻头本体110远离第一端面的侧壁上设置有外螺纹，钻头本体110与其他装置之间螺纹连接。钻头本体110与第一端面相对的第二端面暴露管道，以供钻井液进入该管道中。

51.继续参照图1，沿远离第一端面的方向，刀翼120依次包括心部121、鼻部122、肩部123和保径部124。其中，心部121是指刀翼120的内锥部分，其位于刀翼120的首端，用于导向和稳定，内锥角可以为90

°?

150

°

，内锥角的度数根据金刚石钻头100的使用工况进行选择。鼻部122是指刀翼120的最高点，通常鼻部122最先切入目标岩层，鼻部122的半径的大小可以根据金刚石钻头100的使用工况进行选择。肩部123包括刀翼120的外锥部分，肩部123的轮廓线可以为直线或者曲线，直线的轮廓线切入性较好，曲线的轮廓线的耐磨性较好。保径部124位于刀翼120的尾端，用于防止刀翼120在工作时由于目标岩层的磨损而导致金刚石钻头100的直径缩小。

52.每条刀翼120上设置有第一切削齿130和第二切削齿140，第一切削齿130和第二切削齿140间隔分布，第一切削齿130和第二切削齿140可以钎焊在刀翼120上。

53.其中，第一切削齿130主要用于剪切破碎目标岩层，通过克服目标岩层的应力切入目标岩层并向前运动，目标岩层在第一切削齿130的作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动。第二切削齿140主要用于预破碎目标岩层，第二切削齿140与目标岩层的接触面积较小、受力集中，先于第一切削齿130切入目标岩层，使得目标岩层在接触应力的作用下产生破碎裂纹，以释放目标岩层的应力，减弱目标岩层的强度，以便于第一切削齿130的钻进，提高钻进效率。即第二切削齿140具有主动抗涡能力，以降低金刚石钻头100的涡动和反扭矩。

54.在一些可能的示例中，第一切削齿130和第二切削齿140呈单排分布，即刀翼120上

设置有单排齿。在另一些可能的示例中，第一切削齿130和第二切削齿140呈双排分布，即如图1所示，刀翼120上设置有双排齿。

55.参考图2，第一切削齿130为三棱形齿，三棱形齿包括第一柱状部131，第一柱状部131的端面的中心区域设置有三角形平面132，三角形的三个顶点分别连接一条凸脊133，该凸脊133由两侧的斜面形成，为第一切削齿130切削目标岩层时的工作面。当凸脊133磨损至三角形平面132后，该三角形平面132形成切削目标岩层时的新的工作面。其中，第一柱状部131的端面可以为聚晶金刚石材料。

56.参考图3，第二切削齿140为锥形齿，锥形齿包括锥面部142和锥面部142的底面连接的第二柱状部141。锥面部142的锥角可以为60

°?

120

°

，锥顶可以为弧形，锥面部142的外表面可以为聚晶金刚石材料。

57.第一切削齿130包括第一抗冲击齿和第一抗研磨齿，第一抗冲击齿设置在肩部123和保径部124，第一抗研磨齿设置在心部121和鼻部122。第二切削齿140包括第二抗冲击齿和第二抗研磨齿，第二抗冲击齿设置在肩部123，第二抗研磨齿设置在保径部124。通过将第二抗冲击齿设置在肩部123，并通过调整第二抗冲击齿的倾角方向和高度差，使得第二抗冲击齿可以主动接触目标岩层。如此设置，一方面通过第二抗冲击齿使目标岩层形成破碎裂纹，起到预破碎目标岩层的目的，另一方面降低钻压及扭转力，提高金刚石钻头100的抗涡动性能，减小热磨损和冲击作用对第一切削齿130和/或第二切削齿140的破坏，延长金刚石钻头100寿命。

