CN104806172B - 一种异型pdc切削齿钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异型PDC切削齿钻头，包括异型PDC切削齿，所述切削齿包括基体和金刚石复合层，其中，所述金刚石复合层至少由两个不在同一平面上的曲面构成。本发明的异型PDC切削齿钻头提高了PDC钻头在复杂地层的钻进效率，减小了泥包现象的发生。

Description

一种异型PDC切削齿钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井工具领域，进一步涉及在石油天然气钻井作业中、广泛使用的聚晶金刚石复合片钻头（以下简称PDC钻头），更具体地，本发明涉及一种PDC钻头上作为钻头切削单元的聚晶金刚石复合片切削齿（以下简称PDC切削齿）。

背景技术

PDC钻头主要由钻头体、切削齿和接头等组成。钻头体按材料一般可分为胎体和钢体两种，钻头相应地分为胎体钻头和钢体钻头。胎体钻头的钻头体是采用不同粒度的碳化钨粉以及不同配比的浸渍金属料装入设计好的石墨模具中经无压浸渍高温烧结而成，上面预留了切削齿位置。钢体钻头的钻头体是采用整块合金钢毛坏经机加工而成。PDC钻头的切削齿分为复合片式切削齿和齿柱式切削齿两种结构，它们按一定规律布置在钻头体上。复合片是由聚晶金刚石层和碳化钨衬底组成，一般为圆片状，聚晶金刚石层是复合片切削齿的核心。

目前，PDC钻头上所使用的一般均为圆形复合片。圆形复合片由切削刃轮廓线为圆形的聚晶金刚石层和硬质合金基体复合而成。圆形复合片的长度和宽度相等，均等于复合片的直径。一般而言，对于完整的圆形复合片而言，大直径复合片的耐磨寿命比小直径复合片更长，同时占据的钻头布齿空间也比小直径复合片更大。复合片的切削刃轮廓形状与其吃入地层的难易程度密切相关。通常情况下，切削刃轮廓线的曲率半径越小，复合片吃入地层就越容易。对于圆形复合片而言，切削刃轮廓线上每一点的曲率半径是相同的。因此，直径小的复合片比直径大的复合片更易于吃入地层。在实际的钻头设计中，常常希望复合片既易于吃入地层，又能具有高的耐磨寿命。然而，这两个目标对复合片直径的要求是相互矛盾的。前者要求减小复合片的直径，而后者要求增加复合片的直径。显然，对于具有圆形切削刃的复合片而言，要解决这个矛盾十分困难。为此人们又提出了异形复合片技术，其可以达到在满足复合片吃入地层难易性要求的同时，使复合片的工作长度满足耐磨寿命要求的目的。

在岩石的各种力学强度中，抗拉强度最低，剪切强度次之，抗压强度最高，并且抗压强度往往比剪切强度高数倍至十多倍。所以切削是破碎岩石的最有效方法。早期的刮刀钻头在今天仍在使用，其主要原因就是它属于切削型钻头。而PDC钻头实质上就是微型切削片刮刀钻头，由于聚晶金刚石层极薄(0.6mm左右)极硬，且比碳化钨衬底的耐磨性高100倍以上，因此，在切削岩石过程中切削刃口能保持自锐。锐利的刃口切入地层后，沿扭矩作用方向移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点。PDC钻头是依靠切削齿切削破碎地层岩石的，因此切削齿的工作性能特点基本上决定整个PDC钻头的工作性能特点。而切削齿的性能特点又取决于聚晶金刚石层和钨钴合金衬底组合的结构特性，具体表现在:（1）高硬度和耐磨性。在钻头工作时，聚晶金刚石层直接与地层岩石接触进行切削，由于它的高硬度、高耐磨性，PDC切削齿具有很高的硬度和耐磨性；（2）自锐性好。PDC钻头复合片最重要的、最有利于钻进的特性是它的“自锐性”，聚晶金刚石层的磨损速度远低于碳化钨衬底，因此在复合片底部逐渐磨损的过程中，聚晶金刚石层始终保持一定的微小出刃量，形成锐利的切削刃，承担了切削齿的大部分钻压，容易吃入地层，从而形成了“锐利”的切削刃。因此PDC钻头在钻井过程中，能始终保持较高的机械钻速；（3）整体强度好。金刚石层较脆，但复合片由于有碳化钨衬底作支撑，能承受很大的载荷，并具有一定的抗冲击韧性，能避免金刚石层的整体性破坏，因而复合片的整体强度很好。

