CN109209241A - 一种适用于高温钻井的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高温钻井的PDC钻头，属于石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域。包括钻头体、设置在钻头体上的水眼或喷嘴、设置在钻头体上的内流道、延伸自钻头体的若干个刀翼，刀翼上设置有固定切削元件，其特征在于：至少一个所述切削元件上形成射流孔；钻头上还包括由内流道延伸至刀翼上的分流道；射流孔与分流道相通；分流道用于形成内流道液体经由的通道；射流孔用于内流道液体喷出的通道。本发明的目的在于，提出一种适用于高温钻井的PDC钻头，有效改善钻头在破岩过程中由于切削元件冷却不充分而造成的钻头工作寿命缩短以及钻进能力下降的问题。

Description

一种适用于高温钻井的PDC钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种适用于高温钻井的PDC钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。除切削结构以外，钻头上的水力结构对钻头的破岩效率、使用寿命也起到了重要作用，即冷却切削齿、清洗井底、运移岩屑、辅助破岩等。目前，钻头上水力结构的设计均是在钻头体上的不同位置布置喷嘴或水眼，内流道里的钻井液或冷却介质通过喷嘴或水眼喷射出去以达到清洗、冷却切削元件目的。一般而言，现有钻头上设置的喷嘴或水孔的高速射流束都较细小，直接喷射冷却、清洗切削元件的区域范围也很小，而大部分切削元件则依靠水力能量不足的漫流来冷却。此外，喷嘴或水眼形成的射流束一般都是平行或近似平行于切削齿的工作平面，受水射流压力的影响，这很容易造成刚被破碎岩石挤压在切削元件的工作面前，岩屑不能及时与切削齿及时分离，造成切削齿冷却不足的现象。在当代快速钻井中，当钻头钻遇研磨性强、硬度高等复杂难钻地层时，切削元件温升快、温度高，一旦清洗、冷却不充分，很容易造成热磨损，这是深部地层钻头常见的非常规失效之一。

特别是近年来地热钻井的迅速发展，钻头的工作温度高达150°或更高，如不能及时对切削齿冷却和清洗，钻头和切削齿的温度过高，将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有钻头水力结构的不足，提出一种适用于高温钻井的PDC钻头，有效改善钻头在破岩过程中由于切削元件冷却不充分而造成的钻头工作寿命缩短以及钻进能力下降的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种适用于高温钻井的PDC钻头，包括钻头体、设置在钻头体上的水眼或喷嘴、设置在钻头体上的内流道、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼，刀翼上设置有凹窝用以固定切削元件，至少一个切削元件上形成射流孔和喷口；钻头上还包括由所述内流道延伸至刀翼上的分流道；射流孔与分流道相通；分流道用于形成内流道液体经由的通道；射流孔用于内流道中液体喷出的通道。

对于本发明所涉及的钻头体、内流道、喷嘴或水眼、刀翼为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考图1、2、11，为本发明钻头的结构示意图，其中，1为钻头体、2为刀翼、4为喷嘴或水眼、5为内流道。

切削元件通常也称切削齿，主要包括“刮切型元件”和“纵压型元件”两大类。“刮切型元件”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，主要包括PDC齿（聚晶金刚石复合片）、TSP齿（热稳定金刚石聚晶片）、斧脊齿、以及具有微切削功能的孕镶卧齿、以及其他具有非平面的金刚石切削齿。“纵压型元件” 是指以纵向压碎和/或冲击作用破碎岩石的切削元件，简称纵压型牙齿或纵压齿，牙轮钻头和潜孔冲击钻钻头采用的就是这种牙齿。这种牙齿的主要齿形特征是牙齿的工作端具有外凸的曲面齿冠，牙齿具有较高的耐压、耐冲击强度。纵压型牙齿的材质一般采用硬质合金，为增强其耐磨性，有时也用金刚石对牙齿的齿冠做表面强化。切削元件的材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。

