CN103603604B - 一种流道槽表面具有凹坑的抗泥包pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体，该钻头本体下部设有联接钻杆的螺纹接头，上部设有若干刀翼，刀翼之间的沟槽形成钻头的流道槽，所述流道槽表面设有至少两个凹坑，该凹坑底面为从坑底最深处向上延伸至流道槽表面的斜面。本发明能明显减轻岩屑在流道槽的粘着趋势，防止流道堵塞，达到抗泥包的目的，从而提高钻头钻进效率，延长钻头使用寿命，降低钻井成本。

Description

一种流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，特别是涉及一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头。

背景技术

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片（即PDC齿，亦简称切削齿或齿）对岩石产生刮切或剪切作用破岩的钻头，是现今钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在中软地层的钻进中PDC钻头使用得最多。为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律将PDC齿分成若干组，同组的PDC齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC齿构成一个切削结构单元，此单元称为刀翼（齿座为刀翼体）。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的流道槽。流道槽主要是便于钻井流体携带岩屑从井底排出。流道上假设理想流向线，所谓理想流向线，是指钻头在井底工作时，钻井液流体从钻头喷嘴喷出后，在井底、井壁岩石与钻头流道之间流动时主流流体的流动方向。

PDC钻头在较快钻进或快速钻进时，特别是在遇到软泥岩地层、易吸水膨胀的地层或软硬交错的地层时，岩屑量较大，岩屑容易粘附并逐渐聚结在钻头的流道表面，阻塞流道，形成泥包。钻头泥包会使钻头的钻岩能力显著下降，而且使切削齿难以有效冷却，齿的磨损速度加剧，导致钻速降低，钻头使用寿命缩短。泥包严重时，钻头基本无钻进能力，无法形成明显进尺，此时需起下钻更换钻头，这将明显降低钻井效率，增加钻井成本。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术的不足之处，提供一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，解决了PDC钻头的泥包问题，提高钻井效率，降低钻井成本。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体，该钻头本体下部设有联接钻杆的螺纹接头，上部设有若干刀翼，刀翼之间的沟槽形成钻头的流道槽，所述流道槽表面设有至少两个凹坑，该凹坑由凹坑底面和凹坑侧面构成，该凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面。

作为优选，所述凹坑底面的坡度角α≤40°；所述凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积S1与凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积S2的比值的范围为S1：S2≤1:3。

凹坑底面的坡度角α是指凹坑底面与流道槽表面之间的夹角。在本发明中坡度角规定为：凹坑底面最深点或凹坑底面最深处的几何中心点与交线一（凹坑底面与流道槽表面的交线）的中点之间的连线，此连线与凹坑所在位置的原始流道槽表面的切平面之间的夹角。原始流道槽表面的切平面，是指原始流道槽表面在凹坑坑口几何中心处的切平面。

本发明的思路来源于生活在土壤中或者栖息于地洞中的动物的降阻抗粘附的体表。为了减少泥土的粘附，某些动物的体表从宏观上呈现几何非光滑的体表特征，如蜣螂、蝼蛄、穿山甲等动物的非光滑体表。这些动物在黏湿土壤中具有降阻抗粘附的体表，其体表呈现出典型的非光滑特征，这些动物体表的降阻抗粘附效果非常明显。

钻头钻进时，钻井液流体携带岩屑从流道槽表面运移，岩屑与流道槽表面接触。如果流道槽表面为光滑表面，岩屑量较大时，运移任务量大，岩屑易于粘附在流道槽表面，形成岩屑团，使流道不畅通，岩屑运移困难，甚至堵塞流道，形成泥包。

本发明钻头的流道槽表面设有凹坑，凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，凹坑底面的坡度角α≤40°，凹坑底面所占的流道区域（凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积）相对凹坑侧面所占的流道区域（凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积）的比例明显要大，凹坑底面与流道槽表面夹角为较小的锐角，过渡平缓，而侧面与流道槽表面夹角较陡。流道槽表面具有凹坑，使得表面不光滑，表面类似于动物体表的鳞片，此种表面结构能产生防岩屑粘附的效果，其原因在于：

