CN105134084A - 一种预破碎混合布齿的pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预破碎混合布齿的PDC钻头,包括钻头主体,在钻头主体端头均布五组PDC刀翼,在每组PDC刀翼上沿径向布置有多个PDC切削齿和预破碎齿,每个PDC切削齿工作面的前方对应布置有同轨的预破碎齿,或者预破碎齿与对应的PDC切削齿布置在相邻的PDC刀翼上,并且对应的预破碎齿与PDC切削齿位于同定位半径和同定位高度;钻头主体上还布置有五组喷嘴,五组喷嘴与五组PDC刀翼依次间隔分布。本发明的装置,增强PDC钻头在硬地层、软硬交错的夹层和含砾石地层中的适应性,钻井效率高,显著提高钻头的寿命。
Description
技术领域
本发明属于石油钻探设备技术领域,涉及一种预破碎混合布齿的PDC钻头。
背景技术
目前在石油天然气钻井中主要是用三牙轮钻头和PDC钻头。PDC钻头的破岩机理为刮削破岩,三牙轮钻头的破岩机理为冲击压碎。由于岩石的抗剪强度远小于抗压强度,所以PDC钻头的破岩效率和破岩速度远大于三牙轮钻头。但是PDC钻头又有其显著的缺点,即不能适应硬地层、软硬交错的夹层地层和含砾石的地层。
如何解决PDC钻头在这些地层中钻井效率低、寿命短的问题,已经成为了PDC钻头技术的一大难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种预破碎混合布齿的PDC钻头,解决了现有技术中存在的PDC钻头在硬地层、软硬交错的夹层和含砾石的地层中的适应性差,钻井效率低、寿命短的问题。
本发明所采用的技术方案是,
第一种,一种预破碎混合布齿的PDC钻头,包括钻头主体,在钻头主体端头均布五组PDC刀翼,在每组PDC刀翼上沿径向布置有多个PDC切削齿和对应的预破碎齿,每个PDC切削齿工作面的前方布置有对应同轨的预破碎齿,并且对应的预破碎齿与PDC切削齿位于同定位半径和同定位高度;在钻头主体上还布置有五组喷嘴,五组喷嘴与五组PDC刀翼依次间隔分布。
第二种,一种预破碎混合布齿的PDC钻头,包括钻头主体,在钻头主体端头均布五组PDC刀翼,在每组PDC刀翼上沿径向布置有多个PDC切削齿和预破碎齿,预破碎齿与对应的PDC切削齿布置在相邻的PDC刀翼上;并且对应的预破碎齿与PDC切削齿位于同定位半径和同定位高度;在钻头主体上还布置有五组喷嘴,五组喷嘴与五组PDC刀翼依次间隔分布。
本发明的预破碎混合布齿的PDC钻头,其特征还在于:
预破碎齿的形状选用锥球齿、楔形齿、勺形齿、球形齿、锥台齿、菱锥齿、圆柱齿之一。
预破碎齿的后倾角α范围为-45°≤α≤45°。
本发明的有益效果是,通过钻头刀翼上预破碎齿预先破碎岩石,并在井底形成连续的圆环形齿坑,降低岩石强度,PDC切削齿利用之前形成的齿坑能够更容易地吃入地层,提高其破岩效率。主要包括以下特点:
1)提高破岩效率和机械钻速:由于通过钻头刀翼上预破碎齿预先地破碎岩石,并在井底形成连续的圆环形齿坑,降低岩石强度,PDC切削齿利用之前形成的齿坑能够更容易地吃入地层,从而提高破岩效率和机械钻速。
2)减少PDC切削齿热磨损现象:由于预破碎齿已经预先地破碎了部分岩石,能够有效地减少PDC切削齿与岩石的接触面积和切削体积,能大幅度地减少PDC切削齿的热磨损和热能集中的现象。
3)提高钻头寿命:由于每一颗PDC切削齿的切削轨迹上都对应了有预破碎齿,同时PDC切削齿热磨损现象的减少,因而可以大幅提高PDC切削齿的工作寿命和钻头的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图;
图2是本发明实施例1的布齿俯视图;
图3是本发明实施例1的布齿周向位置图;
图4是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6工作的主视图;
图5是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6工作的俯视图;
图6是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图;
图7是本发明实施例1的1号刀翼的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图;
图8是本发明实施例2的结构示意图;
图9是本发明实施例2的布齿俯视图;
图10是本发明的预破碎齿6的后倾角布置的表示图。
图中,1.钻头主体,2.接头,3.PDC刀翼,4.喷嘴,5.PDC切削齿,6.预破碎齿,7.预破碎齿坑,8.切削齿坑,9.井底轮廓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1,本发明的结构是,包括钻头主体1,钻头主体1与接头2连接为一个整体,在钻头主体1端头均布五组PDC刀翼3(即五组PDC刀翼3半包围均布在钻头主体1端头),在每组PDC刀翼3上沿径向布置有多个PDC切削齿5及对应的预破碎齿6,每个PDC切削齿5工作面的前方布置有对应同轨的预破碎齿6,并且预破碎齿6与对应的PDC切削齿5位于同定位半径和同定位高度;钻头主体1上还布置有五组喷嘴4,五组喷嘴4与五组PDC刀翼3依次间隔分布,用于清洗五组PDC刀翼3的钻头流道;
