CN109057715A - 一种切削硬质地层的复合pdc提速钻头 - Google Patents

一种切削硬质地层的复合pdc提速钻头 Download PDF

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王国荣
毛良杰
朱海燕
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Abstract

本发明公开了一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，它包括钻头体（1）、牙轮（2）和喷嘴防堵机构，钻头体（1）内开设有流体腔体（3），钻头体（1）的底部设置有冠部（4），冠部（4）的底表面上且位于其中心处固设有锥形钻头（5），冠部（4）的底表面上开设有多个绕锥形钻头（5）分布的喷嘴（6），每个喷嘴（6）均与流体腔体（3）连通，所述冠部（4）的底表面上且沿钻头体（1）的圆周方向固设有多个主刀翼（7），相邻两个主刀翼（7）之间固设有副刀翼（8）。本发明的有益效果是：结构紧凑、提高破岩效率、延长PDC切削齿使用寿命、避免喷嘴被岩石或碎屑堵住、制造成本低。

Description

一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头
技术领域
本发明涉及PDC提速钻头结构的技术领域，特别是一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头。
背景技术
PDC钻头及金刚石钻头在石油及地质钻井中应用越来越广泛，在硬地层中能取得好的使用效果和良好的经济效益，受到石油界和地质界的广泛重视。常规PDC钻头和金刚石钻头的设计以平衡设计为原则，以深锥和双锥等冠部形状作为被动防斜技术，应用到设计之中，起到一定的定心作用和稳斜作用。目前PDC 钻头主要由钻头体（胎体）、PDC切削齿、喷嘴、保径材料和连接体等组成，依靠PDC切削齿切削地层以实现钻进，所述喷嘴是钻头内腔与外部的水力通道，喷嘴主要作用是清洗井底，将岩屑带离井底，防止钻头泥包，减少重复切削，提高破岩效率，另外在一定钻井参数下还有水力破岩作用。工作时，高速转动的钻头体带动PDC切削齿高速转动，PDC切削齿切削硬地层，同时从喷嘴喷出的流体将碎屑从井道排出。
然而，在切削硬地层过程中，由于岩石过硬且尺寸大，造成PDC切削齿破损，长期使用还会造成 PDC切削齿疲劳损坏，缩短了钻头的使用寿命，而PDC切削齿损坏后，又需要重新更换新的钻头，严重降低了破岩效率。此外，钻头在钻硬地层过程中，产生的碎屑刚好卡在喷嘴内，造成通入到钻头体内的流体无法从喷嘴中顺利喷出，导致PDC切削齿得到不冷却，同时碎屑也无法从井道排出，这进一步降低了破岩效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、提高破岩效率、延长PDC切削齿使用寿命、避免喷嘴被岩石或碎屑堵住、制造成本低的切削硬质地层的复合PDC提速钻头。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，它包括钻头体、牙轮和喷嘴防堵机构，所述钻头体内开设有流体腔体，钻头体的底部设置有冠部，所述冠部的底表面上且位于其中心处固设有锥形钻头，冠部的底表面上开设有多个绕锥形钻头分布的喷嘴，每个喷嘴均与流体腔体连通，所述冠部的底表面上且沿钻头体的圆周方向固设有多个主刀翼，相邻两个主刀翼之间固设有副刀翼，所述主刀翼上且沿其长度方向固设有多个PDC切削齿，主刀翼上还固设有牙轮，牙轮包括固设于主刀翼顶表面上的锥形体，锥形体的外表面上且从小端面到大端面之间顺次固设有一圈镶齿、盘形齿和铣齿，所述镶齿、盘形齿和铣齿的出露高度均大于PDC切削齿的出露高度；每个喷嘴的上方均设置有一个位于流体腔体内的喷嘴防堵机构，喷嘴防堵机构包括空心钢管、卸料板、推板、弹簧和堵头，堵头固设于喷嘴内，堵头内开设有导向孔，导向孔内滑动安装有可上下移动的空心钢管，空心钢管的上端部延伸于流体腔体内，且该延伸端处焊接有推板，推板位于流体腔体内，空心钢管的下端部延伸于喷嘴内，且该延伸端的外部焊接有卸料板，卸料板位于喷嘴内，空心钢管上还套有弹簧，弹簧的一端固设于流体腔体的底表面，弹簧的另一端固设于推板的底表面上。
