CN108222844A - 具有自旋掘进齿结构的复合切削pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
一种具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，至少包括钻头本体和被动自旋切削结构，钻头本体设有用于破岩工作的多个刀翼，在钻头刀翼上布置有多个PDC切削齿用于切割破碎地层岩石，所述钻头本体同时还设置有由外流道、喷嘴等所构成的水力结构，所述被动自旋切削结构包含切削元件、用于安装切削元件的自旋基体、用于装配自旋基体的固结于钻头本体上的支撑座以及防止自旋基体脱落的锁紧结构等；由此，本发明能对井底岩石起到预开槽、预破碎的作用，将岩石内部应力提前释放，使得钻头的PDC切削齿快速有效吃入、切除岩石，而且通过其自旋运动能有效缓冲钻头受到的冲击载荷，延长了钻头整体使用寿命，提高了钻头的机械钻速。
Description
技术领域
本发明涉及钻井勘探工具的技术领域，尤其涉及一种具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头。
背景技术
一般石油天然气钻井用的PDC钻头主要由钻头体、切削结构、水力结构等组成，钻头的水力结构一般包括按照一定方位和喷射角度布置的喷嘴和一定形状的流道，切削结构一般是由按照一定位置和工作角度布置的PDC切削齿构成。钻头在井底工作时，地层岩石在切削齿的压入-剪切作用下被破碎成岩屑，同时钻井液经由水力结构流出对井底以及切削齿进行清洗和冷却，并将岩屑带至环空。
通常情况下，PDC钻头在井底工作时很少会碰到均质、单一的岩层，由于地质形成条件的不同，总会遇到诸如砾石层、硬塑性地层等等不利于快速钻进的岩层。在PDC钻头被发明出来很长一段时间内，遇到上述这些地层时，为了防止PDC钻头的先期损坏，往往需要及时起钻更换牙轮钻头过渡，利用牙轮钻头将这些难打的地层钻穿后再重新下入PDC钻头。这极大的延长了钻井周期，增加了钻井成本。
后来随着PDC钻头设计技术和切削齿材料技术的飞速发展，这种情况得到了一定的改善。比如在预测会钻遇砾石层时采用抗冲击性更好的主切削齿；在切削结构上采用鼻部内收的设计降低鼻部和肩部切削齿的旋转线速度，同时在主切削齿后排设计有限制主切削齿吃入深度提高钻头整体抗冲击性的“防碰节”或者后排辅助切削齿；在钻井施工上采用“小钻压、低转速”的操作方式来减小钻头所受冲击。这些技术措施都在一定程度上能缓解PDC钻头在钻遇砾石层时受到的先期破坏。但是对于一只PDC钻头所需钻完的一整段地层来说，砾石层可能只是其中的极小一部分，如果所用的切削齿性能过于偏重于抗冲击性能，其耐磨性必然会有所降低，那么在钻至随后的研磨性较高的地层时，切削齿必然会快速磨损导致钻头不能完成进尺任务，另外“防碰节”和后排辅助切削齿的存在会导致钻头在较软地层中切削效率不高影响机械钻速。
在硬塑性地层中钻进时，圆片形的PDC切削齿往往不能有效吃入地层，普通PDC钻头在这种地层中钻进时往往出现“打滑”现象，在这种情况下切削齿与地层接触部分会产生局部高温造成PDC切削齿的金刚石复合层出现石墨化从而产生较为严重的热磨损。对于这种地层，除了采用牙轮钻头外过渡外，在PDC钻头结构上可以采用所谓“尖齿”的异形PDC切削齿，即将圆片形的PDC切削齿加工成一半保持圆形，另一半为三角形的尖圆结构，利用尖齿部分的地层接触面积小、接触应力大的特点将硬塑性地层刻画出一些较浅的沟槽使其应力预先释放起到预破碎的作用，然后圆片形的主切削齿可以充分吃入地层形成有效的体积破碎从而提高机械钻速。这种方法的缺点在于将圆片形的PDC复合片加工成“尖齿”后，其原来的PDC复合层与硬质合金基体结合界面的应力分布会发生变化，造成复合层容易破碎、剥落的问题，另外“尖齿”的抗冲击性较圆片形状齿差，在地层稍微发生变化时极其容易受冲击破坏。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其具有改进了现有技术缺点的结构特征，能够克服钻井所常遇到的砾石层、硬塑性地层中钻头易先期失效造成的效率低、机械钻速慢的问题。