参照图2,罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表钻头的1-5组PDC刀翼3,每组PDC刀翼3上的PDC切削齿5与预破碎齿6对应布置。
预破碎齿6的形状选用锥球齿、楔形齿、勺形齿、球形齿、锥台齿、菱锥齿、圆柱齿之一;预破碎齿6的材料选用硬质合金、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、天然金刚石、立方氮化硼、硬质合金、金刚石或立方氮化硼的切削齿。
预破碎齿6的后倾角α范围为-45°≤α≤45°。
根据需要,预破碎齿6与对应的PDC切削齿5可以布置在同一个PDC刀翼3上,或者布置在相邻的PDC刀翼3上。
实施例1
参照图1-图2,是实施例1的PDC钻头结构,每一颗预破碎齿6同轨(同定位半径和同定位高度)地布置在每组PDC刀翼3上对应的PDC切削齿5工作面的前方;预破碎齿6的轴向定位高度与PDC切削齿5相等。
参照图3、图4、图5,每组PDC刀翼3上的PDC切削齿5与对应的预破碎齿6都位于相同的定位半径上,且顺着钻头旋转方向,预破碎齿6布置在PDC切削齿5工作面的前方,能够比PDC切削齿5预先破碎岩石。
预破碎齿6的形状采用的是锥球齿,其中锥顶位置的球面半径为R2,其材料为硬质合金。
预破碎齿6的后倾角为15°,该角度的轴向力最小,同时吃入地层能力最强。
图6是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图(所有的PDC切削齿5与预破碎齿6投影到同一平面上),通过该方法布齿,形成了井底轮廓9。
图7是本发明实施例1的第一组PDC刀翼3的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图(第一组PDC刀翼3上的PDC切削齿5与预破碎齿6投影到同一平面上),PDC切削齿5与预破碎齿6布置在钻头的刀翼3上,形成了井底轮廓9。
实施例2
参照图8、图9,实施例2与实施例1主体结构基本相同,其区别在于,其预破碎齿6与对应的PDC切削齿5布置在相邻的PDC刀翼3上。
具体设置是,如图9中罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表钻头的第1-5组PDC刀翼3,设置在I组PDC刀翼3上的PDC切削齿5所对应的预破碎齿6布置在II组PDC刀翼3上,设置在Ⅱ组PDC刀翼3上的PDC切削齿5所对应的预破碎齿6布置在Ⅲ组PDC刀翼3上,依次类推;预破碎齿6与PDC切削齿5同定位半径和同定位高度,顺着钻头旋转方向,预破碎齿6布置在PDC切削齿5工作面的前方,能够比PDC切削齿5预先破碎岩石。
预破碎齿6的形状选用楔形齿,其材料为聚晶金刚石复合体。
图10是本发明的预破碎齿6的后倾角布置的表示方法,α为预破碎齿的轴线与井底轮廓9的法线的夹角。沿着钻头旋转方向,当α≥0°时,为正后倾角,当α=0°时,为零后倾角,当α≤0°时,为负后倾角。
实施例2中的各个预破碎齿6的后倾角为0°。
本发明的预破碎混合布齿的PDC钻头,其工作原理是,
参照图5、图6、图7和图10,通过PDC刀翼3上的预破碎齿6预先破碎岩石,并在井底形成连续的圆环形预破碎齿坑7,降低岩石强度;然后,PDC切削齿5利用之前形成的预破碎齿坑7能够更容易地吃入地层,刮切破岩形成切削齿坑8,得到井底轮廓9,提高其破岩效率。
本发明的装置,与常规的PDC钻头相比,采用预破碎混合布齿方式,能使PDC切削齿更容易吃入地层,提高钻头的破岩效率和机械钻速;同时类似于“双排齿”的布齿方法,能显著提高钻头的寿命。本发明的预破碎混合布齿的PDC钻头增强了PDC钻头在硬地层、软硬交错的夹层和含砾石地层中的适应性,防止钻头因受到强烈的冲击载荷造成PDC切削齿5失效,解决现有PDC钻头在这些地层中钻井效率低,寿命短的问题。
Claims (4)
1.一种预破碎混合布齿的PDC钻头,其特征在于:包括钻头主体(1),在钻头主体(1)端头均布五组PDC刀翼(3),在每组PDC刀翼(3)上沿径向布置有多个PDC切削齿(5)和对应的预破碎齿(6),每个PDC切削齿(5)工作面的前方布置有对应同轨的预破碎齿(6),并且对应的预破碎齿(6)与PDC切削齿(5)位于同定位半径和同定位高度;
在钻头主体(1)上还布置有五组喷嘴(4),五组喷嘴(4)与五组PDC刀翼(3)依次间隔分布。
2.一种预破碎混合布齿的PDC钻头,其特征在于:包括钻头主体(1),在钻头主体(1)端头均布五组PDC刀翼(3),在每组PDC刀翼(3)上沿径向布置有多个PDC切削齿(5)和预破碎齿(6),预破碎齿(6)与对应的PDC切削齿(5)布置在相邻的PDC刀翼(3)上;并且对应的预破碎齿(6)与PDC切削齿(5)位于同定位半径和同定位高度;
在钻头主体(1)上还布置有五组喷嘴(4),五组喷嘴(4)与五组PDC刀翼(3)依次间隔分布。
3.根据权利要求1或2所述的预破碎混合布齿的PDC钻头,其特征在于:所述的预破碎齿(6)的形状选用锥球齿、楔形齿、勺形齿、球形齿、锥台齿、菱锥齿、圆柱齿之一。
4.根据权利要求1或2所述的预破碎混合布齿的PDC钻头,其特征在于:所述的预破碎齿(6)的后倾角α范围为-45°≤α≤45°。
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