1.流道槽表面的凹坑能减少岩屑与流道槽接触的面积，从而减少岩屑在流道槽表面的粘附。

2.凹坑内能储存润滑液（钻井液），其能对从流道槽表面流过的岩屑起润滑作用，使岩屑与流道槽表面的粘附力和摩擦力大大下降。

3.凹坑的凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，坑底至流道槽表面过渡平缓，而凹坑的侧面与流道槽表面过渡陡峭。岩屑在钻井液的携带下在流道槽表面运移，当岩屑流经凹坑时，由于坑底至流道槽表面过渡平缓，岩屑与凹坑底面之间形成楔形空间，钻井液流体在楔形空间内流动时，根据动压原理，凹坑内的流体将对经过凹坑的岩屑产生明显的托举力（将岩屑推离流道表面的作用或趋势力）作用，减少岩屑与流道槽表面的接触与粘附，降低岩屑在流道槽表面的摩阻。若坑底与流道槽过渡陡峭，坑底与流道槽过渡不平缓，岩屑经过凹坑时，将不能产生明显的托举作用。因此本发明所涉及的凹坑有利于岩屑的运移流动，防止岩屑的堆积和滞留。

4.凹坑的凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，坑底至流道槽表面过渡平缓，而凹坑的侧面与流道槽表面过渡陡峭，当岩屑在流道槽表面从凹坑的陡峭的侧面一方流向平缓的另一方时，岩屑易于跨过凹坑，使岩屑与坑底的接触机会显著减少，特别是使岩屑难以接触坑底深处；当岩屑在流道槽表面从凹坑的陡峭的侧面一方流向平缓的另一方时，其流过凹坑时的跨越过程是平缓且自然的，有利于岩屑的顺畅运移。

5.由于凹坑底面向上延伸与流道槽表面相交过渡平缓自然，从凹坑的陡峭的侧面一方流向平缓的另一方时将不会在平缓一方滞留，不会使岩屑形成堆积。

因此，本发明能明显减少或防止岩屑在流道槽表面的附着、堆积，防止流道堵塞及钻头泥包，从而提高钻头的钻进效率，降低钻井成本。

作为优选，所述凹坑底面的坡度角α≤30°；所述凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积S1与凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积S2的比值的范围为S1：S2≤1:4。

当S1相对S2较大、坡度角α较大时，凹坑底面与流道槽表面的过渡陡峭，岩屑跨越凹坑时的运移流动顺畅性较差。S1：S2越小、坡度角α越小时，凹坑底面与流道槽表面的过渡越平缓，凹坑侧面与流道槽表面的过渡越陡峭，岩屑越容易跨越凹坑，岩屑运移越顺畅。

作为优选，所述凹坑底面与流道槽表面的交线为交线一，其长度为L1；凹坑侧面与流道槽表面的交线为交线二，其长度为L2，L1与L2的关系为：0.2L2≤L1≤L2。

当交线一太短时，凹坑底面与流道槽表面的过渡区域太窄，岩屑跨越凹坑时的运移流动顺畅性较差；当交线一太长时，凹坑底面与侧面形成的陡峭区域较窄，实际凹坑的凹陷部分就较小，不利于润滑液（钻井液）的储存及润滑效果的发挥。