本发明结构不仅能显著提高现有钻头喷嘴结构所产生高速射流束不能覆盖的切削元件工作面附近的液体流速，改善现有钻头因为各切削元件工作面流速不均而造成的热磨损现象，还能及时的将已破除岩石与切削元件分离，使切削元件的工作区域更多的暴露给高速射流，及时清洗冷却切削齿，其工作原理图请参阅图3。本发明还有另一优势，当切削齿磨损一定程度后，由于本发明切削元件为中空的，所以其有效接触区域明显小于现有技术(图4a为现有钻头切削元件3磨损后的接触区域为R，而图4b本发明磨损相同高度后的接触区域为R-r)，能够保持较高的钻进比压，提高钻头的高效可持续钻进能力。

作为优选，射流孔截面的最大尺寸d与切削元件截面的最大尺寸D之比的取值范围为0≤d/D≤0.8。

上述结构中，最大尺寸是指射流孔或切削元件的横截面上距离最大两点之间的距离，如截面形状为圆形时，其直径就是最大尺寸；再如截面形状为椭圆时，其长轴即为最大尺寸；再如截面形状为矩形时，对角线即为最大尺寸。

作为优选，分流道与射流孔之间设置有中间流道，中间流道用于连通分流道和射流孔。

上述结构中的中间流道是用于连通分流道和射流孔，容易想到，中间流道可以不止一个，还可以有多个。不管中间流道具有多少个，其最终目的均是用于连通分流道和射流孔。

作为优选，射流孔的截面形状包括圆形、椭圆形、半圆形、矩形、扇形、以及它们之间的组合。

进一步的，射流孔和切削元件的截面形状为圆形。

作为优选，射流孔的纵剖面为喇叭形。

上述结构中的纵剖面是指与切削元件的轴线方向平行且过切削元件轴线的截面。

作为优选，PDC钻头还可以为包含有牙轮切削结构、盘刀切削结构、冲击切削结构的PDC钻头。

本发明的有益效果：

1、本发明结构能够显著提高现有钻头喷嘴结构所产生高速射流束不能覆盖的切削元件的工作面上的液体流速，能够改善在高温地热钻井中，由于各切削元件工作面液体流速不均而造成的切削元件的热磨损的现象，进而延长钻头的使用寿命。

2、由于在切削元件上开设射流孔，其射流方向与切削方向大致一致，能够及时将已破坏岩石迅速带离切削齿工作面，使切削齿的冷却更加及时、充分。岩屑与切削齿的快速分离，也在一定程度上降低了岩屑与切削齿或钻头体的接触的机会，有效避免泥包现象的产生。

3、本发明技术由于切削元件的上射流孔的存在，当切削齿磨损一定程度后，其有效接触区域明显小于现有技术，能够保持较高的切削元件比压，提高钻头的高效可持续钻进能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施方式提供的钻头结构的示意图；

图2为本发明钻头剖视图，其中射流孔与分流道之间设置有中间流道；

图3为切削元件上射流孔的工作原理示意图；

图4为切削元件磨损后的正视图；

图5为切削元件和射流孔截面为圆形时，其截面的最大尺寸的结构示意图；

图6为射流孔截面形状为半圆形的结构示意图；

图7为射流孔截面形状为矩形的结构示意图；

图8为射流孔截面形状为扇形的结构示意图；

图9为射流孔截面形状为椭圆形的结构示意图；

图10为射流孔的纵剖面形状为喇叭形的结构示意图；

图11为本发明钻头剖视图，其中射流孔与分流道之间不设置中间流道。

图中标记相应名称：1-钻头体、2-刀翼、3-切削元件、4-喷嘴或水眼、5-内流道、6-分流道、7-射流孔、8-中间流道、10-岩屑、11-钻头中心线。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例

本发明实施例提供了一种适用于全面钻进的PDC钻头。请参阅图1-5，该钻头包括钻头体1、设置在钻头体1上的水眼或喷嘴4、设置在钻头体1上的内流道5、延伸自钻头体1或固定在钻头体1上的若干刀翼2，刀翼2上设置有通过凹窝固定的切削元件3。钻头上至少一个切削元件3上形成射流孔7，钻头上还设置有由内流道5延伸至刀翼2上的分流道6。分流道6用于形成内流道5液体经由的通道；射流孔7用于内流道5中液体喷出的通道。