58.其中，第一抗冲击齿和第一抗研磨齿通过第一原始切削齿酸化后获得，酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，用于第一抗研磨齿的酸化溶液和用于第一抗冲击齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比不同。第一原始切削齿按照不同的时间和温度在不同的酸化溶液中进行酸化处理，酸化处理后的第一抗冲击齿的抗冲击性相较于第一原始切削齿提高100％及以上，酸化处理后的第一抗研磨齿的抗研磨性相较于第一原始切削齿提高50％及以上。

59.第二抗冲击齿和第二抗研磨齿通过第二原始切削齿酸化后获得，酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，用于第二抗研磨齿的酸化溶液和用于第二抗冲击齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比不同。第二原始切削齿按照不同的时间和温度在不同的酸化溶液中进行酸化处理，酸化处理后的第二抗冲击齿的抗冲击性相较于第二原始切削齿提高100％及以上，酸化处理后的第二抗研磨齿的抗研磨性相较于第二原始切削齿提高50％及以上。

60.继续参考图1，保径部124上还设置有保径块125，保径块125可以为耐磨件，其镶装或者敷焊在保径部124上。保径块125可以为硬质合金材料，通过设置保径块125防止金刚石钻头100的直径减小(即缩径)。保径块125还可以设置有保径齿，保径齿可以设置有两排，以增加保径部124的强度。两排保径齿间隔设置在保径块125上，保径块125的高度可以为8-9cm，以增加钻头本体110钻入过程中与井壁的接触面积，增加金刚石钻头100的稳定性，并降低钻头本体110单位面积上所受的侧向力，从而降低保径部124的磨损速度，延长金刚石钻头100的使用寿命。

61.具体的，保径齿的后倾角可以为30

°?

35

°

，进一步降低保径齿所受到的侧向冲击力。保径齿远离第一端面的一侧还设置有倒划眼齿160，如图1所示，保径部124的下端设置有倒划眼齿160。倒划眼齿160可以防止起钻时遇到阻卡，保证金刚石钻头100的安全性。示例性的，倒划眼齿160可以具有外凸表面。

62.本发明实施例中的金刚石钻头100可以根据其使用情况，确定露齿高度、第一切削齿130直径、第二切削齿140直径、各切削齿的后倾角、保径齿数量等设计参数，通过金刚石钻头100设计软件生成金刚石钻头100的轮廓图，此时得到第一切削齿130和第二切削齿140的空间分布。再根据目标岩层的冲击指数和研磨指数，模拟不同使用参数(例如转速、钻速等)时金刚石钻头100的受力以及切削功的分布，确定第一切削齿130和第二切削齿140的类型(抗冲击性齿或者抗研磨性齿)、角度、间距等参数，从而提高金刚石钻头100的抗冲击性和抗研磨性。

63.示例性的，本发明实施例中，第一切削齿130和第二切削齿140呈双排分布，以金刚石钻头100的旋转方向为前，前排齿与切削面之间的后倾角为15-25

°

，后排齿与切削面之间的后倾角为25

°?

35

°

，后排齿的露齿高度可以大于前排齿的露齿高度，高度差小于或者等于2mm。

64.本发明实施例提供的金刚石钻头100包括第一切削齿130和第二切削齿140，第一切削齿130用于破碎目标岩层，第二切削齿140用于预破碎目标岩层，通过第二切削齿140使目标岩层形成先期裂纹，从而降低第一切削齿130破碎目标岩层时的钻压及扭转力，提高金刚石钻头100进尺和钻速，从而提高金刚石钻头100的钻进效率。此外，第一切削齿130包括第一抗冲击齿和第一抗研磨齿，第二切削齿140包括第二抗冲击齿和第二抗研磨齿，其中，第一抗冲击齿设置在肩部123和保径部124，第一抗研磨齿设置在心部121和鼻部122，第二抗冲击齿设置在肩部123，第二抗研磨齿设置在保径部124，使得金刚石钻头100的各齿的排布与其受力相匹配，即金刚石钻头100中磨损较严重的心部121和鼻部122设置抗研磨齿，冲击较严重的肩部123设置抗冲击齿，从而提高金刚石钻头100的抗冲击性和抗研磨性，进而提高金刚石钻头100进尺和钻速，从而提高金刚石钻头100的钻进效率。

