CN109667545A - 一种牙轮pdc两级切削复合钻头 - Google Patents

一种牙轮pdc两级切削复合钻头 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种牙轮PDC两级切削复合钻头，包括：PDC钻头体、刀翼、牙轮；所述刀翼设置在PDC钻头体的顶端，且刀翼与PDC钻头体为一体式结构；所述切削齿镶焊安装在刀翼顶端的一侧；所述保径部分设置在刀翼的外侧，且保径部分与刀翼通过焊接方式相连接；所述保径齿镶焊安装在保径部分的外壁上；所述储油腔设置在PDC钻头体的顶端；本发明通过对复合钻头的改进，具有结构设计合理、能够实现逐层切削，牙轮钻头与PDC钻头优势互补、钻头导向效果好，稳定性强、井斜控制能力强、局部水力损失，地面动力设备能耗低、钻井效率高，钻井成本低，实用性强的优点，从而有效的解决了本发明在背景技术一项中提出的问题和不足。

Description

一种牙轮PDC两级切削复合钻头
技术领域
本发明涉及油气田开发技术领域，更具体的说，尤其涉及一种具备两层级切削岩石的复合钻头。
背景技术
随着油气田的不断开发，我国浅层油气资源逐年减少，正朝着深井和超深井油气藏方向发展，近年来我国钻头设计理论与技术发展迅速，但在一定程度上与国外还有一定差距，主要表现在钻材料技术，设计工艺和制造手段。而我国更主要缺乏更实用的设计生产核心技术，许多钻头生产厂商只是在某一方面有所突破，一套完整的技术仍然处于简单的模仿制造阶段，这极大的制约了我国钻头技术的发展。
传统钻头有牙轮钻头、PDC钻头、刮刀钻头，复合钻头只是两种方式的复合，并没有形成两层级切削。另外，PDC仍然是在原地应力下破岩，并且现有技术存在如下弊端：
1、井深的增加，岩石的硬度和塑性的提高，岩石的可钻性变差，钻进难度增大，PDC钻头和牙轮钻头的机械钻进速度变慢，寿命缩短，不能满足钻井提速的要求；
2、切削出来的井底局部水头损失大，循环压耗大，增加了地面泵组的设备投入和成本；
3、传统复合钻头没有切削层级区分，岩屑返排空间不够大；
4、PDC在原地应力下破碎岩石磨损严重。
有鉴于此，针对现有的问题予以研究改良，提供一种具备两层级切削岩石的复合钻头，旨在通过该技术，达到解决问题与提高实用价值性的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种牙轮PDC两级切削复合钻头，以解决上述背景技术中提出的井深的增加，岩石的硬度和塑性的提高，岩石的可钻性变差，钻进难度增大，PDC钻头和牙轮钻头的机械钻进速度变慢，寿命缩短，不能满足钻井提速的要求；切削出来的井底局部水头损失大，循环压耗大，增加了地面泵组的设备投入和成本；传统复合钻头没有切削层级区分，岩屑返排空间不够大；PDC在原地应力下破碎岩石磨损严重的问题和不足。
为实现上述目的，本发明提供了一种牙轮PDC两级切削复合钻头，由以下具体技术手段所达成：
一种牙轮PDC两级切削复合钻头，包括：PDC钻头体、刀翼、切削齿、保径部分、保径齿、储油腔、牙轮、牙齿、流道、水眼、卸扣槽、丝扣；所述刀翼设置在PDC钻头体的顶端，且刀翼与PDC钻头体为一体式结构；所述切削齿镶焊安装在刀翼顶端的一侧；所述保径部分设置在刀翼的外侧，且保径部分与刀翼通过焊接方式相连接；所述保径齿镶焊安装在保径部分的外壁上；所述储油腔设置在PDC钻头体的顶端，且储油腔与PDC钻头体通过焊接方式相连接；所述牙轮安装在储油腔的顶端；所述牙齿镶焊安装牙轮的外壁上；所述流道贯通设置在PDC钻头体内部的中间位置；所述水眼贯通设置在PDC钻头体的上部，且水眼与流道相贯通；所述卸扣槽开设在PDC钻头体下部的外壁上；所述丝扣设置在PDC钻头体的底部。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种牙轮PDC两级切削复合钻头所述牙轮的上端面高于刀翼的上端面。