CN107605407A - 一种pdc牙轮以及含有该pdc牙轮的复合钻头 - Google Patents
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Abstract
一种PDC牙轮,其牙轮锥面交错、规则布设有若干横向镶嵌的PDC复合片。将上述PDC牙轮规则固定于PDC钻头的切削翼间,构成一种PDC牙轮复合钻头。本发明通过采用横向镶嵌的PDC复合片代替现有牙轮的尖齿结构,一方面有效降低了切削齿的出露高度,并采用剪切、切削、冲击等多种方式代替原有单一冲击破岩方式,有效缩小牙轮钻头纵向震动幅度,使复合钻头中牙轮钻头工作方式与PDC钻头相匹配,提高钻头与井底的贴合度,从而保证PDC钻头的钻进效率,有利于提高复合钻头机械钻速;另一方面,通过增大PDC复合片切削倒角,使其工作压力得以显著降低,有利于缓解切削齿失效情况,从而延长钻头使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻探技术领域,尤其涉及一种PDC牙轮以及含有该PDC牙轮的复合钻头。
背景技术
在常规作业中,钻头的使用寿命和机械钻速是用来评价钻头性价比的两个重要指标。钻头的使用寿命决定了更换钻头的起下钻次数,机械钻速决定了作业时间,因而上述两个参数直接影响了钻进成本。钻头生产商通过持续改进钻头结构、切削齿结构等措施,以期应对降低钻井总成本的要求。其中,由贝克休斯公司推出的Kymera复合式钻头技术较有代表性——将牙轮钻头与PDC钻头结合在同一钻头体上,从而同时具有PDC钻头优越的切削能力和持久的工作性能,以及牙轮钻头的破岩强度。中国专利CN103089153A、CN201310063815X、CN2015305686592等也公开了多种牙轮—PDC复合钻头结构。
上述复合钻头为保持牙轮钻头和PDC钻头的钻削优势,对其单体结构改动较小,仅在于牙轮或切削刀翼的数量、牙轮锥形或切削刀翼冠形以及两者间的布局关系等方面的替换。但牙轮钻头和PDC钻头的破岩机理差异较大:牙轮钻头中的切削齿将钻压作用于岩石上,通过牙轮的滚动,切削齿交替与井底接触,对岩层进行冲击和压碎实现破岩;PDC钻头的切削齿在钻头旋转带动下,根据岩层硬度分别以剪切和切削或压碎和研磨方式破岩。现有牙轮钻头为保证其破岩冲击强度,均采用锥形齿等尖齿结构作为切削齿。尖齿出露高度较大,一方面导致其过快磨损,进而影响复合钻头的使用寿命;另一方面,尖齿在单双齿交替接触井底时所导致的牙轮钻头轴心高低位移差较大,从而加大了牙轮钻头的纵向震动幅度。而PDC钻头在钻进过程中,切削齿则始终贴合井底。当采用复合钻头进行钻进时,牙轮钻头产生的纵向震动一方面使得PDC钻头的切削深度极不稳定,导致井底形成重复破碎区域和井底垫层,从而使复合钻头的机械钻速受到较大的影响;另一方面,PDC钻头随牙轮钻头在垂直方向进行的往复运动,加大了PDC切削齿切削层与岩层的垂直碰撞几率,极易导致断齿、崩齿和脱齿等切削齿的严重失效,从而影响了复合钻头的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种PDC牙轮以及含有该PDC牙轮的复合钻头,以解决上述现有技术不足。通过采用横向镶嵌的PDC复合片代替现有牙轮的尖齿结构,一方面有效降低了切削齿的出露高度,并采用剪切、切削、冲击等多种方式代替原有单一冲击破岩方式,有效缩小牙轮钻头纵向震动幅度,使复合钻头中牙轮钻头工作方式与PDC钻头相匹配,提高钻头与井底的贴合度,从而保证PDC钻头的钻进效率,有利于提高复合钻头机械钻速;另一方面,通过增大PDC复合片切削倒角,使其工作压力得以显著降低,有利于缓解切削齿失效情况,从而延长钻头使用寿命。
为了实现本发明的目的,拟采用以下技术:
一种PDC牙轮,其特征在于,牙轮的主锥和副锥表面交错、规则布设有若干横向镶嵌的PDC复合片。
