CN105156035A - 一种活齿pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活齿PDC钻头，属石油天然气钻井工具技术领域。该钻头包括钻头主体，钻头主体上设置有主刀翼、副刀翼和喷嘴；主刀翼和副刀翼上分别安装有PDC切削齿，所述的PDC切削齿由底座桶、底座、导向柱、导向柱弹簧和底座弹簧构成，底座桶内通过底座弹簧活动安装有底座；底座的中间部位横向设置有导向孔，导向孔内装有导向柱弹簧，导向柱弹簧两端的导向孔内装有导向柱；底座通过导向柱和导向槽的配合与底座桶滑动连接。该钻头不仅提高了钻头使用寿命，而且减少起钻频率，解决了现有钻头切削齿磨损严重，尤其是非正常磨损，致使钻头工作不正常；以及钻头使用寿命低的问题，满足了非标准异形尺寸钻井的需要。

Description

一种活齿PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种活齿PDC钻头，属石油天然气钻井工具技术领域。

背景技术

PDC钻头是国外七十年代中期开始发展的一类用于钻地热井、石油及天然气井、地质钻探井的地下钻进用的钻头。这类钻头使用人造金刚石复合材料的切削齿以切削方式钻进，在软到中级别的地层内使用可以取得比使用牙轮钻头及刮刀钻头高的经济效益。

从1974年美国通用电气公司研制出聚晶金刚石复合片开始，PDC钻头发展很快，七十年代后期PDC钻头在油田开始现场使用实验，在通过油田现场使用实验修改结构及设计的同时不断改进材料及加工工艺。八十年代初，PDC钻头在油田开始工业性使用，并逐渐取得引人注目的经济效益，被称为80年代钻井工业技术的重大突破之一，这种技术对石油钻井工业的发展产生了巨大的影响。现场使用表明，PDC钻头用在中软硬度地层钻井具有机械钻速高，寿命长，进尺多，工作稳定，井下事故少，钻井劳动强度低，井身质量好等优点，并能很好的和井下动力钻具组合作业于高速钻井，合理使用PDC钻头不但可以缩短建井时间，也减少钻头下钻次数，还降低钻井成本和提高钻井的经济效益。在八十年代中期，已公认PDC钻头将会和牙轮钻头一样成为一类在油、气钻井钻进中占有一定使用数量比例的大量使用的钻头。

和牙轮钻头相比，在以下几个方面，PDC钻头具有独特的优越性：

（1）深井钻井：在深井钻井中，牙轮钻头寿命短，钻速低，起下钻频繁。如使用PDC钻头钻井，则可提高机械钻速以及钻头在井底的工作时间；

(2)小井眼钻井：牙轮钻头在小于165.1mm（6¹/₂in）的井眼钻井中限制了轴承能力。因此，牙轮钻头仅适用于低钻压，低机械钻速的地方。而PDC钻头采用整体设计，因而不受此限制。此外，在较低钻压下，PDC钻头也能获得较高的机械钻速；

(3)定向钻井：定向钻井过程中，钻头承受的侧向载荷较大，而PDC钻头抗磨能力强，又没有活动的零件，可以避免井下事故发生，更适合用于定向钻井；

(4)复杂地层钻井：在某些复杂地层，如软硬不一致地层，倾斜性地层等的钻井，必须要将钻压控制在较小的范围，要想在此种复杂地层中拥有较高的机械钻速，就可以使用PDC钻头；

(5)井底动力钻具钻井：井底动力钻具的钻速高，PDC钻头与井底马达配合钻井，可以取得很好的经济效益；

(6)油基泥浆钻井：PDC钻头钻头使用油基泥浆钻井能提高机械钻速和钻头寿命，因此，在使用这种泥浆钻井时，PDC钻头就必不可少了；

(7)异形尺寸井眼钻井：由于胎体采用硬质合金烧结技术，使得PDC钻头的设计、制造灵活，能很好的满足非标准异形尺寸钻井的需要。

虽然PDC钻头现在已广泛应用于钻探开发中，但通过使用情况表明有些PDC钻头的使用寿命较低，主要原因是复合片切削齿磨损严重，尤其是非正常磨损，如崩齿、聚晶金石层脱落、掉片、齿柱冲蚀造成钻头先期损坏，从而使钻头工作不正常；同时，PDC钻头在设计时采用强制平衡设计，力求使每个复合片的受力、切削量、磨损量、受力冲洗力和扭矩尽量相等，因此一旦有一个切削齿出先期损失，其余的切削齿就要承受额外的作用力，加快磨损，钻头的使用寿命大大降低。因此有必要对钻头切削齿的磨损情况进行分析研究，以找出相应的改进措施，从而提高PDC钻头的使用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种结构简单，实用性好，钻井过程中切削齿可以转动，以达到和实现均匀磨损的目的，从而减少起钻频率,提高使用寿命的活齿PDC钻头。

本发明的技术方案是：

一种活齿PDC钻头，包括钻头主体，钻头主体上设置有主刀翼、副刀翼和喷嘴；主刀翼和副刀翼上分别安装有PDC切削齿，其特征在于：所述的PDC切削齿由底座桶、底座、导向柱、导向柱弹簧和底座弹簧构成，底座桶内通过底座弹簧活动安装有底座；所述的底座为T字状的圆筒体，底座的中间部位横向设置有导向孔，导向孔内装有导向柱弹簧，导向柱弹簧两端的导向孔内装有导向柱；底座桶的内壁圆周上设置有波浪状的导向槽，底座通过导向柱和导向槽的配合与底座桶滑动连接；所述的底座顶部焊装有耐磨复合片。