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种牙轮PDC两级切削复合钻头所述刀翼共设置有三处，刀翼在PDC钻头体的顶端呈环形阵列状分布，且每两处刀翼之间均设置有一处牙轮，牙轮共设置有三处，并且刀翼的切削直径大于牙轮的切削直径。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种牙轮PDC两级切削复合钻头所述水眼由两部分构成，外侧部分的三个水眼位于刀翼一侧的根部，内侧部分的一个水眼位于PDC钻头体顶端的中间位置。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种牙轮PDC两级切削复合钻头所述PDC钻头体为胎体钻头，且PDC钻头体由碳化钨粉及耐磨硬质合金粉烧结而成，并且PDC钻头体的外部包镶金刚石微粉。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种牙轮PDC两级切削复合钻头所述切削齿为聚晶金刚石复合片，且所述聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石层与硬质合金基片组成，并且聚晶金刚石层与硬质合金基片的镶嵌方式为牙嵌式。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明牙轮的上端面高于刀翼的上端面，并且刀翼的切削直径大于牙轮的切削直径，牙轮切削齿最先切削地层，然后刀翼随钻头的旋转切削牙轮破岩形成的井壁，并扩充井眼，形成二级切削模式，牙轮破碎井底中心区域岩石后，形成第一级小井眼，在小井眼的围压相较于原地应力大大减小，刀翼在切削的时候容易破岩扩径，并且钻头两级切削后留下的阶梯状井眼会因此产生一个等效的导向角，这样的设计减小了局部水力损失，降低了地面动力设备的能耗，同时增大返排空间，使原本的小径井眼进一步扩充，有效防止了岩屑的重复切削，提高了钻井效率。
2、本发明刀翼共设置有三处，刀翼在PDC钻头体的顶端呈环形阵列状分布，且每两处刀翼之间均设置有一处牙轮，牙轮共设置有三处，PDC钻头和牙轮钻头的复合，牙轮与切削齿的紧密配合，实现逐层切削，利用牙轮的适应地层能力高，冲击和剪切的双重破岩作用和刀翼的锋利、耐磨、自锐、寿命长、没有活动部件等优点，进行优势互补，发挥各自的功能，从而实现钻井效率的提高和钻井成本的降低，同时有效减小振动，提高钻头的井斜控制能力：牙轮和PDC钻头的复合设计，使得牙轮在第一切削面工作，而切削齿则在侧向切削面工作，这样可以减少钻头的横向振动，减少打滑，并对钻头起到导向和稳定作用，来提高钻头的井斜控制能力。
3、本发明通过对复合钻头的改进，具有结构设计合理、能够实现逐层切削，牙轮钻头与PDC钻头优势互补、钻头导向效果好，稳定性强、井斜控制能力强、局部水力损失，地面动力设备能耗低、钻井效率高，钻井成本低，实用性强的优点，从而有效的解决了本发明在背景技术一项中提出的问题和不足。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的斜下视结构示意图；
图4为本发明的主视结构示意图；
图5为本发明的水眼分布结构示意图；
图6为本发明的牙轮结构示意图；
图7为本发明的A处放大结构示意图。
图中：PDC钻头体1、刀翼2、切削齿3、保径部分4、保径齿5、储油腔6、牙轮7、牙齿8、流道9、水眼10、卸扣槽11、丝扣12。
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。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参见图1至图7，本发明提供一种牙轮PDC两级切削复合钻头的具体技术实施方案：