65.实施例二

66.本发明实施例还提供一种金刚石钻头的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

67.步骤s101、对第一切削齿和第二切削齿进行空间布齿。

68.第一切削齿主要用于剪切破碎目标岩层，通过克服目标岩层的应力切入目标岩层并向前运动，目标岩层在第一切削齿的作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动。第二切削齿主要用于预破碎目标岩层，第二切削齿与目标岩层的接触面积较小、受力集中，先于第一切削齿切入目标岩层，使得目标岩层在接触应力的作用下产生破碎裂纹，以释放目标岩层的应力，减弱目标岩层的强度，以便于第一切削齿的钻进，提高钻进效率。可以理解的是，第二切削齿具有主动抗涡能力，以降低金刚石钻头的涡动和反扭矩。

69.第一切削齿可以为三棱形齿，三棱形齿包括第一柱状部，第一柱状部的端面的中心区域设置有三角形平面，三角形的三个顶点分别连接一条凸脊，该凸脊由两侧的斜面形成，为第一切削齿切削目标岩层时的工作面。当凸脊磨损至三角形平面后，该三角形平面形成切削目标岩层时的新的工作面。其中，第一柱状部的端面可以为聚晶金刚石材料。

70.第二切削齿可以为锥形齿，锥形齿包括锥面部和锥面部的底面连接的第二柱状部。锥面部的锥角可以为60

°?

120

°

，锥顶可以为弧形，锥面部的外表面可以为聚晶金刚石材料。

71.根据金刚石钻头的使用情况，确定露齿高度、第一切削齿直径、第二切削齿直径、各切削齿的后倾角、保径齿数量等设计参数，通过金刚石钻头设计软件生成金刚石钻头的

轮廓图，此时得到第一切削齿和第二切削齿的空间分布如图4所示。

72.步骤s102、获得目标岩层的研磨指数和冲击指数，并根据研磨指数和冲击指数模拟不同钻压和转速下第一切削齿和第二切削齿的受力情况。

73.在一些可能的示例中，利用自然伽马测井和声波测井获得测井数据，并根据测井数据计算目标岩层的研磨指数和冲击指数。自然伽马测井是指测量目标岩层的伽马射线强度，通过谱分析的方法获得目标岩层的放射性元素(例如钾、钍、铀等)的含量，从而得到的测井数据。声波测井是指测量声波在目标岩层的声学特性(例如传播速度)等，获得测井数据。

74.具体的，自然伽马测井后获得伽马曲线，该曲线表征随深度变化的伽马射线强度，根据伽马曲线可以计算目标岩层的泥质体积分数，泥质体积分数是指泥岩体积含量的相对值，泥质体积分数越大，目标岩层的泥质体积含量越高。泥质体积分数的计算公式为：

75.i

gr

＝(gr-gr0)/(gr100-gr0)；

76.i

gr

为泥质体积分数，无量纲，gr为目标层的自然伽马测井读数值(cps)，gr100为纯砂岩层的自然伽马测井读数值(cps)，gr0为纯泥岩层的自然伽马测井读数值(cps)。通常情况下，gr100取值115，gr0取值15。

77.根据地层体积模型，例如larionov模型，通过泥质体积分数(i

gr

)计算泥岩指数(v

sh

)，计算公式为：

[0078][0079]

根据泥岩指数、孔隙度、密度和地层流体密度，计算砂岩含量，具体的计算公式为：

[0080]vsand

+v

shale

+v

other

+cnc＝1；

[0081]

2.65

×vsand

+2.64

×vshale

+ρ

othervother

+cnc

×

ρ

fluid

＝zden；

[0082]vshale

＝v

sh

；

[0083]

