專利名稱：一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及地質勘探技術領域，具體涉及一種“分層分級內錐型，對稱內八字前 束，漩渦式定心導向“的一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭及制造方法。
背景技術：
金剛石取芯鉆頭地質勘探過程中，被廣泛采用，現階段的金剛石取芯鉆頭存在如 下缺陷
一、傳統(tǒng)鉆頭的刀頭平型唇面不利于鉆進定心導向，持續(xù)鉆進容易造成孔斜，沒有針對 孔斜的糾正功能。二.傳統(tǒng)鉆頭的刀頭由于單一配方，不能適應不同地層的地質復雜性要求，在鉆進 不同巖層時需要更換不同的鉆頭，增加了地質勘探工作的復雜性，嚴重影響工作效率。三、傳統(tǒng)形式的鉆頭無論配置使用最好的材料也無法達到廣譜性能，鉆頭的時效 和壽命都很低。四、傳統(tǒng)形式的鉆頭保徑定心不好，不能穩(wěn)定取芯，不能完全使用完整個鉆頭的刀 頭工作層。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠克服現有技術缺陷的“分層分級內錐型，對 稱內八字前束，漩渦式定心導向“的一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭。本發(fā)明的目的之二在于提供一種制作“分層分級內錐型，對稱內八字前束，漩渦 式定心導向“的一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的方法。為實現上述目的一，本發(fā)明采用如下技術方案
一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭，包括刀頭組件和鋼體，所述刀頭組件上沿圓周均 勻分布的多個刀頭和多個水口，所述刀頭組件的下端面為其唇面并呈內低外高的臺階狀， 所述鋼體內外在水口處分別設置有互相導通的內水口和外水口；
所述刀頭組件的上端面呈臺階狀，并通過連接料層與所述鋼體連接。所述刀頭組件包括偶數個刀頭，該偶數個刀頭兩兩相對。所述鋼體呈圓柱狀，沿其軸向開設有一通孔，所述通孔內壁開設有螺紋。所述刀頭包括多個互相匹配且依次疊放的圓弧片狀體。為實現上述目的二，本發(fā)明采用如下技術方案
上述孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的制作方法，包括如下步驟
A、制作成多個刀頭組合體，同時去筒狀鋼體，在其端面上加工燕尾狀凹位，制成鋼體初
坯；
B、將凸形底環(huán)置入呈圓柱狀外模腔的底部，置入柱狀的模芯件，將多個刀頭組合體及與之數量相等的水口塞依次間隔，且圍繞柱狀的模芯件裝入模腔中并置于凸形底環(huán)上，使 該若干刀頭組合體與水口塞相互間隔并圍成圓形，在外模與模芯件形成的腔體內位于刀頭 初坯上裝入連接材料，將鋼體初坯開設有燕尾狀凹位的一端插入外模與模芯件形成的腔體 內，并使其與連接材料接觸，裝成燒結組合體；
C、將裝好的燒結組合體，放入自動中頻燒結機中，使刀頭初坯位于感應圈中心位置，并 在燒結組合體的上部墊設一具有排氣孔的墊塊；
D、對燒結組合體進行升溫加壓處理；
E、對經過升溫加壓處理的燒結組合體進行冷卻處理，制成鉆頭胚體；
F、將冷卻后的鉆頭胚體從外模中脫出，在油壓機上將模芯壓出，去除石墨水口塞； 其中步驟D包括
D1、對燒結組合體進行加熱，以溫度升至600°C為準，繼續(xù)加熱3-4分鐘，將溫度從 600°C升至750°C，壓力升至15KN ；進一步加熱3_4分鐘，將溫度從750°C升至840°C，壓力 從15KN升至25KN ；再進一步加熱2-3分鐘，將溫度從840°C升至930°C，壓力從25KN升至 35KN ；
D2、加熱3-4分鐘，并保持溫度為930°C，壓力從35KN升至60-65KN，繼續(xù)加熱6_7分鐘， 并保持溫度為930°C，壓力保持為60-65KN。其中步驟E具體為