一种牙轮PDC两级切削复合钻头，包括：PDC钻头体1、刀翼2、切削齿3、保径部分4、保径齿5、储油腔6、牙轮7、牙齿8、流道9、水眼10、卸扣槽11、丝扣12；刀翼2设置在PDC钻头体1的顶端，且刀翼2与PDC钻头体1为一体式结构；切削齿3镶焊安装在刀翼2顶端的一侧；保径部分4设置在刀翼2的外侧，且保径部分4与刀翼2通过焊接方式相连接；保径齿5镶焊安装在保径部分4的外壁上；储油腔6设置在PDC钻头体1的顶端，且储油腔6与PDC钻头体1通过焊接方式相连接；牙轮7安装在储油腔6的顶端；牙齿8镶焊安装牙轮7的外壁上；流道9贯通设置在PDC钻头体1内部的中间位置；水眼10贯通设置在PDC钻头体1的上部，且水眼10与流道9相贯通；卸扣槽11开设在PDC钻头体1下部的外壁上；丝扣12设置在PDC钻头体1的底部。
具体的，牙轮7的上端面高于刀翼2的上端面。
具体的，刀翼2共设置有三处，刀翼2在PDC钻头体1的顶端呈环形阵列状分布，且每两处刀翼2之间均设置有一处牙轮，牙轮7共设置有三处，并且刀翼2的切削直径大于牙轮7的切削直径。
具体的，水眼10由两部分构成，外侧部分的三个水眼10位于刀翼2一侧的根部，内侧部分的一个水眼10位于PDC钻头体1顶端的中间位置。
具体的，PDC钻头体1为胎体钻头，且PDC钻头体1由碳化钨粉及耐磨硬质合金粉烧结而成，并且PDC钻头体1的外部包镶金刚石微粉，减小岩屑对PDC钻头体1造成的磨损，提高PDC钻头体1的使用寿命。
具体的，切削齿3为聚晶金刚石复合片，且所述聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石层与硬质合金基片组成，并且聚晶金刚石层与硬质合金基片的镶嵌方式为牙嵌式，增加了两者之间的接触面积，分散了冲击载荷产生的集中应力，提高了硬质合金基片的吸收能力，从而提高了整体的抗冲击性能，大大提高了钻头对复杂地层的适应性，延长了钻头的使用寿命。
具体实施步骤：
该新型复合钻头在工作时，牙轮7首先切削地层，形成小直径井眼，然后用切削齿3进行二次切削，即进行井眼扩充，起到防止井斜，减少钻头横向振动的作用。该钻头结构采用牙轮钻头和PDC钻头的复合结构。首先，三处牙轮7钻头切割地层，刀翼2的位置就在储油腔6旁边，与三处牙轮7对应的三处刀翼2，呈120°对称分布，刀翼2的切削直径大于牙轮7的切削直径，并且牙轮7的工作面低于刀翼2的工作面，因此在实际的钻进中，牙轮7最先接触和切削下部地层，此为一级切削，跟随在牙轮7后面的切削齿3在扩大钻孔的同时切割围岩，这是二次切削。切削后的井底形状为阶梯圆柱形，阶梯连接处形成圆角，这对稳定井斜极为有利，同时可以减少井内钻井液流通过程中的水力损耗，间接降低地面设备的动力损耗.
外侧部分的三个水眼10，用其喷射的高速高压水力能量来清洗和冷却切削齿3。同时，由于三处牙轮7没有相互啮合，因此该复合钻头的PDC钻头体1顶端的中间位置设置有一处水眼10，依靠水眼10的高速高压射流冲击力来破碎岩石，牙轮7之间虽没有啮合，但其破碎岩石所留下的中心锥形岩石仅有水眼10大小，高压射流流体通挤入岩石微裂缝，形成“水楔”，使微裂缝扩大，从而使岩石强度大大降低，达到破碎岩石的目的，该复合钻头的四个水眼10共同工作，在井底形成高压和低压极不均匀，钻头的转动让本来不均匀的压力分布又快速变化，这使作用于井底岩屑的压力极不均匀，使岩屑产生一个翻转力矩，从而离开井底。就是利用高速高压射流，以射流冲击的形式作用于井底，从而清除井底岩屑和辅助破碎岩石。