但PDC钻头切削齿同时又具有如下缺陷，主要为：（1）热稳定性差。复合片是由多种物质组成的，当温度超过700℃时，由于复合片中不同物质的热膨胀系数不同引起的内应力能导致复合片内部产生裂纹而碎裂。在350-700℃的温度范围内，随着温度升高，复合片的磨损速度上升很快。在钻井过程中，复合片的底部在一定压力作用下沿地层岩石表面滑动，产生了大量的摩擦热，使切削齿在冷却不好的条件下，温度迅速升高，有可能导致复合片的加速磨损。因此在PDC钻头工作时，必须有充分的水力来配合钻头进行清洗运移岩屑，冷却切削齿，最大限度地保证钻头具有较高的机械钻速和较长的使用寿命。同时，决定了PDC钻头不宜钻进硬度较高的地层；（2）抗冲击性差。由于锐利的切削齿刃口（即聚晶金刚石层）承担了切削齿的大部分钻压，且聚晶金刚石层较脆，因而切削齿的出刃部分遇到冲击载荷时很容易折断，因此切削齿的抗冲击性相对较差。这就要求从钻头结构设计到使用过程中力求保证钻头工作平稳，同时也决定了PDC钻头不宜钻进含有砾石、黄铁矿等岩石的地层。PDC钻头的这些主要性能特点决定了PDC钻头是一种适合于软到中硬均质地层的切削型钻头。因而如何扩大PDC钻头在复杂地层的使用范围是目前钻井行业急需努力解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种特殊结构的聚晶金刚石复合片，以达到提高钻头切削齿的耐磨寿命并改善切削齿吃入地层特性从而扩大PDC钻头在复杂底层的使用寿命的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种异型PDC切削齿钻头，包括异型PDC切削齿，所述切削齿包括基体和金刚石复合层，其中，所述金刚石复合层至少由两个不在同一平面上的曲面构成。

更具体地，所述金刚石复合层为一圆台，所述基体为一圆柱体，所述圆台底面直径与所述圆柱体直径相同，所述金刚石复合层与所述金刚石复合层连接在一起。

更具体地，所述金刚石复合层包括顶面、前侧面、后侧面一、后侧面二、后沟槽面、侧沟面、底面，所述顶面的轮廓线构成切削轮廓，所述切削轮廓与岩石接触的部位构成主切削刃，所述顶面的面积小于所述底面的面积，所述顶面轮廓线（即切削轮廓）向着所述底面的轮廓线的方向延伸，从而构成连接所述顶面与所述底面之间的侧部，所述切削轮廓包括主切削刃、侧切削刃一、后切削刃一、后切削刃二、侧切削刃二，所述侧部包括前侧面、后侧面一、后侧面二、后沟槽面、侧沟面，所述侧切削刃一和侧切削刃二均分为前后两段，所述主切削刃、所述侧切削刃一的前段和所述侧切削刃二的前段向着所述底面的方向延伸构成所述前侧面，所述后切削刃一向着所述底面的方向延伸构成所述后侧面一，所述后切削刃二向着所述底面的方向延伸构成所述后侧面二，所述后侧面一、所述后侧面二与所述底面的轮廓线之间围成所述后沟槽面，所述侧切削刃二的后段向着所述底面的方向延伸并与所述前侧面和所述后侧面二之间围成所述侧沟面，所述侧切削刃一的后段向着所述底面的方向延伸并与所述前侧面和所述后侧面一之间围成另一侧沟面。

更具体的，所述切削轮廓为心形状，所述顶面与所述底面之间平行。

更具体的，所述主切削刃、所述后切削刃一、所述后切削刃二为圆弧，所述侧切削刃一、所述侧切削刃二为直线，所述主切削刃与所述侧切削刃一之间平滑过渡，所述主切削刃与所述侧切削刃二之间平滑过渡，所述后切削刃一与所述侧切削刃一之间平滑过渡，所述后切削刃二与所述侧切削刃二之间平滑过渡，所述后切削刃一与所述后切削刃二相交。

