CN110242219B - 一种适用于硬地层的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于硬地层的PDC钻头，其包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，第一刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于第一刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面；在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠。本发明提供的PDC钻头由于设置了凹槽，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压，吃入能力能够得到保证，同时由于在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠，能够形成尽可能大的岩脊，进一步有利于钻速的提高。

Description

一种适用于硬地层的PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种适用于硬地层的PDC钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过PDC齿切削岩石进行破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。

随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，硬-塑性地层越来越多，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且易发生振动，进而造成切削齿的快速失效。

特别的，制约PDC钻头在硬地层高效钻进的原因是钻头发生磨损后，切削齿与岩石的接触面积增加，切削齿的钻进比压急剧下降，钻进效率很低，甚至会因此造成起钻，增加钻井成本，延长钻井周期。

发明内容

本发明提供了一种适用于硬地层的PDC钻头，以解决现有技术中存在的：软至中硬地层钻速快，而在硬地层中，因PDC钻头吃入岩石的能力减弱，而造成机械钻速低的问题。

本发明是这样实现的：

一种适用于硬地层的PDC钻头，包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，第一刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于第一刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面；在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠。

通过在PDC齿上设置凹槽，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压，吃入能力能够得到保证，同时能够形成岩脊。岩脊形成后，岩脊本身受到了较大的应力，且两侧缺少支撑岩体，更容易被破坏，进一步有利于钻速的提高。另外，在岩脊形成后，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向振动。而在PDC钻头的井底覆盖布齿图上，各个第一切削齿的凹槽互不重叠，使得各个第一切削齿的凹槽形成的轨迹互不干涉，有利于形成较大的岩脊。井底覆盖布齿图，是指过钻头中心线的任意轴面内，切削齿的切削轮廓绕钻头中心线旋转，并与该轴面形成交线，该交线即为切削轮廓线，将所有切削齿的切削轮廓线汇集在一起，就形成了井底覆盖布齿图。井底覆盖布齿图直接反映了切削齿的定位半径、定位高度等重要参数。

作为本发明的优选方案，凹槽中设有填充体，填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，填充体与凹槽的侧壁固定相连。通过设置填充体，使第一切削齿的整体形状呈现为圆柱结构或椭圆柱结构。

作为本发明的优选方案，填充体为由碳化钨和/或硬质合金制作而成的结构体。作为一种优选，填充体与凹槽的侧壁通过高温高压粘结相连。

通过上述结构，在软地层中钻进时，填充体用于与金刚石层一起参与切削岩石，从而能够获得较高的钻速，使得该PDC钻头也能够适用于软地层中的钻进。在硬地层中钻进时，由于填充体的耐磨性相对较弱，因此，填充体的磨损速度快于金刚石层，使得填充体逐渐被磨损，而重新在第一切削齿上形成凹槽，使得该PDC钻头在硬地层中钻进时也能够获得较高的钻速。

作为本发明的优选方案，凹槽另一端贯通至第一切削齿的侧面，沿PDC齿的前工作面指向PDC齿的后工作面的方向，凹槽的横截面尺寸逐渐减小。PDC齿的前工作面，是指PDC齿的金刚石层的上表面，后工作面与前工作面相对设置。现有技术中，PDC齿与刀翼之间连接往往是这样实现的：PDC齿的侧面上靠近后工作面的一端与刀翼通过粘结相连。因此，通过本发明提供的上述结构，PDC齿的后工作面及附近的侧面能够保持完整的柱体形状，从而有利于保证PDC齿与第一刀翼之间的粘结稳定性。

作为本发明的优选方案，凹槽另一端贯通至第一切削齿的后工作面。通过这种结构，有利于降低凹槽的加工难度。

作为本发明的优选方案，第一刀翼上还设有第二切削齿，同一第一刀翼上的第一切削齿和第二切削齿之间的相对位置被构造为：在钻头的转动所形成的圆周方向上，第二切削齿设置于第一切削齿的后方。通过这种结构，提高了钻头的布齿密度，有利于减缓钻头的磨损。

作为本发明的优选方案，第二切削齿与PDC钻头的轴线之间的距离大于PDC钻头半径的二分之一。

作为本发明的优选方案，还包括第二刀翼，在PDC钻头的圆周方向上，第二刀翼与第一刀翼交替呈间隔地设置，第二刀翼与钻头本体相连，第二刀翼上设有第二切削齿。通过上述结构，第二切削齿既可以设置于第一刀翼上，也可以设置于第二刀翼上，还可以同时设置于第一刀翼和第二刀翼上。