进一步地,所述PDC复合片的金刚石切削层倒角R为0.8~3。
一种复合钻头,其特征在于,钻头体上规则固设有若干PDC刀翼和若干上述PDC牙轮。
进一步地,所述PDC牙轮设置于两PDC刀翼间。
进一步地,所述PDC刀翼镶齿切削层与所述PDC牙轮镶齿切削层对向设置。
进一步地,所述PDC刀翼切削旋转方向与所述PDC牙轮的自转方向相反。
进一步地,所述PDC刀翼间、以及所述PDC刀翼和所述PDC牙轮间的所述钻头体处均设有水眼。
对上述技术方案的进行如下说明:
传统牙轮由合金钢经模锻制成锥体后,在牙轮锥面进行铣齿或镶齿操作。由于铣齿耐磨性不足,因而现有牙轮多采用镶齿处理。牙轮镶齿多采用碳化钨、钴系列硬质金属合金,近年来也出现了采用金刚石复合材料作为镶齿的技术方案,如中国专利CN202417313U一种有PDC齿的单牙轮钻头。虽然牙轮钻头破岩过程中牙轮切削齿始终不脱离井底岩石恒接触区的工况极适合于以剪切方式破岩的PDC复合片,但由于牙轮切削齿相对岩石的作用方向在0°~360°之间不断变化,使PDC切削齿的聚晶金刚石切削层在工作过程中受力方向的变化幅度过大。而现有牙轮所采用的尖齿结构加剧了这种作用力的强度,加之聚晶金刚石切削层虽较硬质合金齿具有极为优越的硬度及耐磨性能,但其脆性较大,在上述工况中极易发生切削层的局部崩裂或断齿,从而在极短的时间内使PDC复合片损坏失效。
研究发现岩石诸力学强度中,抗拉强度最低、剪切强度次之、抗压强度最高。而本发明采用横向镶嵌的方式,将PDC复合片沿纵向轴线切面平行面进行固定,使聚晶金刚石切削层部分埋设于牙轮锥面内、其横截面垂直于牙轮锥面,各切削层朝向一致。横向镶齿采用剪切、切削、冲击等多种方式代替原有牙轮单一冲击破岩方式,有效缩小牙轮钻头纵向震动幅度,有利于提高钻进效率。横向嵌齿出露在锥面外部的结构除切削面外,还有对切削面进行支撑的硬质金属基体,当牙轮切削齿相对岩石的作用方向发生改变时,硬质金属基体为切削面提供有效支撑;同时,出露的切削面和基体又将受力传导至埋设于牙轮锥面内部的切削面和基体处,进而将受力分散至牙轮主体中,从而减轻PDC复合片的受力,缓解PDC复合片的损耗情况,有利于提高牙轮切削齿的抗冲击能力和延长牙轮的整体使用寿命。并采用增大PDC复合片切削面倒角的方式进一步提高牙轮PDC复合片的抗冲击能力。由于切削齿抗冲击能力的提升,使PDC牙轮能够采用较快的转速进行钻进,有利于提升钻头的机械钻速。
PDC牙轮布齿数量主要根据牙轮锥面、用齿大小和密度决定,用齿规格可采用常规直径规格,如13.44mm、15.88mm、19.05mm等,亦可根据牙轮设计特殊尺寸。齿形优选采用球头齿和平面齿。
PDC钻头也是利用上述岩石力学特性,依靠PDC复合片中聚晶金刚石切削层对岩石进行剪切切削,以低钻压、高转速实现快速钻井。PDC复合片是PDC钻头实现快速钻进的保证,理性状态下,PDC复合片应始终贴合井底,以螺旋下降的路径实现钻进。但由于井底环境的复杂性,钻进路径极易发生改变,从而导致PDC复合片受力的瞬间变化。由于PDC复合片切削层脆性较大,上述受力变化往往导致崩齿、断齿等切削齿的严重失效。
由牙轮和PDC切削翼构成的复合钻头,其理想钻进状态为:牙轮通过自转滚动以冲击方式以及公转滑动以切削方式进行复合破岩,PDC切削翼则绕钻头轴线旋转,以切削方式对由牙轮滑动切削形成的钻孔进行快速扩孔。但实际应用过程中,PDC切削翼跟随牙轮纵向振动,增大了井底对PDC复合片的冲击作用,从而缩短PDC钻头的使用寿命。采用PDC牙轮代替原有牙轮结构组合而成的复合钻头,由于采用横向镶齿结构,因其单双齿交替接触产生的纵向振动得以有效控制,实现平稳钻进,以便与PDC钻头的钻进要求相匹配。