更具体地，所述顶面所在的平面与所述底面所在的平面之间形成一锐角，所述锐角的角度为5°-30°之间。

本发明还提供一种硬质合金齿，基体与金刚石复合层均由相同的硬质合金材料所构成，而其结构参数与本发明中的异型PDC切削齿钻头的切削齿的结构参数结构相同。

本发明的有益效果是：

本发明的异型PDC切削齿钻头提高了PDC钻头在复杂地层的钻进效率，减小了泥包现象的发生。

附图说明

图1是本发明聚晶金刚石复合片的立体图。

图1中：1.基体，2.金刚石复合层，3.顶面，4.前侧面，5.后侧面一，6.后侧面二，7.后沟槽面，8.侧沟面，9.主切削刃，10.切削轮廓，11.底面，12.侧切削刃一，13.侧切削刃二，14.后切削刃一，15.后切削刃二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出简要说明。

首先，本发明中关于方向“前”、“后”、“左”、“右”、“上（顶）”、“下（底）”、“侧”仅仅是基于本发明附图1中钻头切削齿所放置的状态，便于理解本发明技术方案而进行的定义，本领域技术人员可以理解的是，这些关于方向的定义并不应解释为对本发明权利要求及技术方案的限制。

实施例一：

如图1所示的本发明的异型PDC切削齿钻头的异型PDC切削齿，包括基体1和金刚石复合层2，其中，所述金刚石复合层2至少由两个不在同一平面上的曲面构成。

更具体地，所述金刚石复合层2为一圆台，所述基体1为一圆柱体，所述圆台底面直径与所述圆柱体直径相同，所述金刚石复合层2与所述金刚石复合层1连接在一起。

更具体地，所述金刚石复合层2包括顶面3、前侧面4、后侧面一5、后侧面二6、后沟槽面7、侧沟面8、底面11，所述顶面3的轮廓线构成切削轮廓10，所述切削轮廓10与岩石接触的部位构成主切削刃9，所述顶面3的面积小于所述底面11的面积，所述顶面3轮廓线（即切削轮廓10）向着所述底面11的轮廓线的方向延伸，从而构成连接所述顶面3与所述底面11之间的侧部，所述切削轮廓10包括主切削刃9、侧切削刃一12、后切削刃一14、后切削刃二15、侧切削刃二13，所述侧部包括前侧面4、后侧面一5、后侧面二6、后沟槽面7、侧沟面8，所述侧切削刃一12和侧切削刃二13均分为前后两段，所述主切削刃9、所述侧切削刃一12的前段和所述侧切削刃二13的前段向着所述底面11的方向延伸构成所述前侧面4，所述后切削刃一14向着所述底面11的方向延伸构成所述后侧面一5，所述后切削刃二15向着所述底面11的方向延伸构成所述后侧面二6，所述后侧面一5、所述后侧面二6与所述底面11的轮廓线之间围成所述后沟槽面7，所述侧切削刃二13的后段向着所述底面11的方向延伸并与所述前侧面4和所述后侧面二6之间围成所述侧沟面8，所述侧切削刃一12的后段向着所述底面11的方向延伸并与所述前侧面4和所述后侧面一5之间围成另一侧沟面（在图中未示出，但本领域技术人员可以明了）。

更具体的，所述切削轮廓10为心形状，所述顶面3与所述底面11之间平行。

更具体的，所述主切削刃9、所述后切削刃一14、所述后切削刃二13为圆弧，所述侧切削刃一12、所述侧切削刃二13为直线，所述主切削刃9与所述侧切削刃一12之间平滑过渡，所述主切削刃9与所述侧切削刃二13之间平滑过渡，所述后切削刃一14与所述侧切削刃一12之间平滑过渡，所述后切削刃二15与所述侧切削刃二13之间平滑过渡，所述后切削刃一14与所述后切削刃二15相交。