作为本发明的优选方案，第二切削齿在PDC钻头上的位置被构造为：对于每一个第二切削齿，都与至少一个第一切削齿同轨道设置。所述同轨道设置，是指在井底覆盖布齿图中，同轨道设置的两个切削齿，具有相同的定位半径，即在理想钻进条件下，两颗切削齿的特征点的运动轨迹相同。

作为本发明的优选方案，第二切削齿为锥形齿或斧型齿，或第二切削齿与第一切削齿同结构设置。当第二切削齿设置为锥孔齿或斧型齿时，第二切削齿的形状能够更好的与岩脊的形状匹配，从而针对第一切削齿形成的岩脊进行破坏。当第二切削齿与第一切削齿同结构设置时，有利于减缓第一切削齿的磨损速度。

作为本发明的优选方案，第二切削齿与PDC钻头的轴线之间的距离大于PDC钻头半径的二分之一。

作为本发明的优选方案，第二切削齿的出刃高度小于或等于第一切削齿的出刃高度。通过上述结构，第二切削齿对同轨道的前位第一切削齿形成的岩脊具有更强的针对性。

作为本发明的优选方案，凹槽的横截面包括锥形、椭圆形或矩形。

本发明至少包括以下有益效果：

1.通过对第一切削齿上设置凹槽和对布齿方案的设计，使得PDC钻头能够在硬地层中获得较高的钻速；

2.在硬地层钻进中，各个第一切削齿的凹槽互不重叠，因此，第一切削齿形成的岩脊互不干涉，通过第二切削齿对同轨道的前位第一切削齿形成的岩脊进行破坏，更容易产生更多、更大的体积破碎，机械钻速能大幅提高；

3.在硬地层钻进时在井底形成岩脊，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向震动；

4.当钻头发生磨损后，本发明结构相比于现有技术，仍具有较高的钻进比压，具有很强的持续、高效钻进能力。

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是本发明第一实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图2是本发明第一实施例提供的PDC钻头在另一视角下的结构示意图。

图3是本发明第一实施例提供的PDC钻头的第一切削齿的结构示意图。

图4是本发明第一实施例提供的PDC钻头上的井底覆盖布齿图。

图5是本发明第一实施例提供的PDC钻头切削井底形成岩脊的示意图。

图6是本发明第一实施例提供的PDC钻头在第一切削齿已磨损的状态下，切削井底形成岩脊的示意图。

图7是本发明第二实施例提供的PDC钻头的第一切削齿的结构示意图。

图8是本发明第三实施例提供的PDC钻头的第一切削齿的结构示意图。

图9是本发明第四实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图10是本发明第五实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图11是本发明第五实施例提供的PDC钻头的井底覆盖布齿图。

图12是本发明具体实施方式提供的斧型齿的结构示意图。

图13是本发明第六实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图14是本发明第七实施例提供的PDC钻头的结构示意图。

图标：1-PDC钻头；2-岩脊；11-钻头本体；12-刀翼；13-第一切削齿；14-第二切削齿；131-凹槽；132-填充体；133-前工作面；134-后工作面；15-第二刀翼。

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。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。

第一实施例：

请参阅图1-图6，本发明实施例提供了一种适用于硬地层的PDC钻头1。

请参阅图1及图2，该钻头包括钻头本体11、三个第一刀翼12和若干个第一切削齿13，其中，第一切削齿13为聚晶金刚复合片，第一刀翼12与钻头本体11一体成型设置，第一刀翼12上设有用于安装第一切削齿13的齿槽。

请参阅图3，第一切削齿13上设有凹槽131，凹槽131一端贯通至第一切削齿13的前工作面133。前工作面133是指聚晶金刚复合片的金刚石层表面，在PDC钻头1的钻进过程中，前工作面133用于切削岩石，前工作面133与后工作面134相对设置。凹槽131另一端贯通至第一切削齿13的侧面。进一步的，在沿第一切削齿13的前工作面133指向后工作面134的方向上，凹槽131的横截面形状可以设置为锥形、圆形、椭圆形或矩形，在该方向上，凹槽131的横截面尺寸逐渐减小。

请参阅图4，在PDC钻头1的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿13上的凹槽131互不重叠，使得在钻进过程中，各个凹槽131的轨迹互不干涉。

本发明实施例提供的PDC钻头的有益效果在于：

1.与现有技术中的PDC钻头相比，本发明提供的PDC钻头1通过在第一切削齿13上设置凹槽131，使得第一切削齿13刃口更加锋利，钻进的比压高，有利于增强PDC钻头1吃入地层的能力，保证在硬地层中的钻速；

