CN108952582A - 适用于双摆提速钻具的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及PDC钻头技术领域，是一种适用于双摆提速钻具的PDC钻头，包括钻头本体、切削刀翼、主切削齿、倒划眼齿、边齿、保径齿和破岩尖齿，钻头本体上沿圆周间隔分布有切削刀翼，各个切削刀翼的保径部外侧面上均分布有保径齿，各个切削刀翼的鼻部外侧面上均分布有破岩尖齿，破岩尖齿的齿顶高于主切削齿的齿顶。本发明通过设置破岩尖齿能使其在钻进时对地层进行预破碎，释放地层应力，由此可提高主切削齿的破岩效率，并对主切削齿形成保护，减少磨损；其适用于双摆提速钻具，使两者的组合钻进能提高整体的钻速，在直井段都能保持稳定，使井眼质量好且不易卡钻，还能够增强钻具对钻头涡动的抑制效果，实现钻具辅助提速的目的。

Description

适用于双摆提速钻具的PDC钻头

技术领域

本发明涉及PDC钻头技术领域，是一种适用于双摆提速钻具的PDC钻头。

背景技术

在现有的钻井作业中，钻头受力越均匀,钻头在井底运动就越平稳；当钻头受力不均匀时,在井底运动就是不规则的,这样就会引起钻头的涡动。经过多年PDC钻头使用反馈信息表明,PDC钻头的涡动严重破坏切削齿,使其不能正常发挥切削效率,对钻头使用效能影响很大。只有防止钻头涡动,才能有效地减少复合片切削齿的崩碎、崩裂等现象,进而有利于提高钻头进尺和使用寿命。

在PDC 钻头钻进时，PDC钻头由于不均衡动态力作用,旋转中心偏移了几何中心,从而形成了涡动。双摆提速钻具以钻井泥浆为动力，引用了陀螺的进动性原理，利用陀螺具有自稳性的特点，对PDC钻头涡动进行抑制，提高PDC钻头钻进效率。

然而，常规PDC钻头配合双摆提速钻具钻进时，由于钻进速度过快会加速钻头切削齿的磨损，缩短使用寿命，还会增加钻井作业中的提钻风险，使得常规PDC钻头再与双摆提速钻具组合使用时往往会需要抑制转速，存在机械钻速慢，钻具对钻头涡动抑制效果差，难以达到辅助提速目的的问题。

发明内容

本发明提供了一种适用于双摆提速钻具的PDC钻头，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有PDC钻头配合双摆提速钻具存在的机械钻速慢，钻具对钻头涡动抑制效果差，难以达到辅助提速目的的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种适用于双摆提速钻具的PDC钻头，包括钻头本体、切削刀翼、主切削齿、倒划眼齿、边齿、保径齿和破岩尖齿，钻头本体上沿圆周间隔分布有切削刀翼，各个切削刀翼沿冠部轮廓由内向外依次划分为内锥段、鼻部、肩部、外锥段和保径部，各个切削刀翼上均沿内锥段、鼻部、肩部和外锥段依次分布有主切削齿，各个切削刀翼的保径部的底部均设有倒划眼齿，对应倒划眼齿上方位置的各个切削刀翼的保径部上均排列有边齿，主切削齿、倒划眼齿和边齿的均位于各个切削刀翼的切削侧边，各个切削刀翼的保径部外侧面上均分布有保径齿，各个切削刀翼的鼻部外侧面上均分布有破岩尖齿，破岩尖齿的齿顶高于主切削齿的齿顶。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述切削刀翼可包括主刀翼和副刀翼，钻头本体上沿圆周间隔分布有至少两个副刀翼，每两个副刀翼之间均设有至少一个主刀翼，对应每两个切削刀翼位置的钻头本体上均分布有定向喷嘴，主刀翼上包括内锥段、鼻部、肩部、外锥段和保径部，副刀翼上包括鼻部、肩部、外锥段和保径部，将主刀翼在内锥段处的主切削齿称为第一范围切削齿，对应每两个主刀翼内锥段之间位置的钻头本体上均分布有垂直射流喷嘴，垂直射流喷嘴的喷流区域能覆盖所有第一范围切削齿。