为解决上述问题，本发明公开了一种具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，所述钻头的前端设有多个钻头刀翼，在各钻头刀翼上布置有用于切削地层岩石的多个PDC主切削齿，其特征在于：
所述钻头还设有至少一个自旋掘进齿结构，所述至少一个自旋掘进齿结构可设置于钻头刀翼之间或钻头刀翼上；
所述自旋掘进齿结构由自旋掘进齿切削元件、自旋基体、自旋掘进齿支撑座三部分组合而成，其中所述自旋掘进齿支撑座固结于钻头本体上，所述自旋基体可旋转的固定于自旋掘进齿支撑座上，所述自旋掘进齿切削元件装配于自旋基体。
其中：所述自旋掘进齿支撑座直接从钻头本体上机加工出来或者先加工成单独零件在再接到钻头本体上或直接烧结于钻头本体。
其中：所述自旋掘进齿支撑座包含位于上端的自旋掘进齿支撑座轴承孔，所述自旋基体为阶梯状，其下部为较小端，上部的较大端设有切削元件装配孔，所述自旋掘进齿切削元件通过钎焊或者过盈配合的方式装配在自旋基体上部的切削元件装配孔内，所述自旋基体下部的较小端装配进入自旋掘进齿支撑座轴承孔内。
其中：所述自旋掘进齿支撑座轴承孔内设有卡环槽，所述自旋基体为下部的较小端设有自旋基体轴颈卡簧槽，所述自旋基体轴颈卡簧槽和卡环槽相互对应并通过卡簧将自旋基体和自旋掘进齿支撑座进行相互定位和自由旋转。
其中：所述自旋掘进齿切削元件为顶部为锥形工作面的第一自旋掘进齿的切削元件、顶部为锥球形工作面的第二自旋掘进齿切削元件或顶部为球形工作面的自旋掘进齿切削元件，所述自旋掘进齿切削元件的材质是硬质合金、金刚石孕镶块或PDC复合齿。
其中：所述自旋掘进齿切削元件相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿的出刃高度的高度差为±10mm之间。
其中：自旋掘进齿切削元件的直径为8-20mm。
其中：所述自旋掘进齿结构具有自旋掘进齿的偏移角，该角度是指在自旋掘进齿结构的工作面偏向钻头旋转方向，其自旋掘进齿中心轴线与该自旋掘进齿切削元件所处位置的钻头切削包络面法线具有0-60°的夹角。
其中：所述自旋掘进齿结构具有自旋掘进齿的倾斜角，该角度是指自旋掘进齿中心轴线与钻头中心轴线具有朝向钻头外侧的0-90°的夹角。
通过上述结构可知，本发明的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头具有如下效果：
1、当井底出现砾石或其它较大体积的块状物时，自旋掘进齿可以将其掘出、推移井底，使其不与PDC主切削齿发生碰撞，从而保护了PDC主切削齿。
2、自旋掘进齿能够自由旋转，当其遭到较大冲击时能通过自身的旋转来吸收、化解冲击力，从而使钻头所受的冲击载荷降低，有效延长钻头使用寿命。
3、在硬塑形地层中钻进时自旋掘进齿能对地层起到碾压、开槽的作用，使地层应力局部释放对其起到预破碎的作用，然后PDC主切削齿可以充分吃入地层进行体积破碎。
4、在可钻性较好的均质地层中，自旋掘进齿能够对地层具有挖掘、破碎的作用，与PDC主切削齿同时进行有效切削，提高钻井效率。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1显示了本发明的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头的整体三维示意图。
图2显示了本发明实施例另一角度的整体三维示意图。
图3显示了本发明实施例的俯视图。
图4显示了本发明实施例的自旋掘进齿结构的整体示意图。
图5显示了本发明实施例的自旋掘进齿支撑座的结构示意图。
图6显示了本发明实施例的自旋基体的结构示意图。
图7显示了本发明实施例的自旋掘进齿切削元件的几种外形示意图。
图8显示了本发明实施例的自旋掘进齿的切削元件与钻头PDC主切削齿的出刃高度差(高于PDC主切削齿)的示意图。
图9显示了本发明实施例的自旋掘进齿的切削元件与钻头PDC主切削齿的出刃高度差(低于PDC主切削齿)的示意图。
附图标记：