2.请参阅图5，通过凹槽131结构，可以在井底形成与凹槽131截面积相当的较大岩脊2，岩脊2受到较大的应力，且岩脊2两侧缺少支撑材料，从而有利于在后续切削过程中，形成对岩脊2的体积破碎，进一步保证钻进速度；

3.在井底形成岩脊2后，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向震动；

4.请参阅图6，本发明实施例提供的PDC钻头，即使在PDC齿发生磨损后，其第一切削齿13与岩石的接触面积依然明显小于常规钻头，钻进比压高，在磨损状态下仍然能够形成大的岩脊；

5.各个第一切削齿13上的凹槽131互不干涉，使得各个岩脊2互相独立，有利于形成尽可能大的岩脊2，产生更多、更大的体积破碎。

第二实施例：

本发明实施例提供一种PDC钻头，这种PDC钻头1与第一实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：请参阅图7，在本实施例中，第一切削齿13的凹槽131中还设有填充体132。

具体的，填充体132为由耐磨性小于聚晶金刚石的材料制作而成的结构体，填充体132与凹槽131的侧壁固定相连，使得第一切削齿13整体呈现为圆柱齿结构或椭圆齿结构。进一步的，填充体132可以设置为由硬质合金制成的结构体，或由碳化钨粉末烧结而成的结构体，使得填充体132在较软地层中具备切削地层的能力。

在第一实施例提供的PDC钻头的有益效果的基础上，本发明实施例提供的PDC钻头1还具有以下有益效果：

1.在软地层中钻进时，填充体132能够与第一切削齿13上的金刚石层一起参与切削地层，使得该PDC钻头1也能够适用于软地层的钻进；

2.在硬地层中钻进时，第一切削齿13将会发生磨损，而填充体132的材料耐磨性低，填充体132的磨损速度将远远大于金刚石层的磨损速度，使得第一切削齿13上的填充体132逐渐消失，而凹槽131逐渐成型，使PDC钻头1重新具备在硬地层中钻进的各种优点。

第三实施例：

本发明实施例提供了一种PDC钻头1，这种PDC钻头1与第一实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：第一切削齿13的结构略有不同。

具体的，请参阅图8，在本实施例中，凹槽131一端贯通至第一切削齿13的前工作面133，另一端贯通至第一切削齿13的后工作面134。

在第一实施例提供的PDC钻头1的有益效果的基础上，本实施例提供的PDC钻头1还具有以下有益效果：

凹槽131在第一切削齿13的轴向方向上贯通第一切削齿13，有利于降低第一切削齿13的加工难度。

第四实施例：

请参阅图9，本发明实施例提供了一种PDC钻头1，这种PDC钻头1的结构与第一实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：本实施例中，还设有第二切削齿14，第二切削齿14设于第一刀翼12上。

请参阅图9，具体的，第二切削齿14设于PDC钻头1的外二分之一区域，即：第二切削齿14与PDC钻头1的轴线之间的距离大于PDC钻头1半径的二分之一。同一个第一刀翼12上的第一切削齿13和第二切削齿14之间的相对位置被构造为：在钻头的转动所形成的圆周方向上，第二切削齿14设置于第一切削齿13的后方。第二切削齿14在PDC钻头1的轴向方向和径向方向的位置被构造为：对于每一个第二切削齿14，都与至少一个第一切削齿13的同轨道设置。

本实施例中，第二切削齿14与第一切削齿13的结构相同。

在第一实施例提供的PDC钻头1的有益效果的基础上，本实施例提供的PDC钻头1还具有以下有益效果：

增加了切削齿的数量，有利于减轻外部切削齿的磨损，进一步有利于增加难钻地层中的切削齿的工作寿命。

第五实施例：

本发明实施例提供了一种适用于硬地层的PDC钻头1，这种PDC钻头1与第四实施例中的PDC钻头1的区别在于：本实施例中，第二切削齿14的结构不同。

请参阅图10及图11，在本实施例中，第二切削齿14设置为锥形齿，第二切削齿14上设置有锥形部，锥形部用于与同轨道的前位第一切削齿13的凹槽131位置对应。

第二切削齿14的出刃高度与第一切削齿的出刃高度之差L小于或等于0mm，即：第二切削齿14的出刃高度小于或等于第一切削齿13的出刃高度。进一步的，高度差L的范围设置为-5mm-0mm。