上述所有的主切削齿均可为复合片式切削齿，将主刀翼在鼻部、肩部、外锥段的主切削齿称为第二范围切削齿，将副刀翼上所有的主切削齿称为第三范围切削齿，第一范围切削齿的后仰角为5°到6°之间，第二范围切削齿、第三范围切削齿和所有保径齿的后仰角均为9°到10°之间，第二范围切削齿、第三范围切削齿和所有保径齿的侧倾角为5°到10°之间。

上述主刀翼的数量可为三个，每个主刀翼的鼻部外侧面上均由内至外依次分布有三个破岩尖齿，副刀翼的数量为两个，垂直射流喷嘴的数量为三个，定向喷嘴的数量为五个。

上述破岩尖齿的齿顶与主切削齿的齿顶之间的间距可为0.3mm到2mm之间。

上述破岩尖齿可包括圆柱段和锥柱段，锥柱段的底端与圆柱段的顶端连接在一起且两者的连接处呈平滑过渡状，锥柱段为母线呈弧形的锥形回转体，锥柱段的尖部外侧设有复合层。

本发明结构合理，其通过设置破岩尖齿能使其在钻进时对地层进行预破碎，释放地层应力，由此可提高主切削齿的破岩效率，并对主切削齿形成保护，减少磨损，且在钻进过程中，破岩尖齿还能分担部分冲击载荷，减轻地层对主切削齿的冲击载荷，减少主切削齿崩齿，另外，由于破岩尖齿能对地层产生了预破碎，使主切削齿在切削时能减小地层对切削齿的反作用力并减小反扭矩，可提高本发明钻进时的平稳性，减缓其钻进过程中的磨损失效，提高本发明的使用寿命，从而能使其适用于双摆提速钻具，使两者的组合钻进能提高整体的钻速，在直井段都能保持稳定，使井眼质量好且不易卡钻，还能够增强钻具对钻头涡动的抑制效果，实现钻具辅助提速的目的。

附图说明

附图1为本发明最佳实施例的主视剖视结构示意图。

附图2为附图1的立体结构示意图。

附图3为附图1的俯视结构示意图。

附图4为附图1中切削刀翼沿冠部轮廓的分布示意图。

附图5为附图1中破岩尖齿的主视剖视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为钻头本体，2为主切削齿，3为倒划眼齿，4为边齿，5为保径齿，6为主刀翼，7为副刀翼，8为定向喷嘴，9为垂直射流喷嘴，10为圆柱段，11为锥柱段。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1、2、3、4所示，该适用于双摆提速钻具的PDC钻头包括钻头本体1、切削刀翼、主切削齿2、倒划眼齿3、边齿4、保径齿5和破岩尖齿，钻头本体1上沿圆周间隔分布有切削刀翼，各个切削刀翼沿冠部轮廓由内向外依次划分为内锥段、鼻部、肩部、外锥段和保径部，各个切削刀翼上均沿内锥段、鼻部、肩部和外锥段依次分布有主切削齿2，各个切削刀翼的保径部的底部均设有倒划眼齿3，对应倒划眼齿3上方位置的各个切削刀翼的保径部上均排列有边齿4，主切削齿2、倒划眼齿3和边齿4的均位于各个切削刀翼的切削侧边，各个切削刀翼的保径部外侧面上均分布有保径齿5，各个切削刀翼的鼻部外侧面上均分布有破岩尖齿，破岩尖齿的齿顶高于主切削齿2的齿顶。使用时，可将本发明与双摆提速钻具组合用于钻井作业，在钻井作业过程中，由于破岩尖齿的齿顶高于主切削齿2的齿顶，即主切削齿2的最高点高于破岩尖齿的最高点，因此，破岩尖齿将会优先吃入地层，对地层进行预破碎，释放地层应力，由此可提高主切削齿2的破岩效率，并对主切削齿2形成保护，减少在钻井作业过程中的磨损，提高本发明的使用寿命；本发明结构合理，其通过设置破岩尖齿能使其在钻进时对地层进行预破碎，释放地层应力，由此可提高主切削齿2的破岩效率，并对主切削齿2形成保护，减少磨损，且在钻进过程中，破岩尖齿还能分担部分冲击载荷，减轻地层对主切削齿2的冲击载荷，减少主切削齿2崩齿，另外，由于破岩尖齿能对地层产生了预破碎，使主切削齿2在切削时能减小地层对切削齿的反作用力并减小反扭矩，可提高本发明钻进时的平稳性，减缓其钻进过程中的磨损失效，提高本发明的使用寿命，从而能使其适用于双摆提速钻具，使两者的组合钻进能提高整体的钻速，在直井段都能保持稳定，使井眼质量好且不易卡钻，还能够增强钻具对钻头涡动的抑制效果，实现钻具辅助提速的目的。根据需求，保径齿5和边齿4均可为加强齿（加长、加密），由此可防止高转速和高钻速下本发明的保径磨损而造成井眼减小，还有助于钻头钻进时的稳定和保持井眼尺寸；破岩尖齿与对应位置的主切削齿2可呈错位分布，由此可增大本发明与地层的接触面积，提高切削效率。