更具体地，所述顶面3所在的平面与所述底面11所在的平面之间形成一锐角，所述锐角的角度为5°-30°之间。

在地质岩心钻探中，较致密的泥页岩地层大多以泥质胶结，地层中常常夹有石英层和白云岩层。这种地层属于难钻进层段，使用硬质合金钻头进尺效率极低，有时发生打滑而不进尺，钻头磨损非常严重，每回次都要更换钻头。泥页岩地层属于较软地层，使用金刚石钻头时，由于金刚石不易出刃，造成不进尺或进尺极其缓慢。使用常规片状PDC钻头进行钻进时，PDC钻头的碎岩机理与硬质合金钻头切削机理是一样的，遇到石英层和白云岩层的时候也会发生打滑不进尺，钻头磨损相对较轻。在PDC复合片钻进过程中，由于所钻岩石的性质不同，碎岩方式也不相同：在塑性岩石中，钻头底部PDC切削齿在钻进过程中受到轴向压力和围压的作用，单位压力超过岩石的抗压入强度时，PDC齿首先吃入岩石，在水平力的作用下对前面的岩石进行压迫，使岩石发生塑性变形，不断向前方自由面滑移；在脆性岩石中：在钻头切削齿受到轴向压力向下压入脆性岩石，单位压力超过岩石的抗压入强度时，PDC齿首先吃入岩石。由于岩石比较脆硬，岩石会发生脆性剪切，破碎的岩屑向周围自由面崩散。随后相继发生与前面相同的过程，最终使得岩石全部被破碎掉。

在实际生产过程中，施工现场为油页岩矿区，此类矿区的地层为砂岩、致密性泥岩、页岩等组成，地层虽然复杂，但都属于泥质胶结，地层可钻性良好。现场使用钻头大都为常规的硬质合金钻头，这种钻头在致密性泥岩和砂岩地区对钻头硬质合金切削齿的磨损非常严重，大约在三到四个回次就要更换一次钻头，在含有石英或白云岩地层每个回次都要更换钻头，而且进尺非常缓慢甚至不进尺。另外现场所用硬质合金钻头的切削齿磨损严重后，现场人员将其切割下来，换上新的切削齿，钻头的重复使用性较好，较为经济。施工人员在致密性泥岩和白云岩地层中使用了针状合金钻头，由于钻头是将金刚石聚晶包镶在胎体中，致密性泥岩可钻性级别较低，这种钻头的出刃量很小，也就是在此地层中无法正常出刃，下钻后在钻进过程中一直有打滑现象发生，进尺也非常缓慢。增大了钻进的时间，降低了钻进效率。

根据现场实际情况，选择了XY—6B型钻机，BW250泥浆泵，钻塔AY—12型13.5米。钻具结构组合：Φ91mm钻头+Φ73mm岩心管+Φ68mm钻铤8根+Φ60钻杆+扁六方钻杆。实验钻头底唇面积小，需要低压钻进。由于地层含有硬夹层，为了避免本发明中的异型金刚石复合片在高速钻进中发生崩齿，因此实际钻进时没有采用太高的转速。现场钻进实验时实际采用的钻压是500kg，转速为200-260r/min，冲洗液泵量为90L/min。为说明本发明中异型PDC切削齿钻头的钻进效果，将其与在同矿区使用的普通硬质合金钻头的钻进情况进行了对比。在相同地层，相同钻进深度，在钻压5kN、钻速200-260r/min、泵压6MPa的情况下，普通硬质合金钻头的进尺情况如下表所示。

采用本发明中的异型PDC切削齿钻头在相同的井眼中的进尺情况如下表所示。

根据对上面两种钻头的数据进行对比可以明显得出采用本发明中的异型PDC钻头在回次进尺、回次用时、回次时效三个方面都要比硬质合金钻头要好。本领域技术人员可以明了的是，为了更进一步对回次进尺、回次用时、回次时效三个方面进行对比，还可以将上述数据导入EXCEL表格中进行数据的直观对比显示，但显然地，上述数据对比已经很明显地显示出本发明中的异型PDC钻头的优越性，故相关对比图并未引入本发明中，但本领域技术人员可以很容易地得出。