钻进过程中,牙轮和PDC钻头均会在地质、钻头参数设计、泥浆性能等因素的共同作用下,使岩屑紧贴钻头体而无法及时排出,从而形成泥包。本发明PDC牙轮切削齿的切削面作用角度仅为0°~90°,通过降低切削齿对岩石的切削强度以避免塑性岩石水分外溢,缓解岩屑与钻头体的贴合。同时,将PDC牙轮切削齿的切削面与PDC钻头切削齿切削面对向设置,通过PDC牙轮和PDC钻头的反向转动,促进该处局部岩屑和泥浆的流动,并在水眼的配合下,提高泥浆上返速度,以便对井底及钻头进行有效清洗,缓解泥包现象。
附图说明
图1示出了本发明所述及的PDC牙轮在实施例中的结构示意图。
图2示出了本发明所述及的复合钻头在实施例中的结构示意图。
图3示出了本发明所述及的复合钻头在实施例中的俯视结构示意图。
具体实施方式
PDC牙轮实施例1
如图1所示,一种PDC牙轮,其牙轮基体1包括主锥、副锥和背锥。主锥和副锥处均规则镶嵌有若干PDC复合片8,所述PDC复合片8为球面齿。
主锥处的所述PDC复合片8垂直投影位于副锥处相邻两所述PDC复合片8之间。
所述牙轮基体1旋转带动所述PDC复合片8钻进,主锥处的所述PDC复合片8和副锥处的所述PDC复合片8均通过单双齿交替接触井底的方式对井底进行破岩。
如图2所示,将所述牙轮基体1连接固定于牙掌2处,构成牙轮钻头结构。
PDC牙轮实施例2
与PDC牙轮实施例1的区别在所述PDC复合片8采用平面齿,切削层倒角R的取值范围为0.8~3。
PDC牙轮实施例3
与PDC牙轮实施例1的区别在于副锥的个数,副锥个数可为0、1、2、3。
PDC牙轮实施例4
与PDC牙轮实施例的区别在于所述PDC复合片8的直径尺寸,取值范围为8mm~26mm。
复合钻头实施例1
如图2和图3所示,一种复合钻头,钻头体30上布设有PDC刀组20,包括4个PDC切削翼,依次为第一主刀翼21、第一副刀翼22、第二主刀翼23和第二副刀翼24。所述第一主刀翼21和所述第二副刀翼24间,以及所述第一副刀翼22和所述第二主刀翼23间的所述钻头体30处分别通过所述牙掌2固设有两组上述PDC牙轮10。
所述PDC刀组20呈X形,所述钻头体30在接近X交点附近开设有一类水眼41,用于为所述PDC切削翼进行清洗和降温。
所述钻头体30在所述第一主刀翼21和所述PDC牙轮10间的区域,以及所述第二主刀翼23和所述PDC牙轮10间的区域处开设有二类水眼42,用于为所述第一主刀翼21、所述第二主刀翼23和所述PDC牙轮10进行清洗和降温。
钻进过程中,所述PDC刀组20随钻杆旋转,其冠部顶端中心PDC复合片对井眼中心位置进行破岩,而井眼外围部分则由所述PDC牙轮10和所述PDC刀组20冠部剩余部分共同完成。
复合钻头实施例2
与复合钻头实施例1区别在于包括3个PDC切削翼和3个上述PDC牙轮。
Claims (7)
1.一种PDC牙轮,其特征在于,牙轮的主锥和副锥表面交错、规则布设有若干横向镶嵌的PDC复合片。
2.根据权利要求1所述的PDC牙轮,其特征在于,所述PDC复合片的金刚石切削层倒角R为0.8~3。
3.一种复合钻头,其特征在于,钻头体上规则固设有若干PDC刀翼和若干权利要求1或2所述的PDC牙轮。
4.根据权利要求3所述的复合钻头,其特征在于,所述PDC牙轮设置于两PDC刀翼间。
5.根据权利要求3所述的复合钻头,其特征在于,所述PDC刀翼镶齿切削层与所述PDC牙轮镶齿切削层对向设置。
6.根据权利要求3所述的复合钻头,其特征在于,所述PDC刀翼切削旋转方向与所述PDC牙轮自转方向相反。
7.根据权利要求3所述的复合钻头,其特征在于,所述PDC刀翼间、以及所述PDC刀翼和所述PDC牙轮间的所述钻头体处均设有水眼。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180119 |
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