用3-4分鐘時間保持壓力60-65KN，溫度從930°C降至750°C，在750°C以下時從中頻爐 中取出夾入保溫箱中緩冷至常溫。所述外模、凸形底環(huán)、模芯件、水口塞均采用耐高溫石墨材料制成。所述刀頭組合體采用預合金粉末和金剛石混合配制并壓制而成。本發(fā)明的有益效果在于鎖定關聯適宜定義，預設關鍵功能效應
一.本設計鉆頭整套刀頭的組裝配置，以配對每對刀頭為內八字成型方式，刀頭配對 配方陰陽分層對稱平衡，定位排列入座構成內錐型，刀頭分層分布預設同步遞減的勢態(tài)， 構成軟硬兼施的預設功能，唇面漩渦式保錐八字型(預設八字型是鉆頭動態(tài)著陸的瞬間平 衡緩沖和同步補償到位)，持續(xù)獲得漩渦式導向定心力，持續(xù)漩渦式導向定心力就是八 字前束概念。關于前束，是把持前進中的有效約束，在鉆探鉆頭的應用中，需要把持孔徑垂直 的有效緯度，以八字墊定前束而把持定心導向為首要關鍵。二.針對鉆進工藝需要內八字前束的概念，是把持可靠的路徑慣性概念，如馬車 裝備的四只馬頭和馬身之間間距兼顧靈活而又齊頭并進，尋求構成適度約束中聯動而同 步匹配效應。所以，應用預設配對每對陰陽分層對稱平衡的內八字成型刀頭構成動態(tài)著陸而 保持前束，每對刀頭如同一匹馬的動力，如果預設四對刀頭就如四匹馬的匹配聯動而同步 的效應。鉆頭的內八字前束是尋找到瞬間平衡鉆進的有效依托，預設唇面內錐是由若干 組刀頭對稱而靈活應變中瞬間平衡的八字齒型，使鉆頭配套整體持續(xù)平衡，獲得的軟硬兼 施的動態(tài)著陸效果，就是既能前束定心導向，又兼顧緩沖阻力與增速和增壓的平衡鉆進效果。
三.分層級內錐型八字前束漩渦式定心鉆頭，注重八字前束是先把持定心，再兼 導向以定心為核心的集中能量，在很大程度上，可靠地克服了傳統(tǒng)鉆頭的公轉偏擺與孔斜 因素，傳統(tǒng)鉆頭的形式基本上難以約束鉆頭的定心與導向，所以，可以理解為被動后補約
束ο四.八字前束導向原理，又是參照汽車一對前輪方向的八字前束與懸掛著陸的結 構與復合原理，其功能體現約束一對左右前輪擺動中的匹配有效軌道，兼緩沖復雜變化的 軟硬著陸而自動校正復位的效果。五.鉆頭八字前束的應用與鉆桿鉆機的配套匹配，鉆進時的鉆速鉆壓與對應抗擊 阻力擺動因素需要相當高精度的匹配，這一概念，如同汽車一對前輪軌道的前束與懸掛的 綜合因素的概念完成是相通的。試想，鉆頭配套(懸掛兼動力)和工藝如能應對鉆進軌道中復雜變化的巖層環(huán)境 之苛刻程度，需要高精度而可靠的八字前束，才能得到準確緯度；如同汽車一對前輪懸掛 和方向能以應對行進軌道中復雜變化的路面環(huán)境之苛刻程度，需要高精度而可靠的八字 前束，才能得到保駕護航。不可忽視，八字前束與懸掛兼動力的匹配是一脈相承的，力量方向的有效前束決 定后續(xù)力量的匹配跟進，力量匹配的最大化是在于漩渦式定心垂直集中。六.內錐八字前束技術的一些復合效果
1.關鍵在于保錐的始終，并可以大大提高可鉆性能，一方面有效地改善了唇面鉆壓作 用力的壓強比分布，針對對峙巖石圓面反作用力的外弱內強的分布格局(針對圓體承受壓 力內比外的差距大于1.5倍)，以分層配方金剛石細分優(yōu)先壓強比，錯位排列相對的金剛 石破碎格局力；另一方面具備了遇到打滑時增大了研磨面和合圍的漩渦式研磨力，從而獲 得更高的可鉆性能。2.因為由每組對稱八字平衡的刀頭構成內錐形態(tài)，更能促進鉆進中的鉆壓傳遞 到分層唇面上的分層分級金剛石，以最佳銳角載現多種壓強比，又以聯動組合方式釋放沖 擊波式、脈沖式的升級能量。3.聯動組合能量的釋放，在有限的唇面上獲得最大的陰陽分布的分層而有序差 異的漩渦式脈沖點擊破碎力，該有序差異的漩渦式脈沖點擊破碎力，如同汽車自動變速箱 的大中小變速齒輪的同步循環(huán)效果，既在高速和變速中傳動的持續(xù)緩沖又兼顧扭力轉化 而遞增杠桿式升級功力，就是升級的高效攻克力。