CN102704853B - 钻进比压可控的模块切削齿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻进比压可控的模块切削齿，包括模块（1），模块单元（2）。本发明的模块式切削齿作为钻头切削单元，根据所钻地层的岩石力学性能及钻井要求，通过对模块和模块单元形状、规格、数量的组合设计及材料的优选，来控制钻头特定部位切削单元的有效切削刃长，维持钻头切削单元钻进过程中的恒定比压，大幅增加切削单元的有效磨损体积，提高切削单元有效利用率。模块式切削齿钻头不仅能够大幅提高钻头在复杂地质尤其是硬地层或研磨性地层条件下的平均机械钻速和钻井进尺，还能延长钻头使用寿命，降低钻井成本。

Description

钻进比压可控的模块切削齿

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及用在钻头上的模块化布齿，钻进比压可控的模块切削齿。

背景技术

钻头是钻井过程中，直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石的工具。PDC钻头（Polycrystalline Diamond Compact Bits聚晶金刚石复合片钻头）破岩形式为切削、剪切岩石，在钻井、地质乃至建筑工程中运用越来越广泛，在钻井工程中使用的比例越来越大。在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，钻头钻进时各切削齿的运动轨迹为相对固定的同心圆环带。由于其破岩机理和结构差异，PDC钻头适用于较高钻速和软至中硬地层。PDC钻头具有以下特点：

（1）破岩方式：依靠复合片切削齿切削、剪切破碎地层。根据岩石研磨性，在钻头破碎岩石过程中，岩石与钻头之间产生连续或间断的接触和摩擦。

（2）切削单元切削刃长、比压、机械钻速的关系：钻头在破碎岩石的同时，自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝，即切削刃长增加。所以切削刃长、比压、机械钻速的关系为：钻头钻进初期，切削单元磨损线短、比压大，破岩效率高，机械钻速高；随着磨损线逐渐变长、比压变小、切削单元对岩石的相对磨损增大，机械钻速逐步降低直至钻头失效。以切削单元为Φ16mm的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时复合片的切削刃长约为直径的80%。切削刃长的急剧增加，会大幅降低钻头对岩石的破碎效率和钻井效率。

（3）切削单元磨耗比、有效磨损体积与钻头寿命的关系：对于磨耗比一定的复合片，有效磨损体积越大，钻头复合片的有效使用率就越大，进尺就越多，钻头寿命也越长。以切削单元为Φ16mm的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时，复合片金刚石层的实际磨损体积不到金刚石总体积的20%。在不考虑冲击损害的影响下，选用磨耗比高的复合片，有助于延长钻头使用寿命。

为了提高复合片性能，国内外研究者从PDC钻头剖面形状、后倾角、切削齿尺寸以及布齿密度这几个方面进行了研究。但都不能有效解决钻头失效时，复合片金刚石层的实际磨损体积占金刚石总体积比例很小的问题。

发明内容

本发明提出一种钻进比压可控的模块切削齿，通过对切削齿布齿方式的改进，采用模块式切削齿，实现钻进过程比压可控和切削单元有效磨损体积增加，提高机械钻速和钻头性能的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：切削齿（4）包含作为基体的模块（1）和作为切削部的模块单元（2），在一个钻头上模块（1）数量≥1，一个模块（1）上设置的模块单元（2）数量≥2。

所述的模块单元与模块的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结、螺纹等。

所述的模块与钻头体的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结、螺纹、机夹等。

所述的模块单元截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、梯形、菱形、多边形（边数≥5）以及它们的环形，以及上述形状的组合。

所述的模块单元体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体，以及它们的组合体。

所述的模块单元体形状为圆柱，其直径为1mm~25mm，高度为3mm~25mm。

所述的模块单元组合形式包括相同的模块单元组合（例如：尺寸相同的圆形单元与圆形单元的组合，椭圆形单元与椭圆形单元的组合），也包括不相同的模块单元组合（例如：不同尺寸的模块单元组合，圆形单元与椭圆形单元的组合）。

所述的模块单元分布形式可以是规则分布，也可以是无规则分布。

所述的模块单元组合相互之间可有间隔，也可无间隔，即模块单元间隔值≥0mm。

所述的模块单元可以全部包含在模块内，也可以部分包含在模块内。

所述模块单元切削面可以出露于模块表面，也可以沉于模块表面内。

所述的模块单元材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片（体）、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷，以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。

所述模块单元通过热压、烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型。

所述的模块截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形、三角形、长方形、正方形、菱形、梯形、多边形（边数≥5）以及它们的组合。