综上所述：该一种牙轮PDC两级切削复合钻头，通过牙轮的上端面高于刀翼的上端面，并且刀翼的切削直径大于牙轮的切削直径，牙轮切削齿最先切削地层，然后刀翼随钻头的旋转切削牙轮破岩形成的井壁，并扩充井眼，形成二级切削模式，牙轮破碎井底中心区域岩石后，形成第一级小井眼，在小井眼的围压相较于原地应力大大减小，刀翼在切削的时候容易破岩扩径，并且钻头两级切削后留下的阶梯状井眼会因此产生一个等效的导向角，这样的设计减小了局部水力损失，降低了地面动力设备的能耗，同时增大返排空间，使原本的小径井眼进一步扩充，有效防止了岩屑的重复切削，提高了钻井效率；通过刀翼共设置有三处，刀翼在PDC钻头体的顶端呈环形阵列状分布，且每两处刀翼之间均设置有一处牙轮，牙轮共设置有三处，PDC钻头和牙轮钻头的复合，牙轮与切削齿的紧密配合，实现逐层切削，利用牙轮的适应地层能力高，冲击和剪切的双重破岩作用和刀翼的锋利、耐磨、自锐、寿命长、没有活动部件等优点，进行优势互补，发挥各自的功能，从而实现钻井效率的提高和钻井成本的降低，同时有效减小振动，提高钻头的井斜控制能力：牙轮和PDC钻头的复合设计，使得牙轮在第一切削面工作，而切削齿则在侧向切削面工作，这样可以减少钻头的横向振动，减少打滑，并对钻头起到导向和稳定作用，来提高钻头的井斜控制能力；通过对复合钻头的改进，具有结构设计合理、能够实现逐层切削，牙轮钻头与PDC钻头优势互补、钻头导向效果好，稳定性强、井斜控制能力强、局部水力损失，地面动力设备能耗低、钻井效率高，钻井成本低，实用性强的优点，从而有效的解决了本发明在背景技术一项中提出的问题和不足。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种牙轮PDC两级切削复合钻头，包括：PDC钻头体(1)、刀翼(2)、切削齿(3)、保径部分(4)、保径齿(5)、储油腔(6)、牙轮(7)、牙齿(8)、流道(9)、水眼(10)、卸扣槽(11)、丝扣(12)；其特征在于：所述刀翼(2)设置在PDC钻头体(1)的顶端，且刀翼(2)与PDC钻头体(1)为一体式结构；所述切削齿(3)镶焊安装在刀翼(2)顶端的一侧；所述保径部分(4)设置在刀翼(2)的外侧，且保径部分(4)与刀翼(2)通过焊接方式相连接；所述保径齿(5)镶焊安装在保径部分(4)的外壁上；所述储油腔(6)设置在PDC钻头体(1)的顶端，且储油腔(6)与PDC钻头体(1)通过焊接方式相连接；所述牙轮(7)安装在储油腔(6)的顶端；所述牙齿(8)镶焊安装牙轮(7)的外壁上；所述流道(9)贯通设置在PDC钻头体(1)内部的中间位置；所述水眼(10)贯通设置在PDC钻头体(1)的上部，且水眼(10)与流道(9)相贯通；所述卸扣槽(11)开设在PDC钻头体(1)下部的外壁上；所述丝扣(12)设置在PDC钻头体(1)的底部。
2.根据权利要求1所述的一种牙轮PDC两级切削复合钻头，其特征在于：所述牙轮(7)的上端面高于刀翼(2)的上端面。
3.根据权利要求1所述的一种牙轮PDC两级切削复合钻头，其特征在于：所述刀翼(2)共设置有三处，刀翼(2)在PDC钻头体(1)的顶端呈环形阵列状分布，且每两处刀翼(2)之间均设置有一处牙轮，牙轮(7)共设置有三处，并且刀翼(2)的切削直径大于牙轮(7)的切削直径。
4.根据权利要求1所述的一种牙轮PDC两级切削复合钻头，其特征在于：所述水眼(10)由两部分构成，外侧部分的三个水眼(10)位于刀翼(2)一侧的根部，内侧部分的一个水眼(10)位于PDC钻头体(1)顶端的中间位置。
5.根据权利要求1所述的一种牙轮PDC两级切削复合钻头，其特征在于：所述PDC钻头体(1)为胎体钻头，且PDC钻头体(1)由碳化钨粉及耐磨硬质合金粉烧结而成，并且PDC钻头体(1)的外部包镶金刚石微粉。
6.根据权利要求1所述的一种牙轮PDC两级切削复合钻头，其特征在于：所述切削齿(3)为聚晶金刚石复合片，且所述聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石层与硬质合金基片组成，并且聚晶金刚石层与硬质合金基片的镶嵌方式为牙嵌式。
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