1钻头刀翼，2PDC主切削齿，3喷嘴，4外流道，5自旋掘进齿切削元件，6自旋基体，7自旋掘进齿支撑座，8自旋掘进齿支撑座轴承孔，9卡环槽，10切削元件装配孔，11自旋基体轴颈卡簧槽，12卡簧，13自旋掘进齿中心轴线，14钻头旋转方向，5a第一自旋掘进齿切削元件，5b第二自旋掘进齿切削元件，5c第三自旋掘进齿切削元件，α自旋掘进齿的偏移角，β自旋掘进齿的倾斜角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，显示了本发明描述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头的其中一实施例的整体示意图。
其中，所述钻头的前端设有多个钻头刀翼1，钻头刀翼之间设有外流道4，在各钻头刀翼1上布置有用于切削地层岩石的多个PDC主切削齿2，所述钻头还可设置有多个位于两两钻头刀翼1之间的喷嘴3，从而钻井液能通过喷嘴3喷射出来从外流道4流入环空，将钻头工作产生的热量和岩屑带走。
所述钻头还设有至少一个自旋掘进齿结构，其中，可在两两钻头刀翼1之间布置有至少一个自旋掘进齿结构，且所述自旋掘进齿结构也可设置于钻头刀翼1上。
如图4所示，所述自旋掘进齿结构可由自旋掘进齿切削元件5、自旋基体6、自旋掘进齿支撑座7三部分组合而成，其中所述自旋掘进齿支撑座7固结于钻头本体上，所述自旋基体6可旋转的固定于自旋掘进齿支撑座7上，所述自旋掘进齿切削元件5装配于自旋基体6。
其中，如钻头为钢体钻头，则所述自旋掘进齿支撑座7可以直接机加工出来或者先加工成单独零件然后焊接到本体上，如钻头为胎体钻头，则自旋掘进齿支撑座7可直接烧结于钻头本体。
其中，参见图5和图6所示，所述自旋掘进齿支撑座7包含位于上端的自旋掘进齿支撑座轴承孔8，所述自旋掘进齿支撑座轴承孔8内设有卡环槽9，所述自旋基体6为阶梯状，其下部的较小端设有自旋基体轴颈卡簧槽11，上部的较大端设有切削元件装配孔10，所述自旋掘进齿切削元件5通过钎焊或者过盈配合的方式装配在自旋基体6上部的切削元件装配孔10内，所述自旋基体6下部的较小端装配进入自旋掘进齿支撑座轴承孔8内，且所述自旋基体轴颈卡簧槽11和卡环槽9相互对应并通过卡簧12将自旋基体6和自旋掘进齿支撑座7进行相互定位，通过调整卡簧12和自旋基体轴颈卡簧槽11的间隙来实现自旋掘进齿结构中的自由旋转。
参见图7，所述自旋掘进齿切削元件5可为顶部为锥形工作面的第一自旋掘进齿的切削元件5a、顶部为锥球形工作面的第二自旋掘进齿切削元件5b或顶部为球形工作面的自旋掘进齿切削元件5c等外形的齿，所述自旋掘进齿切削元件5的材质可以是硬质合金、金刚石孕镶块、PDC复合齿等。
如图8所示，自旋掘进齿切削元件相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿2的出刃高度最大高于10mm；如图9所示，自旋掘进齿的切削元件相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿2的出刃高度最小低于10mm。图8和图9显示了自旋掘进齿切削元件相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿2的出刃高度的高度差为±10mm之间。
其中，在一个实施例中，所述自旋掘进齿切削元件的顶部设有与地层岩石接触的工作部，所述工作部可由热稳定聚晶金刚石、硬质合金或金刚石孕镶块等超硬材料制成，其形状为圆锥形或者顶部为球冠的锥球形或者部分球形，所述自旋掘进齿切削元件装配于自旋基体内的本体部分为圆柱形，其本体部分的轴线与自旋基体的中心轴线平行或者重合。
可选的是，自旋掘进齿切削元件的直径为8-20mm。
所述钻头的自旋掘进齿结构具有两个工作角度，一是如图1和图3所示的自旋掘进齿的偏移角α，该角度是指在其工作面偏向钻头旋转方向14，其自旋掘进齿中心轴线13与该自旋掘进齿切削元件所处位置的钻头切削包络面法线具有0-60°的夹角；二是图2和图8所示的自旋掘进齿的倾斜角β，该角度是指自旋掘进齿中心轴线13与钻头中心轴线具有朝向钻头外侧的0-90°的夹角。
其中，所述钻头本体同时还设置有由内流道、外流道等所构成的水力结构，所述水力结构连通至所述喷嘴3，以将钻头工作产生的岩屑由水力结构利用钻井液运离井底，同时对钻头进行清洗冷却。
由此，所述自旋基体6和自旋掘进齿支撑座7之间通过轴-轴承的方式连接并且内部设置有锁紧结构防止自旋基体脱落，自旋基体能够相对于支撑座自由旋转。