可根据实际需要，对上述适用于双摆提速钻具的PDC钻头作进一步优化或/和改进：

如附图1、2、3、4所示，切削刀翼包括主刀翼6和副刀翼7，钻头本体1上沿圆周间隔分布有至少两个副刀翼7，每两个副刀翼7之间均设有至少一个主刀翼6，对应每两个切削刀翼位置的钻头本体1上均分布有定向喷嘴8，主刀翼6上包括内锥段、鼻部、肩部、外锥段和保径部，副刀翼7上包括鼻部、肩部、外锥段和保径部，将主刀翼6在内锥段处的主切削齿2称为第一范围切削齿，对应每两个主刀翼6内锥段之间位置的钻头本体1上均分布有垂直射流喷嘴9，垂直射流喷嘴9的喷流区域能覆盖所有第一范围切削齿。由于本发明与双摆提速钻具在组合作业时会采用高转速，加速本发明钻进过程中的热量产生，通过设置垂直射流喷嘴9可对所有的第一范围切削齿以及主刀翼6的内锥段起到良好的冷却效果，进一步减少其在工作过程中的磨损，延长其使用寿命，从而使本发明更适合与双摆提速钻具的组合使用；另外，定向喷嘴8的设置可起到清洗岩屑和防止本发明泥包的作用。

如附图1、2、3、4所示，所有的主切削齿2均为复合片式切削齿，将主刀翼6在鼻部、肩部、外锥段的主切削齿2称为第二范围切削齿，将副刀翼7上所有的主切削齿2称为第三范围切削齿，第一范围切削齿的后仰角为5°到6°之间，第二范围切削齿、第三范围切削齿和所有保径齿5的后仰角均为9°到10°之间，第二范围切削齿、第三范围切削齿和所有保径齿5的侧倾角为5°到10°之间。由于双摆提速钻具的根本是保证钻头以切削地层的方式工作，通过对各个主切削齿2角度的设定，可使本发明在双摆提速钻具的配合下对高塑性地层（橡皮地层）有很好的克制能力，并保持良好的强度。

如附图1、2、3、4所示，主刀翼6的数量为三个，每个主刀翼6的鼻部外侧面上均由内至外依次分布有三个破岩尖齿，副刀翼7的数量为两个，垂直射流喷嘴9的数量为三个，定向喷嘴8的数量为五个。由此可使本发明呈五刀翼分布，保证本发明在钻进过程中受力均匀，同时也增加了布齿的密度，可提高主切削齿2的切削效率，满足与双摆提速钻具组合使用时的通用钻井需求。

如附图1、2、3、4所示，破岩尖齿的齿顶与主切削齿2的齿顶之间的间距为0.3mm到2mm之间。由此可使其能满足破岩尖齿的破岩深度，对主切削齿2起到良好的保护作用。