本例中钻头上还在分流道6和射流孔7之间设置有中间流道8，用与连通分流道6和射流孔7。

钻头还包括钻头轴线11，在破岩过程中，钻头可绕钻头轴线11转动，使刀翼2上的切削元件3与岩石之间发生相对运动，从而破碎岩石，形成岩屑。

钻进时，钻井液或冷却介质由内流道5分别通过喷嘴4或切削元件3上的射流孔7喷出，切削元件3上射流孔7的设置能够弥补喷嘴或水眼4所形成的高速射流束不能覆盖到每一颗切削元件3的缺点，显著提高切削元件3附近的液体流速，改善因为各切削元件3工作面流速不均而造成的热磨损现象。此外，由于切削元件3上射流孔7所形成射流方向与切削方向大致相同，能够及时将已破坏岩石（岩屑）10迅速带离切削元件3的工作面，使切削元件3的工作区域更多的暴露给高速射流，切削元件3的冷却更加及时、充分，其原理参阅图3。同时，降低了岩屑10与切削元件3或钻头体1的接触的机会，有效避免泥包现象的产生。一般而言，钻头在发生磨损后，切削元件3与岩石的接触区域变大，比压降低，切削效率降低。本发明切削元件3为中空，所以当切削元件3磨损相同高度后，其有效接触区域明显小于现有技术(请参阅图4，图4a为现有钻头切削元件3磨损后的接触区域为R，而图4b本发明磨损相同高度后的接触区域为R-r)，能够保持较高的钻进比压，提高钻头的高效可持续钻进能力。

作为优选的方案，在射流孔7和分流道6之间不设置中间流道8，如图11所示。

作为优选的方案，射流孔7和切削元件3的截面形状均为圆形，且射流孔7直径d与切削元件4的直径D之比的取值范围为0≤d/D≤0.8，如图5所示。

切削元件上的射流孔7的截面形状还包括圆形、椭圆形、半圆形、矩形、扇形、以及它们之间的组合，其中图6为半圆形的方案，图7为矩形方案、图8为扇形方案、图9为椭圆形方案。本领域工作人员容易想到，射流孔的纵剖面形状可以为矩形、椭圆形、喇叭形、阶梯形状等，其中图10为喇叭形。

需要特殊说明的是：

本例中，以固定齿PDC钻头为例对本发明的技术方案进行了说明，对于本领域研究人员很容易想到，PDC钻头还包括具有牙轮切削结构的PDC钻头、具有盘刀切削结构的PDC钻头、具有冲击切削结构的PDC钻头。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于高温钻井的PDC钻头，包括钻头体、设置在钻头体上的水眼或喷嘴、设置在钻头体上的内流道、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼，所述刀翼上设置有凹窝用以固定切削元件，其特征在于：至少一个所述切削元件上形成射流孔；所述钻头上还包括由所述内流道延伸至刀翼上的分流道；所述射流孔与所述分流道相通；所述分流道用于形成内流道液体经由的通道；所述射流孔用于所述内流道中液体喷出的通道。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高温钻井的PDC钻头，其特征在于：所述射流孔截面的最大尺寸d与所述切削元件截面的最大尺寸D之比的取值范围为0≤d/D≤0.8。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高温钻井的PDC钻头，其特征在于：所述分流道与射流孔之间设置有中间流道，所述中间流道用于连通分流道和射流孔。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高温钻井的PDC钻头，其特征在于：所述射流孔的截面形状包括圆形、椭圆形、半圆形、矩形、扇形、以及它们之间的组合。

5.根据权利要求3所述的一种适用于高温钻井的PDC钻头，其特征在于：所述射流孔的截面形状为圆形，所述切削元件的截面为圆形。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高温钻井的PDC钻头，其特征在于：所述射流孔的纵剖面为喇叭形。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高温钻井的PDC钻头，其特征在于：所述PDC钻头包括包含有牙轮切削结构、盘刀切削结构、冲击切削结构的PDC钻头。