所述的模块体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体，以及它们的组合体。

所述的模块形状为圆柱，其直径≥2mm。

当钻头上所述的模块数≥2时，模块组合形式包括相同的模块组合（例如：圆形模块与圆形模块的组合，椭圆形模块与椭圆形模块的组合），也包括不相同的模块组合（例如：尺寸不同的模块组合，圆形模块与椭圆形模块的组合）。

当所述的模块数≥2时，模块与模块在钻头体上可以有间隔，也可以没有间隔，即模块组合间隔值≥0mm。

所述的模块可以全部包含在钻头体内，也可以部分包含在钻头体内。

所述的模块可以是钻头体的刀翼，也可为刀翼的一部分。

所述的模块材料包括钢材、硬质合金、粉末冶金材料、有色金属或复合材料。

模块由烧结、压制、铸造、锻造及电火花加工、激光加工、机械加工成型。

本发明所应用的钻头类型包括PDC钻头、金刚石钻头、孕镶钻头、牙轮钻头、旋切钻头，以及由PDC钻头、孕镶钻头、牙轮钻头、旋切钻头构成的复合钻头，至少包含一个模块和模块单元形成的切削单元。

所述的钻头体材料为碳化钨与合金的烧结体、钢材、硬质合金或金属复合材料。

模块式切削齿钻头钻进过程，切削单元刃部与岩石接触的有效切削长度控制在一定范围，保证较大比压值，提高钻头平均机械钻速。结合钻头体（含胎体、钢体）参数，模块式切削齿钻头可增加切削齿单元有效磨损体积，提高切削单元有效利用率，延长钻头使用寿命。在复杂地质（尤其是硬地层或研磨性地层）条件下，模块式切削齿可实现钻井总进尺的大幅度提高。本发明的研究包括（但不限于）以下内容：

（1）模块单元的结构设计：通过模块单元的结构设计及其与模块基体连接，研发小规格的模块单元，组成一个切削齿单元，改变切削单元结构。

（2）模块单元的材料性能：高性能（尤其是抗冲击、高耐磨）的单元材料性能，实现钻头在深井及研磨性地层中的性能。

（3）模块的结构设计：模块的结构设计保证切削单元切削刃长在一定范围，从而提高机械钻速和增加钻头寿命。

（4）模块的材料性能：高强度、低耐磨性的基体材料，当单元磨损体积增加时，比压不会减小，从而提高钻头的平均机械钻速。

（5）钻头体的材料性能：高强度、低耐磨性的钻头体材料，实现切削单元磨损体积增加时，比压不会减小，从而提高钻头的平均机械钻速。

本发明与现有技术相比的特点是：

一、优化切削单元切削刃长：随着钻头钻进，现有技术的切削单元有效切削长度增加，导致比压下降，钻头钻进性能降低。模块式切削齿钻头通过模块或模块单元的形状、数目、组合等设计参数，考虑钻压、岩石性能等参数，优化切削单元切削刃长，使切削单元有效切削长度控制在一定范围内。

二、保证切削单元钻进比压：随着钻进量增加，模块式切削齿切削刃长仍控制在一定范围。根据切削刃长与比压的关系，切削刃长的控制保证钻进过程切削单元的比压在一定范围，即钻头保持切削单元刃部的比压，保持机械钻速。

三、提高机械钻速：根据切削刃长、比压、机械钻速的关系，切削刃长的增加，会急剧降低岩石破碎效率和机械钻速。模块式切削齿钻头的模块化设计，通过控制切削刃长在一定范围，随着钻进增加，比压仍保持与钻压、岩石性能相对应的钻进较大值，保证了切削单元的吃入，实现钻头机械钻速的提高。

四、提高切削单元的有效利用率：以切削单元为Φ16mm的圆形复合片钻头钻中硬地层为例，钻头通常失效时复合片的切削刃长约为直径的80%，金刚石层的实际磨损体积不到金刚石总体积的20%，切削单元的有效利用率较低。模块式切削齿钻头通过较小切削刃长、较大比压，与钻头体材料参数结合，提高切削单元有效磨损体积，提高切削单元的有效利用率。即随着切削单元的有效磨损体积的增加，采用模块式切削齿的钻头仍可保持钻进所需的比压，保证钻头对地层的吃入，从而提高切削单元的有效利用率。

五、延长钻头使用寿命：钻头寿命与切削单元的有效利用率相关。常规设计中切削单元切削刃长增加，会急剧降低岩石破碎效率，即切削刃长达到最大时，比压最小，切削单元吃入量最少，机械钻速达到最低。与前对应，随着切削单元的有效磨损体积的增加，模块式切削齿钻头仍可保持钻进所需的比压，保证钻头对地层的吃入，提高切削单元的有效利用率，延长钻头使用寿命。

