CN105888562A - 一种防斜易排屑pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防斜易排屑PDC钻头，其结构合理，制造成本低，钻头运行平稳，使用寿命长。包括钻头本体及固定在钻头本体上的刀翼、喷嘴、切屑齿以及刀翼之间设置的排屑槽，还包括保径块，保径块包括环绕钻头本体外壁并与刀翼连接的上保径和位于上保径下方与上保径错位周向交错布置的下保径；排屑槽表面设置有凹陷的槽口，槽口两端从排屑槽延伸到刀翼的前后端面上；喷嘴由内、外两层结构复合而成，其中，外层结构为抗断层，内层结构为耐冲蚀层；刀翼上设有多个依次排列的切削齿；切削齿为金刚石复合片；刀翼上背对切削齿的部位镶嵌一组楔形钻进尖齿；楔形钻进尖齿为聚晶金刚石；楔形钻进尖齿的高度大于切削齿的高度。

Description

一种防斜易排屑PDC钻头

技术领域

本发明涉及属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，特别涉及一种防斜易排屑PDC钻头。

背景技术

钻井是石油、天然气等地下资源勘探开发的基本手段，也是资金和技术密集型专业工程。先进的钻井技术，在加快油气等资源勘探开发速度等方面发挥了不可替代的重要作用。因此，开展钻井技术和钻井工具研究，对提高我国油气等地下资源的勘探开发效率以及参与世界技术市场竞争等都具有十分重要的现实意义和战略意义。在钻井时如何实现高效防斜是钻井现场经常碰到的技术难题之一。如果井斜过大，会使井眼偏离地下设计目标，打乱油气田开发的布局。对于勘探工作来说，井斜大了会使井深发生误差，得到的地质资料不真实，甚至偏离勘探目标。井打斜了，也给钻井工程本身增加了困难，甚至造成严重的井下事故。对采油工作来说，井斜过大会直接影响井下的分层开采、注水工作的正常进行，对抽油井也常引起抽油杆的磨损和折断。所以，井斜过大对油气田的勘探与开发都有很大的危害。

随着PDC钻头技术的发展，其技术和经济优势越来越明显，其技术和经济优势越来越明显，1998年以来在川西地区使用PDC钻头与牙轮钻头相比，单只钻头进尺和机械钻速都成倍增长，钻井周期缩短了50％以上，每米钻井成本大幅度降低，获得了显著的经济效益和社会效益。但是，在应用PDC钻头钻井时，由于地质情况、钻具结构以及钻井施工的原因造成钻井偏斜的情况不时发生，这种井斜会影响钻井偏离设计目标，导致在钻井工程中会降低钻井质量，甚至造成油气井报废。为防止井斜或纠斜，钻井工程中可采取一些措施。如传统的防斜打直技术，无论是底部钻具组合本身还是地层的自然造斜特征均要求限制钻压的大小，甚至要求“轻压吊打”从而严重降低了钻井的效率。现有的普通PDC钻头，每一条刀翼下连着一条保径，保径长度一般为50-120mm。钻井时，保径是贴在钻头已切屑好的井壁上，起扶正钻头，防止震动，同时也有一定的防井斜的作用，但是由于保径长度有限，因此防斜能力较差，需要对现有的PDC钻头进行改进，以克服其防斜能力差的问题。

另外，现有的PDC钻头一般通过优化水力结构来防止岩石泥包钻头，钻井液通过喷嘴喷射出来对切削齿进行清洗和冷却，钻井液携带岩屑通过排屑槽排出井底。当PDC钻头在软泥地层、易吸水膨胀的地层，岩屑容易粘附在钻头表面，同时在钻头上刀翼附近容易形成涡旋，让岩屑长时间停留在钻头附近，形成泥包，堵塞流道和排屑槽。一旦钻头泥包，容易造成钻头在井底重复切削，其切削能力大大降低，岩屑不能及时排除井底，容易堵塞喷嘴，发生事故，需要起下钻重新更换钻头，增加钻井成本。

再有，目前，石油钻井领域中的喷嘴主要用于清除金刚石钻头中的岩屑以及冷却、润滑切削齿。现有技术中，在石油钻井中应用最广泛的喷嘴由单层结构制成，因硬质合金材料具有高硬度和耐磨性的特点，所以，目前的单层结构喷嘴多采用硬质合金层制造。但是，单层硬质合金层结构的喷嘴在应用时，存在以下缺陷：一方面，由硬质合金层制成的喷嘴韧性差，在装卸喷嘴过程中极易断裂，进而造成喷嘴先期失效、断裂、掉入井底等问题，严重影响工程质量；另一方面，井底液流长期冲蚀喷嘴，而硬质合金层耐冲蚀性差，进而导致单层硬质合金层的喷嘴使用寿命缩短，使用效果降低。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种防斜易排屑PDC钻头，其结构合理，制造成本低，钻头运行平稳，使用寿命长。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种防斜易排屑PDC钻头，包括钻头本体及固定在钻头本体上的刀翼、喷嘴以及刀翼之间设置的排屑槽，还包括保径块，所述保径块包括环绕钻头本体外壁并与刀翼连接的上保径和位于上保径下方与上保径错位周向交错布置的下保径；所述排屑槽表面设置有凹陷的槽口，槽口两端从排屑槽延伸到刀翼的前后端面上；所述喷嘴由内、外两层结构复合而成，其中，外层结构为抗断层，内层结构为耐冲蚀层；所述刀翼上设有多个依次排列的切削齿；所述切削齿为金刚石复合片；所述刀翼上背对切削齿的部位镶嵌一组楔形钻进尖齿；所述楔形钻进尖齿为聚晶金刚石；所述楔形钻进尖齿的高度大于所述切削齿的高度。