作为优选，所述交线一和交线二构成凹坑的坑口边缘线，该坑口边缘线为鳞片形、半圆形、矩形或梯形。

作为优选，所述凹坑的深度c为0.3-5mm，长度d≥2mm。

作为优选，所述流道槽上相邻凹坑相交，这种结构有利于扩大流道槽上凹坑区域面积，从而取得更好的减小岩屑粘附和防泥包效果。

作为优选，所述流道槽上相邻凹坑边缘之间的最短距离为0-5mm，对于该距离的选取主要考虑的是，如果凹坑之间距离过大，会造成光滑流道槽区域过大，防岩屑粘附效果不佳。

作为优选，所述流道槽上的凹坑成排平行布置，这种结构便于凹坑加工实现。

作为优选，所述流道槽上的凹坑平行交错布置，这种结构使得岩屑或岩屑团在交错区域更容易被破碎分解，防泥包效果更好。

所述凹坑在流道槽上顺着理想流向线由深及浅排布。如果凹坑在流道槽上沿理想流向线由浅及深排布，会使得岩屑从平缓的底面流向陡峭的侧面，反而不利于岩屑的流动，造成岩屑堆积，形成岩屑团。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明能明显减轻岩屑在流道槽的粘着趋势，防止流道堵塞，达到抗泥包的目的，从而提高钻头钻进效率，延长钻头使用寿命，降低钻井成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是凹坑的结构示意图；

图3是凹坑的俯视图；

图4是凹坑的剖视图；

图5是相邻凹坑相交时的示意图；

图6是凹坑成排平行布置时的示意图；

图7是凹坑平行交错布置时的示意图；

图8是岩屑与凹坑的作用原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例一

参见图1至图4所示，一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体1，该钻头本体1下部设有联接钻杆的螺纹接头2，上部设有若干刀翼3，刀翼3之间的沟槽形成钻头的流道槽4，所述流道槽4表面设有至少两个凹坑5，所述凹坑5由凹坑底面51和凹坑侧面52构成，该凹坑底面51从坑底直接延伸到流道槽4的表面。所述凹坑底面51的坡度角α≤40°；所述凹坑侧面52向流道槽4原始表面的投影面积S1与凹坑底面51向流道槽4原始表面的投影面积S2的比值的范围为S1：S2≤1:3。凹坑底面51与流道槽4表面的夹角为锐角，过渡平缓，而凹坑侧面52与流道槽4表面的夹角为钝角，较陡。凹坑底面51与流道槽4表面的交线为交线一53，其长度为L1；凹坑侧面52与流道槽4表面的交线为交线二54，其长度为L2，L1与L2的关系为：0.2L2≤L1≤L2。

参见图1，所述凹坑在流道槽上顺着理想流向线由深及浅排布。

所述交线一53和交线二54构成凹坑5的坑口边缘线，该坑口边缘线可以为鳞片形、半圆形、矩形或梯形，本实施例中该坑口边缘线为鳞片形。

参见图8，在钻头钻进时，由于流道槽4表面设有凹坑5，流道槽4表面的凹坑5能减少岩屑与流道槽4接触的面积，从而减少岩屑在流道槽4表面的粘附，凹坑5内能储存润滑液6，即钻井液，其能对从流道槽4表面流过的岩屑7起润滑作用，使岩屑7与流道槽4表面的粘附力和摩擦力大大下降。凹坑5的凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽4的表面与流道槽4相交，坑底至流道槽4表面过渡平缓，而凹坑5的侧面与流道槽4表面过渡陡峭，当岩屑7在流道槽4表面从凹坑5的陡峭的侧面一方流向平缓的另一方时，其流过凹坑5时的跨越过程是平缓且自然的，有利于岩屑7的顺畅运移，也不会使岩屑形成堆积。当岩屑流经凹坑时，由于坑底至流道槽表面过渡平缓，岩屑与凹坑底面之间形成楔形空间，钻井液流体在楔形空间内流动时，根据动压原理，凹坑内的流体将对经过凹坑的岩屑产生明显的托举力作用。因此，本发明能明显减少或防止岩屑7在流道槽4表面的附着、堆积，防止流道堵塞及钻头泥包，从而提高钻头的钻进效率，降低钻井成本。

实施例二

参见图3和图4，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述凹坑5的深度c为0.3-5mm，长度d≥2mm。