如附图5所示，破岩尖齿包括圆柱段10和锥柱段11，锥柱段11的底端与圆柱段10的顶端连接在一起且两者的连接处呈平滑过渡状，锥柱段11为母线呈弧形的锥形回转体，锥柱段11的尖部外侧设有复合层12。由此可减少破岩尖齿的应力集中，延长其使用寿命，复合层12的设计可使其进一步满足双摆提速钻具的钻进作业需求，减少岩石等对破岩尖齿的磨损，且有助于降低岩石与破岩尖齿摩擦导致齿头、齿尖温度过高而造成的高温下易磨损的问题，从而可提高破岩尖齿的耐磨性，同时还可减缓本发明的磨损，进一步延长其使用寿命。根据需求，复合层12可为金刚石复合层；圆柱段10的下端外侧可设有倒角，由此可使其便于镶嵌在钻头本体1上。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。

Claims (9)

1.一种适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于包括钻头本体、切削刀翼、主切削齿、倒划眼齿、边齿、保径齿和破岩尖齿，钻头本体上沿圆周间隔分布有切削刀翼，各个切削刀翼沿冠部轮廓由内向外依次划分为内锥段、鼻部、肩部、外锥段和保径部，各个切削刀翼上均沿内锥段、鼻部、肩部和外锥段依次分布有主切削齿，各个切削刀翼的保径部的底部均设有倒划眼齿，对应倒划眼齿上方位置的各个切削刀翼的保径部上均排列有边齿，主切削齿、倒划眼齿和边齿的均位于各个切削刀翼的切削侧边，各个切削刀翼的保径部外侧面上均分布有保径齿，各个切削刀翼的鼻部外侧面上均分布有破岩尖齿，破岩尖齿的齿顶高于主切削齿的齿顶。

2.根据权利要求1所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于切削刀翼包括主刀翼和副刀翼，钻头本体上沿圆周间隔分布有至少两个副刀翼，每两个副刀翼之间均设有至少一个主刀翼，对应每两个切削刀翼位置的钻头本体上均分布有定向喷嘴，主刀翼上包括内锥段、鼻部、肩部、外锥段和保径部，副刀翼上包括鼻部、肩部、外锥段和保径部，将主刀翼在内锥段处的主切削齿称为第一范围切削齿，对应每两个主刀翼内锥段之间位置的钻头本体上均分布有垂直射流喷嘴，垂直射流喷嘴的喷流区域能覆盖所有第一范围切削齿。

3.根据权利要求2所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于所有的主切削齿均为复合片式切削齿，将主刀翼在鼻部、肩部、外锥段的主切削齿称为第二范围切削齿，将副刀翼上所有的主切削齿称为第三范围切削齿，第一范围切削齿的后仰角为5°到6°之间，第二范围切削齿、第三范围切削齿和所有保径齿的后仰角均为9°到10°之间，第二范围切削齿、第三范围切削齿和所有保径齿的侧倾角为5°到10°之间。

4.根据权利要求2或3所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于主刀翼的数量为三个，每个主刀翼的鼻部外侧面上均由内至外依次分布有三个破岩尖齿，副刀翼的数量为两个，垂直射流喷嘴的数量为三个，定向喷嘴的数量为五个。

5.根据权利要求1或2或3所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于破岩尖齿的齿顶与主切削齿的齿顶之间的间距为0.3mm到2mm之间。

6.根据权利要求4所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于破岩尖齿的齿顶与主切削齿的齿顶之间的间距为0.3mm到2mm之间。

7.根据权利要求1或2或3或6所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于破岩尖齿包括圆柱段和锥柱段，锥柱段的底端与圆柱段的顶端连接在一起且两者的连接处呈平滑过渡状，锥柱段为母线呈弧形的锥形回转体，锥柱段的尖部外侧设有复合层。

8.根据权利要求4所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于破岩尖齿包括圆柱段和锥柱段，锥柱段的底端与圆柱段的顶端连接在一起且两者的连接处呈平滑过渡状，锥柱段为母线呈弧形的锥形回转体，锥柱段的尖部外侧设有复合层。

9.根据权利要求5所述的适用于双摆提速钻具的PDC钻头，其特征在于破岩尖齿包括圆柱段和锥柱段，锥柱段的底端与圆柱段的顶端连接在一起且两者的连接处呈平滑过渡状，锥柱段为母线呈弧形的锥形回转体，锥柱段的尖部外侧设有复合层。