所述的导向柱上方的底座套装有密封圈。

所述的耐磨复合片为聚晶金刚石复合片。

所述的耐磨复合片厚度为0.5mm。

本发明的优点在于：

该活齿PDC钻头结构简单，实用性好，钻井过程中；耐磨复合片受力；使底座通过导向柱与底座桶上的导向槽紧密贴合，此时的导向柱位于导向槽的波谷底部，从而使底座不能沿着径向运动。当起钻或者遇到岩石破碎钻头回转时，切削力消失，在底座弹簧的作用下底座上升，导向柱沿导向槽运动并回位于导向槽的波峰位置；当耐磨复合片再次受到切屑力的时候，导向柱又沿导向槽运动至导向槽的另一波谷底部，如此反复，导向柱沿导向槽不断上下运动，从而实现了底座的旋转，由于耐磨复合片焊装在底座顶部，进而实现了耐磨复合片的转动，由此达到和实现耐磨复合片均匀磨损的目的，从而减少了起钻频率,提高了钻头的使用寿命。解决了现有钻头切削齿磨损严重，尤其是非正常磨损，致使钻头工作不正常；以及钻头使用寿命低的问题。特别适用于石油天然气钻井使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的PDC切削齿的剖视结构示意图；

图3为本发明的PDC切削齿的截面结构示意图。

图中：1、钻头主体，2、主刀翼，3、副刀翼，4、PDC切削齿，5、底座桶，6、底座，7、导向柱，8、导向柱弹簧，9、底座弹簧，10、导向孔，11、密封圈，12、导向槽，13、耐磨复合片；14、喷嘴。

具体实施方式

该活齿PDC钻头包括钻头主体1，钻头主体1上设置有主刀翼2、副刀翼3和喷嘴14；主刀翼2和副刀翼3上分别安装有PDC切削齿4。主刀翼2上的PDC切削齿4数量为5个；副刀翼3上的PDC切削齿4数量为3个。该活齿PDC钻头的PDC切削齿4由底座桶5、底座6、导向柱7、导向柱弹簧8和底座弹簧9构成。底座桶5内通过底座弹簧9活动安装有底座6。底座6为T字状的圆筒体，底座6的中间部位横向设置有导向孔10，导向孔10内装有导向柱弹簧8，导向柱弹簧8两端的导向孔10内装有导向柱7；导向柱7上方的底座6上套装有密封圈11，以保证底座6与底座桶5之间的密封性，防止岩屑进入至底座桶5内。

底座桶5的内壁圆周上设置有波浪状的导向槽12，底座6通过导向柱7和导向槽12的配合与底座桶5滑动连接；正常情况下在导向柱弹簧8的作用下，导向柱7与导向槽12紧密贴合，从而防止底座6从底座桶5内滑出。底座的顶部焊装有厚度为0.5mm的耐磨复合片13。耐磨复合片13为聚晶金刚石复合片。

该活齿PDC钻头的PDC切削齿4通过焊接的方式分别固定安装于主刀翼2和副刀翼3上；工作时，耐磨复合片13受力；使底座6通过导向柱7与底座桶5上的导向槽12紧密贴合，此时的导向柱7位于导向槽12的波谷底部，从而使底座6不能沿着径向运动。当起钻或者遇到岩石破碎钻头回转时，切削力消失，在底座弹簧9的作用下底座6上升，导向柱7沿导向槽12运动并进入至导向槽12的波峰位置；当耐磨复合片13再次受到切屑力的时候，导向柱7又沿导向槽12运动至导向槽12的另一波谷底部，如此反复，在底座弹簧9和切屑力的作用下，底座6通过导向柱7沿导向槽12的走向不断上下运动，从而实现了底座6的旋转，由于耐磨复合片13焊装在底座6顶部，进而实现了耐磨复合片13的转动，由此达到和实现使耐磨复合片13均匀磨损的目的。

该活齿PDC钻头通过对PDC切削齿4的改进，不仅提高了钻头使用寿命，而且减少起钻频率，大大提高钻头的经济效益；解决了现有钻头切削齿磨损严重，尤其是非正常磨损，致使钻头工作不正常；以及钻头使用寿命低的问题。满足非标准异形尺寸钻井的需要；特别适用于石油天然气钻井使用。

Claims (4)

1.一种活齿PDC钻头，包括钻头主体（1），钻头主体（1）上设置有主刀翼（2）、副刀翼（3）和喷嘴（14）；主刀翼（2）和副刀翼（3）上分别安装有PDC切削齿（4），其特征在于：所述的PDC切削齿（4）由底座桶（5）、底座（6）、导向柱（7）、导向柱弹簧（8）和底座弹簧（9）构成，底座桶（5）内通过底座弹簧（9）活动安装有底座（6）；所述的底座（6）为T字状的圆筒体，底座（6）的中间部位横向设置有导向孔（11），导向孔（10）内装有导向柱弹簧（8），导向柱弹簧（8）两端的导向孔（10）内装有导向柱（7）；底座桶（5）的内壁圆周上设置有波浪状的导向槽（12），底座（6）通过导向柱（7）和导向槽（12）的配合与底座桶（5）滑动连接；所述的底座（6）顶部焊装有耐磨复合片（13）。

2.根据权利要求1所述的一种活齿PDC钻头，其特征在于：所述的导向柱（7）上方的底座套装有密封圈（11）。

3.根据权利要求1所述的一种活齿PDC钻头，其特征在于：所述的耐磨复合片（13）为聚晶金刚石复合片。

4.根据权利要求1所述的一种活齿PDC钻头，其特征在于：所述的耐磨复合片（13）厚度为0.5mm。