唇面分層陰陽形態(tài)與鉆速和鉆壓的三合一趨向促成遞增升級功力是必然態(tài)勢， 從而可以優(yōu)勝于傳統(tǒng)鉆頭的多項效果與各項指標。七.鎖鏈式裝配系統(tǒng)的關聯適宜與定位是刀頭有序的配對配方與分層對稱，定 位排列入座呈內錐，并依托分層燕尾型基體(鋼體)的支撐，預設支配分層刀頭在加工中 的行程才能匹配，鉆頭裝配和應用具備了全方位匹配才能獲得保錐的始終。八.應用中對比的描述，歷經長期實踐測試，該鉆頭技術之優(yōu)勝，具備的效果與 效率
1.鉆進保持常態(tài)與特點，先剪切開鉆孔外徑周邊的最薄弱對抗力的巖面，再合力圍攻 漩渦式包裹唇面內巖石，遇破碎巖層能保持高效鉆進力。2.可鉆性能，具備更大的廣譜性能，在同等用料和配套情況下，相對比傳統(tǒng)鉆頭的攻克能力高強150%以上。3.進尺時效鋒利度，同等用料配套，相對同類巖層的情況下比較傳統(tǒng)鉆頭的進尺 時效高強200%以上。4.鉆頭的單位磨耗比，因為鉆進力量的垂直集中和質能損耗的均衡，明顯減少了 非鉆進磨耗，所以，在對等情況下，該鉆頭的單位平均壽命明顯大于傳統(tǒng)鉆頭的180%以 上。5.對于解決打滑巖層，具有相當強的軟硬兼施能力。6.因為鉆頭在鉆進中偏擺機會甚少，所以有效提高內外保徑效果。


圖1為本發(fā)明一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的結構示意圖； 圖2為圖1所示孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的剖視圖3圖1中鋼體的剖視圖4為本發(fā)明制作方法中燒結組合體的安裝示意圖； 圖5為本發(fā)明制作方法中燒結工藝示意圖。
具體實施例方式下面，結合附圖以及具體實施方式
，對本發(fā)明做進一步描述。如圖1、2、3所示，為本發(fā)明的一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭，包括鉆頭鋼體 1、刀頭3、以及用于連接鉆頭鋼體1與刀頭3的連接層2，其中，鉆頭鋼體1呈圓柱筒狀，在 其下端面上開設有凹位，該凹位在鉆頭鋼體1的軸向截面上呈燕尾臺階型，刀頭3對接于鉆 頭鋼體1具有燕尾臺階型的端部，通過連接層2與鉆頭鋼體1連接，具體可采用燒結工藝。 由于采用燕尾臺階型的連接凹位，增大了連接層2與鉆頭鋼體1的接觸面積，也就增大了其 二者之間的結合力。刀頭3的下端面為其唇面，其呈內低外高的臺階狀，刀頭3的上端面呈臺階狀，與 鉆頭鋼體1的燕尾臺階型凹位相匹配；多個刀頭3在鉆頭鋼體1端面上圍成一個圓周，且該 圓周與鉆頭鋼體1的外周緣匹配，多個刀頭3均勻分布。該取芯地質鉆頭一共包括八個刀頭3，相鄰的兩個刀頭3之間，形成一過水槽4，因 此一共形成八個過水口 4 ；鉆頭鋼體1上具有一軸向的大通孔11，在該大通孔11的內壁設 置有與擴孔器匹配的內螺紋12，工作時，可利用內螺紋12將上述地質取芯鉆頭連接在擴孔 器上。此外，為了在鉆進過程中，能夠使內部水流順暢流出，在鉆頭鋼體1上設置有與過水 槽4匹配的導水槽13、14，其中導水槽13位于鉆頭鋼體1的外表面，導水槽14位于鉆頭鋼 體1的內表面。如圖2中所示上述刀頭3形狀均相同，在其唇面(即其端面)形成一個三級臺階狀， 刀頭3的厚度由下至上依次遞增，具體的是dl<d2<d3。刀頭3具體的是由三層圓弧片 狀體相互匹配且依次疊放組成，利用凸形底環(huán)上表面的三級臺階形狀使圓弧片狀體組合而 成刀頭3的唇面呈三級臺階內錐狀態(tài)。此外，本發(fā)明孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的刀頭數量可以根據需要設置，以八個為基礎，隨著鉆頭直徑大小相對刀頭承擔的壓強比，以偶數配對組合為準。本發(fā)明的“分層分級內錐型，對稱內八字前束，漩渦式定心導向“的一種孕鑲金 剛石繩索取芯地質鉆頭的鋼體，如圖3所示，說明分層燕尾的鋼體有利于承托分層刀頭裝 置與燒結完整成型，有利于加強胎體與鋼體連接的結合強度。上述孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的制作方法如下 上述地質取芯鉆頭的制作方法如下