其中，v

sand

是指岩石中砂岩体积占比，v

shale

是指岩石中泥岩体积占比，v

other

是指岩石中其它岩性体积占比，cnc是指岩石中孔隙体积占比，ρ

other

是指岩石中其它岩性平均密度，ρ

fluid

是指岩石中孔隙流体密度，zden是指岩石的单位质量。

[0084]

对上述公式继续归一化及对数处理，可以得到目标岩层的研磨指数，其公式为：

[0085]

abrasion index＝normalize(v

sand

/dt)；

[0086]

abrasion index是指研磨指数，dt是指岩石的声波时差

[0087]

根据golubev经验公式，计算单轴抗压强度，计算公式如下：

[0088][0089]

其中，dt为声波时差，单位为us/ft，usd为单轴抗压强度。金刚石钻头在钻进不同抗压强度的目标岩层时，易因涡动导致肩部的切削齿受到冲击损伤，单轴抗压强度的变化率与金刚石钻头的冲击损伤相关。

[0090]

计算目标岩层的冲击指数，计算公式为：

[0091][0092]

其中，ucs(i)为第i深度计算所得单轴抗压强度值，δmd为第i+1深度与第i深度之

间井深差。

[0093]

在一种可能的示例中，目标岩层为砾石层，该目标岩层的研磨指数如图5中左图所示，该目标岩层的冲击指数如图5中右图所示。将目标岩层的研磨指数和冲击指数加载至计算机辅助工程设计软件(例如cae)中，模拟在不同钻压和转速的钻井参数组合下的第一切削齿和第二切削齿的受力。

[0094]

需要说明的是，步骤s101与步骤s102之间没有顺序性，即可以先进行步骤s101，也可以先进行步骤s102，或者步骤s101与步骤s102同时进行。

[0095]

步骤s103、根据受力情况确定第一切削齿选用第一抗研磨齿或第一抗冲击齿，第二切削齿选用第二抗研磨齿或者第二抗冲击齿。

[0096]

根据得到的第一切削齿或者第二切削齿的受力分布情况，确定不同位置的第一切削齿选用第一抗研磨齿或者第一抗冲击齿，第二切削齿选用第二抗研磨齿或者第二抗冲击齿，以使第一切削齿或者第二切削齿的性能与其受力相匹配，从而提高金刚石钻头的抗冲击性和抗研磨性，进而提高金刚石钻头进尺和钻速，从而提高金刚石钻头的钻进效率。

[0097]

示例性的，参考图6，在一些可能的示例中，从刀翼的心部至保径部依次编号的第1至47号齿中，第1号齿至第14号齿为抗研磨性齿，第15号齿至第47号齿为抗冲击齿。可以理解的是，第1号齿至第14号齿为第一切削齿或者第二切削齿根据前序步骤已经确定，不会再变更，本步骤用于确定第一切削齿与第二切削齿的类型(抗研磨或者抗冲击)。

[0098]

需要说明的是，本发明实施例中的金刚石钻头的制造方法具还可以包括以下步骤：

[0099]

步骤a：获得多个第一原始切削齿和多个第二原始切削齿，各第一原始切削齿和各第二原始切削齿的金刚石层通过电火花加工成所需形状。

[0100]

第一原始切削齿可以为三棱形齿，三棱形齿包括第一柱状部，第一柱状部的端面的中心区域设置有三角形平面，三角形的三个顶点分别连接一条凸脊，该凸脊由两侧的斜面形成，第一柱状部的端面为聚晶金刚石材料。

[0101]

制造第一原始切削齿时，将平面型复合片在高温高压条件下烧结成型，并进行无心研磨以使其外径达到要求，再在金刚石磨盘上打磨抛光使得其金刚石层形成平面型，再将金刚石层通过电火花加工成所需的三角形平面。如此设计，顶面的凸脊，以及用于形成凸脊的斜面在烧结时一次成型，从而减少烧结过程中金刚石层的收缩率而导致的误差。此外，采用电火花加工加工精度易于控制，可以降低加工过程中对金刚石层的损伤，使得第一原始切削齿具有加工精度高、成本低、损伤小等特点。

[0102]

第二原始切削齿可以为锥形齿，锥形齿包括锥面部和锥面部的底面连接的第二柱状部。锥面部的锥角可以为60

°?