在第四实施例中的PDC钻头1具有的有益效果的基础上，本实施例提供的PDC钻头1还具有以下有益效果：

第二切削齿14与第一切削齿13同轨道设置，第二切削齿14的轨道能够与第一切削齿13产生的岩脊2重叠，则第二切削齿能够针对岩脊2进行切削，形成岩脊2的体积破碎；

第二切削齿14与第一切削齿13的出刃高度差L小于或等于0mm，使得第二切削齿14不会与除了岩脊2之外的井底其他岩体接触，第二切削齿对岩脊2具有更强的针对性，容易产生体积破碎，提高破岩效率。

在本发明的其他实施方式中，请参阅图12，第二切削齿14还可以设置为斧型PDC齿。

第六实施例：

请参阅图13，本发明实施例提供了一种PDC钻头1，这种PDC钻头的结构与第四实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：本实施例中，还设置有第二刀翼15，第二切削齿14设置于第二刀翼15上，而第一刀翼12上仅设置第一切削齿13。

具体的，在PDC钻头的圆周方向上，第二刀翼15与第一刀翼12呈间隔地交替设置。第二刀翼15与钻头本体11相连。

第七实施例：

请参阅图14，本发明实施例提供了一种PDC钻头1，这种PDC钻头1的结构与第四实施例中的PDC钻头1的结构基本相同，其区别在于：本实施例中，还设置有第二刀翼15，第一刀翼12上设有第二切削齿14，第二刀翼15上也设有第二切削齿14，且第一刀翼12上的第二切削齿14的结构与第一切削齿13的结构相同，第二刀翼15上的第二切削齿14为锥形齿。

设置于第二刀翼15上的第二切削齿14上有锥形部，锥形部用于与同轨道的前位第一切削齿13的凹槽131位置对应。

呈锥形齿结构的第二切削齿14的出刃高度与第一切削齿的出刃高度之差L小于或等于0mm，即：呈锥形齿结构的第二切削齿14的出刃高度小于或等于第一切削齿13的出刃高度。进一步的，高度差L的范围设置为-5mm-0mm。

在第四实施例提供的PDC钻头1的有益效果的基础上，本实施例提供的PDC钻头1的还包括以下有益效果：

1.通过第一刀翼12上的第二切削齿14增加布齿密度，从而减缓PDC钻头1的磨损速度，提高PDC钻头1的使用寿命；

2.通过第二刀翼15上的第二切削齿14针对岩脊2进行破坏，有利于提高机械钻速。

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)

1.一种适用于硬地层的 PDC 钻头，包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，所述第一切削齿为聚晶金刚复合片，所述第一刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，所述第一切削齿设于所述第一刀翼上，其特征在于，所述第一切削齿上设有凹槽，所述凹槽一端贯通至所述第一切削齿的前工作面；在所述 PDC 钻头的井底覆盖布齿图中，各个所述第一切削齿上的所述凹槽互不重叠，所述凹槽用于形成岩脊，所述岩脊用于增加切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向震动；

所述第一刀翼上还设有第二切削齿，同一所述第一刀翼上的第一切削齿和第二切削齿之间的相对位置被构造为：在所述钻头的转动所形成的圆周方向上，所述第二切削齿设置于所述第一切削齿的后方；

或：所述PDC钻头还包括第二刀翼，所述第二刀翼与所述第一刀翼在所述 PDC钻头的圆周方向上交替呈间隔地设置，所述第二刀翼与所述钻头本体相连，所述第二刀翼上设有第二切削齿。

2.根据权利要求 1 所述的 PDC 钻头，其特征在于，所述凹槽中设有填充体，所述填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，所述填充体与所述凹槽的侧壁固定相连。

3.根据权利要求 2 所述的 PDC 钻头，其特征在于，所述填充体为由碳化钨和/或硬质合金制作而成的结构体。

4.根据权利要求 1-3 中任意一项所述的 PDC 钻头，其特征在于，所述凹槽另一端贯通至所述第一切削齿的侧面，沿PDC齿的前工作面指向PDC齿的后工作面的方向，所述凹槽的横截面尺寸逐渐减小。

5.根据权利要求 1-3 中任意一项所述的 PDC 钻头，其特征在于，所述凹槽另一端贯通至所述第一切削齿的后工作面。

6.根据权利要求 1所述的 PDC 钻头，其特征在于，所述第二切削齿为锥形齿或斧型齿，或所述第二切削齿与所述第一切削齿同结构设置。

7.根据权利要求 6 所述的 PDC 钻头，其特征在于，所述第二切削齿的出刃高度小于或等于所述第一切削齿的出刃高度。

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