具体地，所述楔形钻进尖齿与所述切削齿的高度差在3～5mm之间。

进一步地，所述楔形钻进尖齿的前侧面和后侧面分别为等边三角形结构。

进一步地，所述上保径和下保径侧面均为竖向布置的等腰梯形，且长边为底面边线，短边为上表面的边线，所述长边所在的底面与钻头本体的外壁连接。

进一步地，所述槽口凹陷于排屑槽表面的深度为2～4mm。

进一步地，所述槽口的宽度为5～8mm。

进一步地，所述相邻两个刀翼之间的排屑槽表面与钻头本体轴线的夹角为3°～18°。

进一步地，所述耐冲蚀层为金刚石层。

进一步地，所述金刚石层的厚度为0.1mm～0.5mm。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)在钻头本体上设置上保径和下保径，增长了保径与井壁接触的弧长，这也使保径宽度之和与钻头外圆周长之比值增加，大大提高了钻井稳定性。同时大大提高了钻头的扶正防斜作用，且对泥浆的流动不会有影响。

2)在钻头上形成向内凹陷的槽口，可以减小岩屑与钻头表面的接触面积，从而降低岩屑与钻头的粘附力，同时凹槽内可以储存钻井液，也能够起润滑作用，排屑槽面与钻头本体轴线有一定夹角，这样可以利于岩屑迅速的通过排屑槽，当在钻头刀翼横截面附近形成涡流时，因为有夹角在排屑槽附近的岩屑被槽口阻挡不能重新回到井底，减小岩屑堵塞钻头的几率，从而能够有效防止钻头泥包。

3)结构合理，制造成本低，钻头运行平稳。

4)本发明打破了目前石油钻井领域中应用的喷嘴单一的结构设计，将喷嘴设计为两层结构，通过合金钢层和金刚石层复合而成，利用合金钢良好的韧性，使得喷嘴装卸更便利，在装卸过程中不易断裂；另一方面，本发明采用的人造金刚石层作为喷嘴的内层结构，其耐冲蚀性能极佳，可有效地克服井底液流的冲蚀，从而避免了喷嘴先期失效，以及在使用或装卸过程中断裂，掉落井底，保证施工安全，提高了井底清洁效率，进而提高了机械钻速。

5)由于其设置了比切削齿高的楔形钻进尖齿，所以在钻探研磨性适中并且带有一定塑性的硬地层时，先由楔形钻进尖齿对该硬地层进行划口破坏，再由切削齿进行剪切破碎，不但机械钻速快，而且十分容易吃入该硬地层，大大地降低了对切削齿的磨损，延长了钻头的使用寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2本发明中喷嘴的结构示意图；

图3为发明中另一结构示意图；

图4本发明中图1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1至图4所述，本发明提出了一种防斜易排屑PDC钻头，包括钻头本体1及固定在钻头本体1上的刀翼2，所述刀翼2上设有6-8个依次排列的切削齿3；所述切削齿3为金刚石复合片；所述刀翼2上背对切削齿3的部位镶嵌一组楔形钻进尖齿9；所述楔形钻进尖齿9为聚晶金刚石；所述楔形钻进尖齿9的高度大于所述切削齿3的高度；所述楔形钻进尖齿9与所述切削齿3的高度差在4mm，所述楔形钻进尖齿9的前侧面和后侧面分别为等边三角形结构。由于其设置了比切削齿3高的楔形钻进尖齿9，所以，在钻探研磨性适中并且带有一定塑性的硬地层时，先由楔形钻进尖齿9对该硬地层进行划口破坏，再由切削齿3进行剪切破碎，不但机械钻速快，而且十分容易吃入该硬地层，大大地降低了对切削齿3的磨损，延长了钻头的使用寿命。

图3所示，所述喷嘴8由内、外两层结构复合而成，其中，外层结构为抗断层8-1，内层结构为耐冲蚀层8-2；而成，具体的说，喷嘴8的外层结构即为由合金钢制成的合金钢层，通过外层的合金钢层增加了喷嘴8外部的柔韧性，从而使得装卸喷嘴8过程中，喷嘴8不易断裂，本实施例中，作为一种优选结构，合金钢层由不锈钢制成，其具有高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能；本实施例中新型喷嘴8的内层结构即主要为喷嘴8内孔(通孔)的内壁部分，该内壁部分直接与井底液流接触，为了提高喷嘴8内孔的耐冲蚀性，其由耐冲蚀性材料制成。需要说明的是，在技术条件允许的前提下，也可通过覆层法强化合金钢层表面的耐冲蚀性来实现喷嘴8内层结构的加工。