六、增加钻进总进尺：总进尺作为检验钻头性能的最终指标，体现在两个方面：机械钻速和钻头寿命。本发明的模块式切削齿钻头通过模块化布齿、保证钻进比压可控、提高机械钻速，同时通过增加切削单元的有效磨损体积、提高切削单元有效利用率，最终增加模块式切削齿钻头钻进总进尺。

本发明有益效果：（1）显著提高钻头的平均机械钻速：根据所钻地层的岩石力学性能及钻井要求，对模块和模块单元形状、规格、数量的组合设计及材料的优选，控制钻头特定部位切削单元的有效磨损刃长，维持钻头切削单元钻进过程中的恒定比压，显著提高钻头的平均机械钻速。（2）延长钻头使用寿命：结合钻头体材料参数，大幅增加切削单元的有效磨损体积，提高切削单元有效利用率，延长钻头使用寿命。（3）降低钻井成本：模块式切削齿钻头不仅能够大幅提高钻头在复杂地质（尤其是硬地层或研磨性地层）条件下的平均机械钻速和钻井进尺，还能延长钻头使用寿命，降低钻井成本。

附图说明

图1为本发明应用在PDC钻头的结构示意图

图2为本发明结构示意图

图3为本发明的模块单元组合形式之一（实施例1）结构示意图

图4为本发明实施例1的模块切削单元与常规PDC齿切削刃长分布规律对比图

图5为本发明的模块单元组合形式之二（实施例2）结构示意图

图6为本发明实施例2的模块切削单元与常规PDC齿切削刃长分布规律对比图

图7为本发明的模块单元组合形式之三（实施例3）结构示意图

图8为本发明的模块单元组合形式之四（实施例4）结构示意图

图9为本发明的模块单元组合形式之五（实施例5）结构示意图

图10为本发明的模块单元组合形式之六（实施例6）结构示意图

图11为本发明的模块单元组合形式之七（实施例7）结构示意图

图12为本发明的模块单元组合形式之八（实施例8）结构示意图

图13为本发明应用在PDC与旋切复合钻头的结构示意图

图14为本发明应用在PDC钻头，在钻硬及高研磨性地层时，与三牙轮钻头的钻压对比图

图15为本发明应用在PDC钻头，在钻硬及高研磨性地层时，与三牙轮钻头的钻压对比图。

具体实施方式

实施例1：模块单元方案一

如图3所示，其中模块单元数目为2，模块与模块单元截面形状为圆形。模块直径为d，模块单元种类为2，数量为2，分别为单元1、单元2，直径分别为d₁、d₂，其中d₁与d相切，两单元y方向中心距为h₁，且

实施例2：模块单元方案二

如图5所示，模块和模块单元截面形状为圆形，所有单元在模块内，单元之间有间隔。模块直径为d，其中模块单元数目为4，种类为2，直径分别为d₁、d₂，包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例3：模块单元方案三

如图7所示，模块截面为跑道型，模块单元截面形状有圆形、菱形、三角形、矩形等不同类型，规则分布，包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例4：模块单元方案四

如图8所示，模块截面为空心椭圆，模块单元截面形状为圆形，尺寸不同，无规则分布。包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例5：模块单元方案五

如图9所示，模块单元相互之间可无间隔，即某些模块单元间隔值＝0mm，包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例6：模块单元方案六

如图10所示，模块组合形式为同类型的模块组合，其中模块截面形状为梯形，包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例7：模块单元方案七

如图11所示，模块组合形式为不同类型的模块组合，其中模块截面形状有扇形、矩形，即扇形模块与矩形模块的组合，包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例8：模块单元方案八

如图12所示，模块组合形式为模块之间无间隔的示意图，即某些模块间隔值＝0mm，包括模块（1）、模块单元（2）。

实施例9：应用在PDC钻头

如图1所示，包括模块（1）、模块单元（2）、钻头体（3）、PDC切削齿（4）、喷嘴（5）。其中钻头至少包含一个本发明所述的模块或模块单元形成的切削单元（图2所示），若干切削单元构成PDC切削齿（4）。

实施例10：应用在复合钻头

如图12所示，钻头为包含旋切钻头、模块PDC钻头的复合钻头。包括模块（1）、模块单元（2）、PDC钻头体（3）、PDC切削齿（4）、喷嘴（5）、旋切钻头（7），其中钻头至少包含一个本发明所述的模块或模块单元形成的切削单元（图2所示），若干切削单元构成PDC切削齿（4）。

