CN108019153A - 一种适合中浅层定向井钻进的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，包括钻头体以及设置在钻头体上的刀翼、切削齿和水眼，刀翼设置在钻头体冠部，每个刀翼均有保径区，部分刀翼有切削区，刀翼位于钻头体上端面所在平面以上的部分为切削区，平面以下的部分为保径区，切削区数量少于刀翼数量，保径区数量等于刀翼数量。本发明的适合软地层定向钻进的PDC钻头，采用切削区和保径区分离式结构设计，可以根据地层特点和定向钻进需要，单独调整切削区和保径区的数量，可极大的提高PDC钻头在中浅层定向井钻进的能力。

Description

一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探用钻头领域，具体是一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头。

背景技术

随着钻井技术的不断发展，中浅层定向井钻井技术日趋成熟，通常采用直井段-增斜段-稳斜段的三段制轨道设计模式。直井段钻进通常采用复合钻进；定向段钻进则采用滑动钻进和复合钻进相结合的方式来实现井眼轨迹的控制，其中滑动钻进主要用于定向造斜段的轨迹控制，确保实钻轨迹达到设计要求的井斜和方位，复合钻进主要用于优化增斜段井眼轨迹以及稳斜段轨迹控制，确保实钻轨迹能够按设计轨道延伸并中靶。而传统PDC钻头并不能同时满足在直井段快速钻进以及在定向段具有较高的机械钻速和较强的定向性能。

在中浅层定向井钻进过中，传统PDC钻头设计和选用存在以下矛盾，即钻头钻进能力和定向能力的矛盾。一方面为了保证直井段获得较高的机械钻速，传统PDC钻头往往采取增大切削齿直径、减少刀翼数量的方式。而对于定向段，较大的切削齿直径使得钻头吃入地层的深度更加难以控制，造成扭矩波动进一步增大；较少的刀翼数量意味着保径数量的减少，使得钻头侧向切削能力减弱，造成钻头在定向施工时的稳定性差，工具面不稳，影响定向效果，增加轨迹控制的难度。另一方面为了保证PDC钻头的定向性能，现场往往选用刀翼数量较多的PDC钻头，以获得较好的工具面，保证造斜率；但在中浅层定向井钻进过程中，较多的刀翼往往降低了钻头的攻击性，影响钻井效率。

长期以来，国内外学者为解决上述矛盾进行了积极的探索，提出了多种改进方法。例如优化冠部轮廓；优化布齿设计；优化保径长度；采用高度抛光切削齿等方面提高钻头钻进能力和定向能力。

这些方法对PDC钻头技术的发展起到了积极推动作用，也一定程度上缓解了上述矛盾，但都不能从根本上解决浅井、定向井PDC钻头钻进能力和定向能力的矛盾问题。因此，突破传统思维方式和定式，从新的角度对钻头各项结构和参数进行研究，研制出一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头是钻头技术发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，包括钻头本体以及设置在钻头体上的刀翼、切削齿和水眼，刀翼设置在钻头体冠部，每个刀翼均有保径区，部分刀翼有切削区，刀翼位于钻头体上端面所在平面以上的部分为切削区，平面以下的部分为保径区，切削区数量少于刀翼数量，保径区数量等于刀翼数量，刀翼与钻头本体采用焊接加工而成，水眼与钻头本体采用螺纹装配而成。

作为本发明进一步的方案：所述切削区设置有前后两排PDC切削齿，所述切削区前后两排PDC切削齿呈同心圆分布，所述切削区前排齿端部朝向钻头旋转方向，切削区后排齿端面朝上，所述切削区前排齿在钻头旋转面上的高度高于切削区后排齿端面高度，前排PDC切削齿起切削岩石作用，后排PDC切削齿低于前排切削齿，当钻压处于合理范围内时，不参与切削岩石，没有增加切削区的布齿密度，没有降低单齿的轴向受力，保证了机械钻速，后排PDC切削齿端面朝上，当钻压过大时，切削齿与地层呈面接触，可以有效分解前排齿的轴向受力，维持扭矩稳定，同时避免前排PDC切削齿的过载损坏。

作为本发明进一步的方案：所述保径区采用主动保径和被动保径相结合的方式，所述主动保径采用全圆柱PDC切削齿，主动保径和被动保径相结合的保径方式，有利于提高钻头工作的稳定性，主动保径采用全圆柱PDC切削齿，可以提高钻头的侧向切削能力，进一步提高钻头的定向能力。

作为本发明进一步的方案：所述切削区前排PDC切削齿直径为19mm，所述切削区后排PDC切削齿直径为16mm。

作为本发明进一步的方案：述主动保径全圆柱PDC切削齿直径为16mm、13mm。

作为本发明进一步的方案：所述被动保径PDC切削齿直径为16mm。

作为本发明进一步的方案：所述部分含有切削区的刀翼在钻头体上呈近似均布的散开式分布。

作为本发明进一步的方案：所述水眼分别位于含有切削区的刀翼前方，起到冷却、携岩，辅助破岩的作用。

作为本发明进一步的方案：所述每个刀翼末端均设有倒划眼齿，所述倒划眼齿与PDC切削齿结构相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用切削区和保径区分离式结构设计，首次提出按功能分离进行钻头设计的理论，可以根据地层特点和定向钻进需要，单独调整切削区和保径区的数量，例如当地层较软，轨道设计造斜率较高， PDC钻头钻进能力能够满足要求，而定向能力不够时，可维持切削区数量不变，增加保径区数量，一方面可保证机械钻速不变，另一方面可提高钻头的定向能力；