所述副刀翼固设于冠部底表面上，且副刀翼与主刀翼焊接于一体。
所述主刀翼均匀分布于冠部上。
所述冠部上至少包括三个主刀翼。
所述卸料板平行于推板设置。
所述的空心钢管平行于钻头体的轴线设置。
所述喷嘴内开设有内螺纹，所述堵头的外部设置有外螺纹，堵头的外螺纹与内螺纹连接固定于喷嘴上。
所述牙轮的截面为三角形、半圆形、梯形或楔形。
本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、提高破岩效率、延长PDC切削齿使用寿命、避免喷嘴被岩石或碎屑堵住、制造成本低。
附图说明
图1 为本发明的半剖视图；
图2 为图1的仰视图；
图3 为牙轮的截面示意图；
图4 为图1的I部局部放大视图；
图中，1-钻头体，2-牙轮，3-流体腔体，4-冠部，5-锥形钻头，6-喷嘴，7-主刀翼，8-副刀翼，9-PDC切削齿，10-锥形体，11-镶齿，12-盘形齿，13-铣齿，14-空心钢管，15-卸料板，16-推板，17-弹簧，18-堵头，19-导向孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~4所示，一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，它包括钻头体1、牙轮2和喷嘴防堵机构，所述钻头体1内开设有流体腔体3，钻头体1的底部设置有冠部4，所述冠部4的底表面上且位于其中心处固设有锥形钻头5，冠部4的底表面上开设有多个绕锥形钻头5分布的喷嘴6，每个喷嘴6均与流体腔体3连通，所述冠部4的底表面上且沿钻头体1的圆周方向固设有多个主刀翼7，本实施例中所述主刀翼7均匀分布于冠部4上，冠部4上至少包括三个主刀翼7，相邻两个主刀翼7之间固设有副刀翼8，所述主刀翼7上且沿其长度方向固设有多个PDC切削齿9。
所述主刀翼7上还固设有牙轮2，本实施例中所述牙轮2的截面为三角形、半圆形、梯形或楔形，牙轮2包括固设于主刀翼7顶表面上的锥形体10，锥形体10的外表面上且从小端面到大端面之间顺次固设有一圈镶齿11、盘形齿12和铣齿13，所述镶齿11、盘形齿12和铣齿13的出露高度均大于PDC切削齿9的出露高度；每个喷嘴6的上方均设置有一个位于流体腔体3内的喷嘴防堵机构。
所述喷嘴防堵机构包括空心钢管14、卸料板15、推板16、弹簧17和堵头18，堵头18固设于喷嘴6内，堵头18内开设有导向孔19，导向孔19内滑动安装有可上下移动的空心钢管14，空心钢管14平行于钻头体1的轴线设置，空心钢管14的上端部延伸于流体腔体3内，且该延伸端处焊接有推板16，推板16位于流体腔体3内，空心钢管14的下端部延伸于喷嘴6内，且该延伸端的外部焊接有卸料板15，卸料板15平行于推板16设置，卸料板15位于喷嘴6内，空心钢管14上还套有弹簧17，弹簧17的一端固设于流体腔体3的底表面，弹簧17的另一端固设于推板16的底表面上。
所述副刀翼8固设于冠部4底表面上，且副刀翼8与主刀翼7焊接于一体。所述喷嘴6内开设有内螺纹，所述堵头18的外部设置有外螺纹，堵头18的外螺纹与内螺纹连接固定于喷嘴6上。
本发明的工作过程如下：
工作前，将钻头体1上端部的锥形螺纹头与钻杆的内螺纹连接，以安装整个PDC提速钻头；工作时，下放钻杆并使其高速转动，钻杆带动PDC提速钻头高速转动，PDC提速钻头吃入到硬地层中，锥形钻头5将大岩石进行初步破碎，破碎后铣齿13、盘形齿12和镶齿11对岩石进一步破碎，最后由PDC切削齿9进行破碎，最终得到碎屑，因此PDC切削齿9不会直接进行破碎坚硬的大尺寸岩石，很好的保护了PDC切削齿，保证了PDC切削齿能够长期工作，提高了破岩效率。
在钻进过程中，工人在地面上操作高压泵，通过高压泵向流体腔体3中泵入高压流体，其中一部分高压流体击打推板16顶表面上，而另一部分高压流体直接穿过空心钢管14内腔、喷嘴6最后作用到井底，流体降低PDC切削齿的温度，确保其正常工作。钻进时产生的碎屑若堵住喷嘴6，击打到推板16顶表面上高压流体施加给推板16向下的作用力，带动空心钢管14沿着导向孔19向下运动，同时压缩弹簧17，进一步带动卸料板15向下运动，卸料板15将卡在喷嘴6内的碎屑向下排出到喷嘴6外部，并将喷嘴6的下端口堵住防止碎屑进入其内，有效防止了喷嘴堵塞，从而确保了PDC切削齿能够持续被冷却，进一步的确保了破岩的顺利进行。