实施例11：理论分析

根据本发明的研究思路，可完成不同方案的模块式切削齿钻头设计，下面以图3的方案为例进行分析。

模块与模块单元布置如图3所示，其中模块单元数目为2，模块与模块单元截面形状为圆形，两单元在模块内。设模块直径为d，模块单元分别为单元1、单元2，直径为d₁、d₂，其中d₁与d相切，两单元y方向中心距为h₁，且下面针对不同钻进过程分析切削单元（方案中为模块单元1与2组成）切削刃长分布规律。

（1）当单元1单独作用时，即设点(x₁,y₁)，切削刃长计算为：

对应直径为d的模块，图中点(x_1′，y_1′)对应的切削刃长为：

（2）当单元1与单元2共同作用时，即设点x₂,y₂)，切削刃长计算为：

对应直径为d的切削单元，图中点(x_2′,y_2′)对应的切削刃长为：

（3）当单元2单独作用时，即设点(x₃,y₃)，切削刃长计算为：

对应直径为d的模块，图中点(x_3′,y_3′)对应的切削刃长为：

（4）切削刃长对比分析

对应同样的径向深度（y方向坐标值），得到直径d、d₁与d₂的切削刃长l_{1′d磨损线长}、l_{1′2′d磨损线长}、l_{3′d磨损线长}、对比如图3所示。

以上模块与模块单元分析结果表明，与现有切削单元相比，模块式切削齿钻头通过对模块和模块单元形状、规格、数量的组合设计及材料的优选，来控制钻头特定部位切削单元的有效磨损刃长，维持钻头切削单元钻进过程中的恒定比压。根据切削刃长、比压、机械钻速的关系，切削刃长的增加，会急剧降低岩石破碎效率和机械钻速。模块式切削齿钻头通过控制切削刃长，比压仍保持与钻压、岩石性能相对应的钻进较大值，保证了切削单元的吃入性，实现钻头使用性能的提高。

实施例12：

采用本发明设计制造的PDC钻头，尺寸为8.5"，刀翼数为6，主切削齿直径为16mm。

实钻数据：

（1）使用井段：2879m～2965m；

（2）岩性：浅灰色细砂岩和中砂岩（含石英）、灰白色中砂岩（含石英）、黑色碳质页岩；

（3）钻压：60～70KN；

（4）转速：60～75rpm；

（5）排量：42l/m；

（6）平均机械钻速：6.33m/h。

实施结果表明（如图14与图15）：模块切削齿钻头在钻硬及高研磨性地层时，比三牙轮钻头的钻压大幅降低；而且机械钻速明显提高并持续稳定。

Claims (10)

1.钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：切削齿包含作为基体的模块(1)和模块单元(2)，一个模块(1)上设置的模块单元(2)数量≥2；一个钻头上设置的模块(1)数量≥1；所述的模块单元截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形或多边形或具有上述形状轮廓的环形，所述的模块单元体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体、不规则形状体，或它们的组合体；所述的模块截面形状包括圆形、椭圆形、跑道形、腰鼓形、扇形或多边形或它们的组合；所述的模块体形状包括柱体、锥体、球体、腰鼓体或不规则形状体，或它们的组合体。

2.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元体形状为圆柱，其直径为1mm～25mm，高度为3mm～25mm。

3.根据权利要求1所述的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元组合形式包括相同的模块单元组合和不相同的模块单元组合；所述的模块单元分布形式包含规则分布或无规则分布；所述的模块单元组合相互之间间隔值≥0mm。

4.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元全部包含在模块内或部分包含在模块内；所述的模块单元切削面露出模块表面或沉于模块表面内；所述的模块单元也是模块单元的组合，即模块单元组合作为模块单元，形成模块切削齿的组成部分。

5.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块单元材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片/体、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷，或包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料；所述的模块单元通过烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型。

6.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块形状为圆柱，其直径≥2mm，高度为3mm～25mm。

7.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：当所述的模块数≥2时，模块组合形式包括相同的模块组合或不相同的模块组合；当所述的模块数≥2时，模块与模块在钻头体上间隔值≥0mm。

8.根据权利要求7所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块全部包含在钻头体内或部分包含在钻头体内；所述的模块是钻头体的刀翼或刀翼的一部分。

9.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块材料包括钢材、硬质合金、有色金属；所述的模块由烧结、电火花加工、激光加工或机械加工成型；所述的模块单元与模块基体的连接方式包括焊接、镶嵌、粘结或螺纹。

10.根据权利要求1所述的钻进比压可控的模块切削齿，其特征在于：所述的模块切削齿形成的钻头包括金刚石钻头、牙轮钻头或旋切钻头，或由PDC钻头、孕镶钻头、牙轮钻头、旋切钻头构成的复合钻头。