120

°

，锥顶可以为弧形，锥面部可以为聚晶金刚石材料。第二原始切削齿的制造过程参照第一原始切削齿的制造过程，在此不再赘述。

[0103]

步骤b：将各第一原始切削齿和各第二原始切削齿的非金刚石层的部位进行密封。

[0104]

示例性的，通过特佛龙材料的密封件将各第一原始切削齿和各第二原始切削齿的非金刚石层的部位密封，各第一原始切削齿和各第二原始切削齿的金刚石层暴露出来。

[0105]

步骤c：对各第一原始切削齿和各第二原始切削齿暴露的金刚石层进行不同的酸化处理；其中，部分第一原始切削齿形成第一抗研磨齿，部分第一原始切削齿形成第一抗冲击齿，部分第二原始切削齿形成第二抗研磨齿，部分第二原始切削齿形成第二抗冲击齿。

[0106]

将各第一原始切削齿和各第二原始切削齿放置在酸化溶液中，对各第一原始切削齿和各第二原始切削齿暴露的金刚石层进行不同的酸化处理。酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，酸化溶液包括多种，多种酸化溶液中的盐酸与硝酸的配比不同。

[0107]

具体的，第一原始切削齿按照不同的时间和温度在不同的酸化溶液中进行酸化处理，酸化处理后的第一抗冲击齿的抗冲击性相较于第一原始切削齿提高100％及以上，酸化处理后的第一抗研磨齿的抗研磨性相较于第一原始切削齿提高50％及以上。

[0108]

第二原始切削齿按照不同的时间和温度在不同的酸化溶液中进行酸化处理，酸化处理后的第二抗冲击齿的抗冲击性相较于第二原始切削齿提高100％及以上，酸化处理后的第二抗研磨齿的抗研磨性相较于第二原始切削齿提高50％及以上。

[0109]

本发明实施例提供的金刚石钻头的制造方法中，根据目标岩层的研磨指数和冲击指数模拟不同工况下的第一切削齿和第二切削齿的受力情况，并根据受力情况确定第一切削齿选用第一抗研磨齿或第一抗冲击齿，第二切削齿选用第二抗研磨齿或者第二抗冲击齿，使得各抗研磨齿和各抗冲击齿的排布与其受力相匹配，从而提高金刚石钻头的抗冲击性和抗研磨性，进而提高金刚石钻头进尺和钻速，从而提高金刚石钻头的钻进效率。

[0110]

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

[0111]

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

[0112]

在本说明书的描述中，参考术“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

[0113]

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。技术特征：

1.一种金刚石钻头，其特征在于，包括：钻头本体，设置在所述钻头本体的刀翼，以及设置在所述刀翼上的第一切削齿和第二切削齿，所述刀翼设置在所述钻头本体的侧壁上，且延伸至所述钻头本体的第一端面，沿远离所述第一端面的方向所述刀翼依次包括心部、鼻部、肩部和保径部；所述第二切削齿用于预破碎目标岩层，所述第一切削齿包括第一抗冲击齿和第一抗研磨齿，所述第一抗冲击齿设置在所述肩部和所述保径部，所述第一抗研磨齿设置在所述心部和所述鼻部；所述第二切削齿包括第二抗冲击齿和第二抗研磨齿，所述第二抗冲击齿设置在所述肩部，所述第二抗研磨齿设置在所述保径部。2.根据权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于，所述第一切削齿为三棱形齿，所述三棱形齿包括第一柱状部，所述第一柱状部的端面的中心区域设置有三角形平面，所述三角形的三个顶点分别连接一条凸脊。3.根据权利要求2所述的金刚石钻头，其特征在于，所述第一抗冲击齿和所述第一抗研磨齿通过第一原始切削齿酸化后获得，酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，用于所述第一抗研磨齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比和用于所述第一抗冲击齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比不同。4.根据权利要求1所述的金刚石钻头，其特征在于，所述第二切削齿为锥形齿，所述锥形齿包括锥面部和所述锥面部的底面连接的第二柱状部。5.根据权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于，所述锥面部的锥角为60