(100)制作多個圓弧片狀體，該多個圓弧片狀體相互匹配且依次疊放形成刀頭組合體； 取筒狀的鋼體，在其一端面上加工燕尾狀凹位，制成鋼體初坯；
(110)如圖4所示，將與刀頭組合體;T唇面形狀匹配的凸形底環(huán)5置入呈外模6的圓柱 狀內腔底部，置入柱狀的模芯件7，若干刀頭組合體;T及與之數量相等的水口塞(圖未示) 依次間隔的裝入外模6與模芯件7形成的內腔中并置于凸形底環(huán)5上，使若干刀頭組合體 與水口塞相互間隔并圍圓形，在外模6與模芯件7形成的腔體內位于刀頭組合體;T上裝 入連接材料8，將鉆頭鋼體初坯Γ開設有燕尾狀凹位的一端插入外模6與模芯件7形成的 腔體內，并使其與連接材料8接觸，裝成如圖4所示的燒結組合體；
(120)如圖5所示，將裝好的燒結組合體，放入自動中頻燒結機中，并使刀頭組合體;T 位于感應圈93的中心位置，并在燒結組合體的上部墊設一具有排氣孔的墊塊94，墊塊94位 于壓頭95的下方，燒結組合體的底部與底座91之間用一石墨墊92隔開；
(130)對燒結組合體進行升溫加壓處理；該步驟具體為
(131)對燒結組合體進行加熱，以溫度升至600°C為準，繼續(xù)加熱3-4分鐘，將溫度從 600°C升至750°C，壓力升至15KN ；進一步加熱3_4分鐘，將溫度從750°C升至840°C，壓力 從15KN升至25KN ；再進一步加熱2-3分鐘，將溫度從840°C升至930°C，壓力從25KN升至 35KN ；
(132)加熱3-4分鐘，并保持溫度為930°C，壓力從35KN升至60-65KN，繼續(xù)加熱6_7分 鐘，并保持溫度為930°C，壓力保持為60-65KN ；
(140)對經過升溫加壓處理的燒結組合體進行冷卻處理，具體的是，用3-4分鐘時間保 持壓力60-65KN，溫度從930°C降至750°C，在750°C以下時從中頻爐中取出夾入保溫箱中緩
冷至常溫。(150)將冷卻后的鉆頭胚體從外模中脫出，在油壓機上將模芯壓出，去除水口塞， 得到地質取芯鉆頭初坯。(160)在以上步驟中制成的地質取芯鉆頭初坯的內表面加工導水槽，以及螺紋面。以上方法中，外模、凸形底環(huán)、模芯件、水口塞均采用耐高溫石墨材料制成。連接材料8為燒結材料，其經過燒結工藝，最終形成如圖2中所示的燒結層2。刀頭胎體材料采用預合金粉末與金剛石混合配方配制并壓制成型，分層胎體針對 鉆探深層中常見巖層的復雜性，相應配置不同的配方用以預設廣譜性能的可鉆性。對于本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各 種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬于本發(fā)明權利要求的保護范 圍之內。
權利要求
1.一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭，其特征在于，包括刀頭組件和鋼體，所述刀頭組 件上沿圓周均勻分布的多個刀頭和多個水口，所述刀頭組件的下端面為其唇面并呈內低外 高的臺階狀，所述鋼體內外在水口處分別設置有互相導通的內水口和外水口 ；所述刀頭組件的上端面呈臺階狀，并通過連接料層與所述鋼體連接。
2.如權利要求1所述的孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭，其特征在于，所述刀頭組件包 括偶數個刀頭，該偶數個刀頭兩兩相對。