凹坑5的这种深度和长度范围是最容易加工的，如果凹坑5的长度和深度太小，加工难度会非常大。

需要解释的是：所谓凹坑5的长度是指在凹坑横向或纵向方向最大的轮廓尺寸。

实施例三

参见图5，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述流道槽4上相邻凹坑5相交，这种结构有利于扩大流道槽4上凹坑区域面积，从而取得更好的减小岩屑粘附和防泥包效果。

实施例四

参见图6，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述流道槽4上的凹坑5成排平行布置，且相邻凹坑5边缘之间的最短距离为0-5mm，对于该距离的选取主要考虑的是，如果凹坑5之间距离过大，会造成光滑流道槽区域过大，防岩屑粘附效果不佳。

实施例五

参见图7，本实施例与实施例四的不同之处在于，所述流道槽4上的凹坑5平行交错布置，这种结构使得岩屑或岩屑团在交错区域更容易被破碎分解，防泥包效果更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体，该钻头本体下部设有联接钻杆的螺纹接头，上部设有若干刀翼，刀翼之间的沟槽形成钻头的流道槽，其特征在于：所述流道槽表面设有至少两个凹坑，该凹坑由凹坑底面和凹坑侧面构成，该凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，所述凹坑在流道槽上顺着理想流向线由深及浅排布，所述理想流向线是指钻头在井底工作时，钻井液流体从钻头喷嘴喷出后，在井底、井壁岩石与钻头流道槽之间流动时主流流体的流动方向，所述凹坑底面的坡度角α≤40°，凹坑底面的坡度角是指凹坑底面与流道槽表面之间的夹角；所述凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积S1与凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积S2的比值的范围为S1：S2≤1:3。

2.一种流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体，该钻头本体下部设有联接钻杆的螺纹接头，上部设有若干刀翼，刀翼之间的沟槽形成钻头的流道槽，其特征在于：所述流道槽表面设有至少两个凹坑，该凹坑由凹坑底面和凹坑侧面构成，该凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，所述凹坑在流道槽上顺着理想流向线由深及浅排布，所述理想流向线是指钻头在井底工作时，钻井液流体从钻头喷嘴喷出后，在井底、井壁岩石与钻头流道槽之间流动时主流流体的流动方向，所述凹坑底面的坡度角α≤30°，凹坑底面的坡度角是指凹坑底面与流道槽表面之间的夹角；所述凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积S1与凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积S2的比值的范围为S1：S2≤1:4。

3.一种流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体，该钻头本体下部设有联接钻杆的螺纹接头，上部设有若干刀翼，刀翼之间的沟槽形成钻头的流道槽，其特征在于：所述流道槽表面设有至少两个凹坑，该凹坑由凹坑底面和凹坑侧面构成，该凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，所述凹坑在流道槽上顺着理想流向线由深及浅排布，所述理想流向线是指钻头在井底工作时，钻井液流体从钻头喷嘴喷出后，在井底、井壁岩石与钻头流道槽之间流动时主流流体的流动方向，所述凹坑底面与流道槽表面的交线为交线一，其长度为L1；凹坑侧面与流道槽表面的交线为交线二，其长度为L2，L1与L2的关系为：0.2L2≤L1≤L2。

4.根据权利要求3所述的流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，其特征在于：所述交线一和交线二构成凹坑的坑口边缘线，该坑口边缘线为鳞片形、半圆形、矩形或梯形。

5.根据权利要求1所述的流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，其特征在于：所述凹坑的深度c为0.3-5mm，长度d≥2mm。

6.根据权利要求1所述的流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，其特征在于：所述流道槽上相邻凹坑相交。

7.根据权利要求1所述的流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，其特征在于：所述流道槽上相邻凹坑边缘之间的最短距离为0-5mm。

8.根据权利要求1所述的流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，其特征在于：所述流道槽上的凹坑成排平行布置。

9.根据权利要求1所述的流道槽表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，其特征在于：所述流道槽上的凹坑平行交错布置。