°?

120

°

。6.根据权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于，所述第二抗冲击齿和所述第二抗研磨齿通过第二原始切削齿酸化后获得，酸化溶液包括盐酸和硝酸的混合溶液，用于所述第二抗研磨齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比和用于所述第二抗冲击齿的酸化溶液的盐酸与硝酸的配比不同。7.根据权利要求4所述的金刚石钻头，其特征在于，所述刀翼上设置有双排齿，所述刀翼远离所述第一端面的一侧还设置有倒划眼齿。8.一种金刚石钻头的制造方法，其特征在于，包括：对第一切削齿和第二切削齿进行空间布齿；获得目标岩层的研磨指数和冲击指数，并根据所述研磨指数和所述冲击指数模拟不同钻压和转速下所述第一切削齿和所述第二切削齿的受力情况；根据所述受力情况确定所述第一切削齿选用第一抗研磨齿或第一抗冲击齿，所述第二切削齿选用第二抗研磨齿或者第二抗冲击齿。9.根据权利要求8所述的金刚石钻头的制造方法，其特征在于，获得目标岩层的研磨指数和冲击指数时，利用自然伽马测井和声波测井获得测井数据，并根据测井数据计算所述目标岩层的研磨指数和冲击指数。10.根据权利要求8或9所述的金刚石钻头的制造方法，其特征在于，还包括：获得多个第一原始切削齿和多个第二原始切削齿，各所述第一原始切削齿和各第二原始切削齿的金刚石层通过电火花加工成所需形状；将各所述第一原始切削齿和各所述第二原始切削齿的非金刚石层的部位进行密封；对各所述第一原始切削齿和各所述第二原始切削齿暴露的金刚石层进行不同的酸化处理；其中，部分所述第一原始切削齿形成第一抗研磨齿，部分所述第一原始切削齿形成第

一抗冲击齿，部分所述第二原始切削齿形成第二抗研磨齿，部分所述第二原始切削齿形成第二抗冲击齿。

技术总结

本发明属于钻具技术领域，具体涉及一种金刚石钻头及其制造方法，用于解决金刚石钻头钻进效率较低的技术问题。该金刚石钻头包括：钻头本体，刀翼、设置在刀翼上的第一切削齿和第二切削齿，刀翼设置在钻头本体的侧壁上且延伸至钻头本体的第一端面，沿远离第一端面的方向刀翼依次包括心部、鼻部、肩部和保径部；第二切削齿用于预破碎目标岩层，第一切削齿包括第一抗冲击齿和第一抗研磨齿，第一抗冲击齿设置在肩部和保径部，第一抗研磨齿设置在心部和鼻部；第二切削齿包括第二抗冲击齿和第二抗研磨齿，第二抗冲击齿设置在肩部，第二抗研磨齿设置在保径部，使得各切削齿的排布与其受力相匹配，从而提高提高金刚石钻头的钻进效率。从而提高提高金刚石钻头的钻进效率。从而提高提高金刚石钻头的钻进效率。

技术研发人员：张端瑞 李宁 刘洪涛 梁红军 周波 张艳艳 赵力 娄尔标 靳渭刚 张权 冯惠 文涛 卢俊安 陈龙 陈凯枫 韩雨恬

受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司

技术研发日：2021.10.29

技术公布日：2023/5/5