由此，通过上述高度和角度的设置，以及本发明中自旋掘进齿的本身结构，能实现本发明的如下技术效果：
1、当井底出现砾石或其它较大体积的块状物时，自旋掘进齿可以将其掘出、推移井底，使其不与PDC主切削齿发生碰撞，从而保护了PDC主切削齿。
2、自旋掘进齿能够自由旋转，当其遭到较大冲击时能通过自身的旋转来吸收、化解冲击力，从而使钻头所受的冲击载荷降低，有效延长钻头使用寿命。
3、在硬塑形地层中钻进时自旋掘进齿能对地层起到碾压、开槽的作用，使地层应力局部释放对其起到预破碎的作用，然后PDC主切削齿可以充分吃入地层进行体积破碎。
4、在可钻性较好的均质地层中，自旋掘进齿能够对地层具有挖掘、破碎的作用，与PDC主切削齿同时进行有效切削，提高钻井效率。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。
Claims (9)
1.一种具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，所述钻头的前端设有多个钻头刀翼，在各钻头刀翼上布置有用于切削地层岩石的多个PDC主切削齿，其特征在于：
所述钻头还设有至少一个自旋掘进齿结构，所述至少一个自旋掘进齿结构可设置于钻头刀翼之间或钻头刀翼上；
所述自旋掘进齿结构由自旋掘进齿切削元件、自旋基体、自旋掘进齿支撑座三部分组合而成，其中所述自旋掘进齿支撑座固结于钻头本体上，所述自旋基体可旋转的固定于自旋掘进齿支撑座上，所述自旋掘进齿切削元件装配于自旋基体。
2.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿支撑座直接从钻头本体上机加工出来或者先加工成单独零件在再接到钻头本体上或直接烧结于钻头本体。
3.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿支撑座包含位于上端的自旋掘进齿支撑座轴承孔，所述自旋基体为阶梯状，其下部为较小端，上部的较大端设有切削元件装配孔，所述自旋掘进齿切削元件通过钎焊或者过盈配合的方式装配在自旋基体上部的切削元件装配孔内，所述自旋基体下部的较小端装配进入自旋掘进齿支撑座轴承孔内。
4.如权利要求3所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿支撑座轴承孔内设有卡环槽，所述自旋基体为下部的较小端设有自旋基体轴颈卡簧槽，所述自旋基体轴颈卡簧槽和卡环槽相互对应并通过卡簧将自旋基体和自旋掘进齿支撑座进行相互定位和自由旋转。
5.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿切削元件为顶部为锥形工作面的第一自旋掘进齿的切削元件、顶部为锥球形工作面的第二自旋掘进齿切削元件或顶部为球形工作面的自旋掘进齿切削元件，所述自旋掘进齿切削元件的材质是硬质合金、金刚石孕镶块或PDC复合齿。
6.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿切削元件相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿相对于钻头刀翼上的PDC主切削齿的出刃高度的高度差为±10mm之间。
7.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：自旋掘进齿切削元件的直径为8-20mm。
8.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿结构具有自旋掘进齿的偏移角，该角度是指在自旋掘进齿结构的工作面偏向钻头旋转方向，其自旋掘进齿中心轴线与该自旋掘进齿切削元件所处位置的钻头切削包络面法线具有0-60°的夹角。
9.如权利要求1所述的具有自旋掘进齿结构的复合切削PDC钻头，其特征在于：所述自旋掘进齿结构具有自旋掘进齿的倾斜角，该角度是指自旋掘进齿中心轴线与钻头中心轴线具有朝向钻头外侧的0-90°的夹角。
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