3.如權利要求1所述的孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭，其特征在于，所述鋼體呈圓柱 狀，沿其軸向開設有一通孔，所述通孔內壁開設有螺紋。
4.如權利要求1所述的孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭，其特征在于，所述刀頭包括多 個互相匹配且依次疊放的圓弧片狀體。
5.如權利要求1所述孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的制作方法，其特征在于，包括如 下步驟A、制作成多個刀頭組合體，同時去筒狀鋼體，在其端面上加工燕尾狀凹位，制成鋼體初坯；B、將凸形底環(huán)置入呈圓柱狀外模腔的底部，置入柱狀的模芯件，將多個刀頭組合體及 與之數量相等的水口塞依次間隔，且圍繞柱狀的模芯件裝入模腔中并置于凸形底環(huán)上，使 該若干刀頭組合體與水口塞相互間隔并圍成圓形，在外模與模芯件形成的腔體內位于刀頭 初坯上裝入連接材料，將鋼體初坯開設有燕尾狀凹位的一端插入外模與模芯件形成的腔體 內，并使其與連接材料接觸，裝成燒結組合體；C、將裝好的燒結組合體，放入自動中頻燒結機中，使刀頭初坯位于感應圈中心位置，并 在燒結組合體的上部墊設一具有排氣孔的墊塊；D、對燒結組合體進行升溫加壓處理；E、對經過升溫加壓處理的燒結組合體進行冷卻處理，制成鉆頭胚體；F、將冷卻后的鉆頭胚體從外模中脫出，在油壓機上將模芯壓出，去除石墨水口塞。
6.如權利要求5所述的制作方法，其特征在于，其中步驟D包括D1、對燒結組合體進行加熱，以溫度升至600°C為準，繼續(xù)加熱3-4分鐘，將溫度從 600°C升至750°C，壓力升至15KN ；進一步加熱3_4分鐘，將溫度從750°C升至840°C，壓力 從15KN升至25KN ；再進一步加熱2-3分鐘，將溫度從840°C升至930°C，壓力從25KN升至 35KN ；D2、加熱3-4分鐘，并保持溫度為930°C，壓力從35KN升至60-65KN，繼續(xù)加熱6_7分鐘， 并保持溫度為930°C，壓力保持為60-65KN。
7.如權利要求5所述的制作方法，其特征在于，其中步驟E具體為用3-4分鐘時間保持壓力60-65KN，溫度從930°C降至750°C，在750°C以下時從中頻爐 中取出夾入保溫箱中緩冷至常溫。
8.如權利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述外模、凸形底環(huán)、模芯件、水口塞均 采用耐高溫石墨材料制成。
9.如權利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述刀頭組合體采用預合金粉末和金 剛石混合配制并壓制而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了分層分級內錐型,對稱內八字前束,漩渦式定心導向的一種孕鑲金剛石繩索取芯地質鉆頭的唇面、鋼體連接面及其制作方式，包括金剛石鉆頭的工作層，鉆頭鋼體，中間隔離水口料、連接層料。本設計鉆頭整套刀頭的組裝配置,以配對每對刀頭為內八字成型方式,刀頭配對配方陰陽分層對稱平衡,定位排列入座構成內錐型,刀頭分層分布預設同步遞減的勢態(tài)，構成軟硬兼施的預設功能,唇面漩渦式保錐八字型(預設八字型是鉆頭動態(tài)著陸的瞬間平衡緩沖和同步補償到位),持續(xù)獲得漩渦式導向定心力,持續(xù)漩渦式導向定心力就是八字前束概念。關于前束,是把持前進中的有效約束,在鉆探鉆頭的應用中,需要把持孔徑垂直的有效緯度,以八字墊定前束而把持定心導向為首要關鍵。
文檔編號E21B25/00GK102128013SQ201110054139
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權日2011年3月7日
發(fā)明者歐建德 申請人:佛山市南海銳力臣工具有限公司