中浅层定向井往往地层可钻性较好，采用三个切削区的设计思路与地层特性相符，有利于保证钻头在直井段和定向段的攻击性；在定向段钻进过程中采用六个保径区的设计，增大了钻头与井壁的接触，大大提升了钻头的稳定性，利于造斜；

同时本发明采用一种新型的加工思路，即钻头本体和刀翼分别加工，焊接组合而成。该方法可提升钻头加工效率，降低生产成本，最重要的是提高现场响应速度；

伴随着上述其他结构参数的优选，可极大的提高PDC钻头在中浅层定向井钻进的能力，提高钻井速度和钻井时效，缩短钻井时间，从而提升钻井整体的综合效益。

附图说明

图1为一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头的主视图。

图2为一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头的俯视图。

图3为一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头的立体结构示意图。

图中：1-钻头体，2-刀翼，21-切削区，22-保径区，3-PDC切削齿，31-前排PDC切削齿，32-前排PDC切削齿，4-喷嘴，5-主动保径，6-被动保径，7-倒划眼齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～3，本发明实施例中，一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，包括钻头体1以及设置在钻头体1上的刀翼2、切削齿3和水眼4，所述刀翼2设置在钻头体1冠部，所述刀翼2每个刀翼2均有保径区22，所述刀翼2部分刀翼2有切削区21，所述刀翼2位于钻头体1上端面所在平面以上的部分为切削区21，则平面以下的部分为保径区22，所述切削区21数量少于刀翼2数量，所述保径区22数量等于刀翼2数量；

切削区21设置有前后两排PDC切削齿3，切削区21前后两排PDC切削齿3呈同心圆分布，切削区21前排齿31端部朝向钻头旋转方向，后排齿32端面朝上，且前排齿31在钻头旋转面上的高度高于后排齿32端面高度；

保径区22采用主动保径5和被动保径6相结合的方式，其中主动保径5采用全圆柱PDC切削齿3；

切削区21前排PDC切削齿31直径为19mm，后排PDC切削齿32直径为16mm，主动保径5全圆柱PDC切削齿3直径为16mm、13mm，被动保径6 PDC切削齿3直径为16mm；

含有切削区21的刀翼2在钻头体1上呈近似均布的散开式分布；

水眼4分别位于含有切削区21的刀翼2前方；

所述每个刀翼2末端均设有倒划眼齿7，所述倒划眼齿7与PDC切削齿3结构相同。

本发明的工作原理是：实施例用切削区和保径区分离式结构设计，可以根据地层特点和定向钻进需要，单独调整切削区和保径区的数量，例如当地层较软，轨道设计造斜率较高， PDC钻头钻进能力能够满足要求，而定向能力不够时，可维持切削区数量不变，增加保径区数量，一方面可保证机械钻速不变，另一方面可提高钻头的定向能力，同时伴随着上述其他结构参数的优选，可极大的提高PDC钻头在中浅层定向井钻井的适用能力，提高钻井速度和钻井时效，缩短钻井时间，从而提升钻井整体的综合效益。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，包括钻头体（1）以及设置在钻头体（1）上的刀翼（2）、切削齿（3）和水眼（4），其特征在于，所述刀翼（2）设置在钻头体（1）冠部，所述刀翼（2）每个刀翼（2）均有保径区（22），所述刀翼（2）部分刀翼（2）有切削区（21），所述切削区（21）设置有前后两排PDC切削齿（3），前后两排PDC切削齿（3）呈同心圆分布，前排齿（31）端部朝向钻头旋转方向，后排齿（32）端面朝上，前排齿（31）在钻头旋转面上的高度高于后排齿（32）端面高度，所述刀翼（2）位于钻头体（1）上端面所在平面以上的部分为切削区（21），则平面以下的部分为保径区（22），所述切削区（21）数量少于刀翼（2）数量，所述保径区（22）数量等于刀翼（2）数量，水眼（4）分别位于含有切削区的刀翼前方，每个刀翼（2）末端均设有倒划眼齿（7），所述倒划眼齿（7）与PDC切削齿（3）结构相同。

2.根据权利要求1所述的一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，其特征在于，钻头本体（1）和刀翼（2）分别加工，焊接组合而成。

3.根据权利要求1所述的一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，其特征在于，所述保径区（22）采用主动保径（4）和被动保径（5）相结合的方式，所述主动保径（5）采用全圆柱PDC切削齿（3）。

4.根据权利要求1所述的一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，其特征在于，所述切削区（21）前排PDC切削齿（31）直径为19mm，后排PDC切削齿（32）直径为16mm。

5.根据权利要求1所述的一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，其特征在于，所述主动保径（5）全圆柱PDC切削齿（3）直径为16mm、13mm，被动保径（6）PDC切削齿（3）直径为16mm。

6.根据权利要求1所述的一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，其特征在于，所述部分含有切削区（21）的刀翼（2）在钻头体（1）上呈近似均布的散开式分布。