Claims (8)

1.一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：它包括钻头体（1）、牙轮（2）和喷嘴防堵机构，所述钻头体（1）内开设有流体腔体（3），钻头体（1）的底部设置有冠部（4），所述冠部（4）的底表面上且位于其中心处固设有锥形钻头（5），冠部（4）的底表面上开设有多个绕锥形钻头（5）分布的喷嘴（6），每个喷嘴（6）均与流体腔体（3）连通，所述冠部（4）的底表面上且沿钻头体（1）的圆周方向固设有多个主刀翼（7），相邻两个主刀翼（7）之间固设有副刀翼（8），所述主刀翼（7）上且沿其长度方向固设有多个PDC切削齿（9），主刀翼（7）上还固设有牙轮（2），牙轮（2）包括固设于主刀翼（7）顶表面上的锥形体（10），锥形体（10）的外表面上且从小端面到大端面之间顺次固设有一圈镶齿（11）、盘形齿（12）和铣齿（13），所述镶齿（11）、盘形齿（12）和铣齿（13）的出露高度均大于PDC切削齿（9）的出露高度；每个喷嘴（6）的上方均设置有一个位于流体腔体（3）内的喷嘴防堵机构，喷嘴防堵机构包括空心钢管（14）、卸料板（15）、推板（16）、弹簧（17）和堵头（18），堵头（18）固设于喷嘴（6）内，堵头（18）内开设有导向孔（19），导向孔（19）内滑动安装有可上下移动的空心钢管（14），空心钢管（14）的上端部延伸于流体腔体（3）内，且该延伸端处焊接有推板（16），推板（16）位于流体腔体（3）内，空心钢管（14）的下端部延伸于喷嘴（6）内，且该延伸端的外部焊接有卸料板（15），卸料板（15）位于喷嘴（6）内，空心钢管（14）上还套有弹簧（17），弹簧（17）的一端固设于流体腔体（3）的底表面，弹簧（17）的另一端固设于推板（16）的底表面上。
2.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述副刀翼（8）固设于冠部（4）底表面上，且副刀翼（8）与主刀翼（7）焊接于一体。
3.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述主刀翼（7）均匀分布于冠部（4）上。
4.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述冠部（4）上至少包括三个主刀翼（7）。
5.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述卸料板（15）平行于推板（16）设置。
6.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述的空心钢管（14）平行于钻头体（1）的轴线设置。
7.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述喷嘴（6）内开设有内螺纹，所述堵头（18）的外部设置有外螺纹，堵头（18）的外螺纹与内螺纹连接固定于喷嘴（6）上。
8.根据权利要求1所述的一种切削硬质地层的复合PDC提速钻头，其特征在于：所述牙轮（2）的截面为三角形、半圆形、梯形或楔形。
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