对于圆柱齿压入岩石时的破碎机理，在目前已经研究的较为成熟，并形成了很多理论,本发明在此基础上对该异型PDC切削齿钻头的压入和切削岩石的破碎过机理进行分析。PDC齿在垂直载荷作用下压入岩石时,当载荷达到一定值的时候,PDC齿的主切削刃9压入岩石一很小的深度后,PDC齿与岩石之间有了一定的接触表面,此时切削齿的顶面3和前侧面4均与岩石有接触作用。随着载荷的继续增加，PDC齿后侧部分的后侧面5、6与顶面3继续压入岩石。与切削齿主切削刃9接触的岩石首先到达极限状态而被压碎,并产生了一定量的微裂纹。切削齿的前侧面4由于压入岩石的深度不同,所以岩石内部的应力分布也不同，在靠近PDC齿主切削刃9附近处的应力最大,自由表面处的为零。后侧面5、6和顶面3与岩石接触的表面处,岩石受到拉应力的作用,当拉应力达到岩石抗拉强度极限,该处也会产生微裂纹。随着载荷的增加,微裂纹逐渐朝着岩石的自由表面扩展,最后贯穿,从而形成大的体积破碎。值得注意的是，由于两个侧沟面8的存在，主切削刃9及前侧面4啃入岩石后，侧沟面8继续同岩石接触，从而加强了对岩石地层的切割作用，使得在实际钻进时的时效大大增强；在泥浆的冲蚀作用下，岩石碎屑及泥浆形成的粘流体与两后侧面5、6接触，由于两后侧面之间形成后沟槽面7岩石碎屑在该沟槽中形成环流，从而起到了一定的清洁作用，减小了钻头泥包的发生。

在实际生产中，待提钻后，将钻头卸下，对本发明的异型PDC切削齿表面进行清理，称取粘附的泥浆质量，进行记录，与普通硬质合金钻头所粘附的泥浆质量进行对比，结果分别为340g和610g，可以看出本发明的异型PDC钻头具有较好的防泥包效果。

实施例二：

根据上述实施例一的描述，本领域技术人员可以明了，对于该异型PDC切削齿钻头的切削齿的形状设计，其同样可以适用于其他钻头切削齿，如硬质合金齿，此时基体1与金刚石复合层2均由相同的硬质合金材料所构成，而其结构参数与本实施例相同，本领域人员根据如上描述完全可以明了其技术特征，故此处不再赘述。

最后，本领域技术人员可以明了的是，在PDC材料的发展上，规格尺寸越来越大、聚晶金刚石层的厚度增加了、PDC的整体厚度增加，且形状结构多样化。本领域技术人员公知，过去的PDC产品一般是片状和圆柱状，但目前由于PDC的尺寸大型化和加工技术如电火花、激光切割加工技术的提高，三角形、人字形、山墙形球面、曲面以及其它各种异形坯料增多，因而本领域技术人员可以采用现有技术加工工艺来加工出本发明中的异型PDC复合片。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种异型PDC切削齿钻头，包括异型PDC切削齿，所述切削齿包括基体和金刚石复合层，其特征在于，所述金刚石复合层至少由两个不在同一平面上的曲面构成，所述金刚石复合层为一圆台，所述基体为一圆柱体，所述圆台底面直径与所述圆柱体直径相同，所述金刚石复合层与所述基体连接在一起；所述金刚石复合层包括顶面、前侧面、后侧面一、后侧面二、后沟槽面、侧沟面、底面，所述顶面的轮廓线构成切削轮廓，所述切削轮廓与岩石接触的部位构成主切削刃，所述顶面的面积小于所述底面的面积，所述顶面轮廓线向着所述底面的轮廓线的方向延伸，从而构成连接所述顶面与所述底面之间的侧部，所述切削轮廓包括主切削刃、侧切削刃一、后切削刃一、后切削刃二、侧切削刃二，所述侧部包括前侧面、后侧面一、后侧面二、后沟槽面、侧沟面，所述侧切削刃一和侧切削刃二均分为前后两段，所述主切削刃、所述侧切削刃一的前段和所述侧切削刃二的前段向着所述底面的方向延伸构成所述前侧面，所述后切削刃一向着所述底面的方向延伸构成所述后侧面一，所述后切削刃二向着所述底面的方向延伸构成所述后侧面二，所述后侧面一、所述后侧面二与所述底面的轮廓线之间围成所述后沟槽面，所述侧切削刃二的后段向着所述底面的方向延伸并与所述前侧面和所述后侧面二之间围成所述侧沟面，所述侧切削刃一的后段向着所述底面的方向延伸并与所述前侧面和所述后侧面一之间围成另一侧沟面。

2.如权利要求1所述的异型PDC切削齿钻头，其特征在于，所述顶面所在的平面与所述底面所在的平面之间形成一锐角，所述锐角的角度为5°-30°之间。