耐冲蚀性材料的选择较多，如：纤维强化型和粒子强化型材料，本实施例中内层结构为金刚石层，作为一种优选结构，该金刚石层由人造金刚石制成在上述结构的基础上，金刚石层通过压制成型，金刚石层有一定厚度，本实施例中金刚石层的范围值在0.1mm～0.5mm之间，如：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5等值，金刚石层的取值范围由实际生产喷嘴8的规格大小而定，金刚石层选择适宜的厚度，可使得新型喷嘴8的实现更加方便。在上述结构的基础上，金刚石层通过压制成型，从而得到新型喷嘴8。

图1所示，刀翼2之间设置的排屑槽6，所述排屑槽6表面设置有凹陷的槽口7，槽口7两端从排屑槽6延伸到刀翼2的前后端面上；所述槽口7凹陷于排屑槽6表面的深度为3mm。所述槽口7的宽度为6.5mm，所述相邻两个刀翼2之间的排屑槽6表面与钻头本体1轴线的夹角10°、12°、15°。在钻头表面的凹凸不平的槽内可以减小岩屑与钻头表面的接触面积，从而降低岩屑与钻头的粘附力，同时槽内可以储存钻井液，也能够起润滑作用，排屑槽6面与钻头轴线有一定夹角，这样可以利于岩屑迅速的通过排屑槽6，当在钻头刀翼2横截面附近形成涡流时，因为有夹角在排屑槽6附近的岩屑被槽口7阻挡不能重新回到井底，减小岩屑堵塞钻头的几率，从而能够有效防止钻头泥包。

图1所示，还包括保径块，所述保径块包括环绕钻头本体1外壁并与刀翼2连接的上保径4和位于上保径4下方与上保径4错位周向交错布置的下保径5；所述上保径4和下保径5侧面均为竖向布置的等腰梯形，且长边为底面边线，短边为上表面的边线，所述长边所在的底面与钻头本体1的外壁连接。现有的普通PDC钻头，每一条刀翼2下连着一条保径，保径长度一般为50-120mm。由于长度有限，防斜能力差，本发明设置下保径5，且上保径4和下保径5交错设置，钻井时上保径4和下保径5均贴在井壁上，大大提高了钻头的防斜作用。如图3所述，本发明中上保径4和下保径5的外表面还可为圆锥形，结构合理，制造成本低，钻头运行平稳。钻进作业时通常是靠螺杆钻具和钻头旋转进行的，常规PDC钻头因其保径是圆柱状的，在钻头工作的时候常会使保径与井壁摩擦，很容易造成钻头扭转时的抖动，本发明采用保径下端的直径最大向上逐渐变小，这种渐变的结构使得钻头工作时，即使钻头中心轴与钻井中心轴发生些偏移，保径上部也不会与井壁摩擦造成钻头的抖动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种防斜易排屑PDC钻头，包括钻头本体及固定在钻头本体上的刀翼、喷嘴以及刀翼之间设置的排屑槽，其特征在于：还包括保径块，所述保径块包括环绕钻头本体外壁并与刀翼连接的上保径和位于上保径下方与上保径错位周向交错布置的下保径；

所述排屑槽表面设置有凹陷的槽口，槽口两端从排屑槽延伸到刀翼的前后端面上；

所述喷嘴由内、外两层结构复合而成，其中，外层结构为抗断层，内层结构为耐冲蚀层；

所述刀翼上设有多个依次排列的切削齿；所述切削齿为金刚石复合片；所述刀翼上背对切削齿的部位镶嵌一组楔形钻进尖齿；所述楔形钻进尖齿为聚晶金刚石；所述楔形钻进尖齿的高度大于所述切削齿的高度。

2.如权利要求1所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述楔形钻进尖齿与所述切削齿的高度差在3～5mm之间。

3.如权利要求1或2所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述楔形钻进尖齿的前侧面和后侧面分别为等边三角形结构。

4.如权利要求1或2所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述上保径和下保径侧面均为竖向布置的等腰梯形，且长边为底面边线，短边为上表面的边线，所述长边所在的底面与钻头本体的外壁连接。

5.如权利要求4所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述槽口凹陷于排屑槽表面的深度为2～4mm。

6.如权利要求5所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述槽口的宽度为5～8mm。

7.如权利要求1所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述相邻两个刀翼之间的排屑槽表面与钻头本体轴线的夹角为3°～18°。

8.如权利要求7所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述耐冲蚀层为金刚石层。

9.如权利要求8所述的一种防斜易排屑PDC钻头，其特征在于：所述金刚石层的厚度为0.1mm～0.5mm。