CN112459725A - 一种地热井用pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地热井用PDC钻头，包括钻头体、切削齿、喷嘴和刀翼，刀翼设置于钻头体上，切削齿固定在刀翼上。至少一个刀翼上设有至少一个在该刀翼厚度方向上贯穿的刀翼内流道。刀翼内流道的存在，可以最大限度的增加钻头周围钻井液的流动性能，提高刀翼和切削齿的散热能力，保持钻头在低于周围地层温度的环境下工作。同时岩屑在前刀翼面上依附所需要的泥包床面积减小，极大的降低了岩屑在刀翼面上堆积的可能，从而达到降低引发钻头泥包风险的目的。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，具体涉及一种用于地热钻井的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，PDC钻头大都采用刀翼式结构，切削齿分布在若干个刀翼上，相邻刀翼之间所围成的区域构成钻头的排屑空间，这样从喷嘴流出的钻井液经相邻刀翼之间的流体通道进入井筒环空，从而达到清洗、冷却切削齿目的。目前这种刀翼式PDC钻头的刀翼均采用实体刀翼，实体刀翼将刀翼两侧的钻井液分割开，降低了钻井液在钻头周围的流动性能。一方面实体刀翼占据了一部分钻头空间，也就降低了钻头所能容纳的钻井液量，钻井液所能吸收的热量也就大打折扣。另一方面，实体刀翼散热能力较差。第三，当钻遇软地层时，岩屑容易在切削齿工作面一侧的刀翼面(前刀翼面)上吸附、堆积，进而造成钻头泥包，导致钻头失效。
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，同时防止钻头的泥包失效。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种PDC钻头，包括钻头体、切削齿、喷嘴和刀翼，刀翼设置于钻头体上，切削齿固定在刀翼上，其特征在于：至少一个刀翼上设有至少一个在该刀翼厚度方向上贯穿的刀翼内流道。
作为选择，刀翼内流道为圆形孔，椭圆孔，多边形孔、曲面孔等形状，或者它们的组合。
进一步的，刀翼内流道为圆形孔。
上述方案中，不同的钻头形状、不同的地层性质和地层温度、不同的钻井液类型等，决定了钻头需要不同的水力条件和刀翼强度，如对于钻进温度高，但比较软的地层时钻头容易泥包，就可以根据钻头的刀翼的形状采用曲面孔，以最大程度的增大刀翼排屑通道，从而降低钻头泥包的可能性。对于钻进温度高，但地层比较硬的地层时，就要加大钻头所需要的钻压，为了使切削齿在有良好冷却效果的同时，还需要考虑刀翼的强度，这就需要适当减小刀翼排屑通道，以增强刀翼的强度，如采用大小不一的圆形排屑槽。
作为选择，刀翼内流道与外刀翼面之间的最小厚度不小于切削齿最小直径。
上述方案中，一方面是使刀翼上具有足够的空间安装切削齿，另一方面是保证刀翼具有足够的强度。
作为选择，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。
本发明的有益效果：
本发明能显著提高钻头切削齿周围钻井液的含量，能够改善在高温地热钻井中切削齿的冷却效果，减轻切削齿的热磨损，进而延长钻头的使用寿命。
①由于钻头刀翼上开设的内流道，将常规PDC钻头的实体刀翼设计成镂空刀翼的结构，最大限度的增加钻头周围钻井液的流动性能，提高刀翼和切削齿的散热能力，保持钻头在低于周围地层温度的环境下工作。
②钻头刀翼上开设的内流道，增加了排屑空间的体积，提高了排屑通道的宽广度和流畅度，同时岩屑在前刀翼面上依附所需要的泥包床面积减小，极大的降低了岩屑在刀翼面上堆积的可能，从而达到降低引发钻头泥包风险的目的。
附图说明
图1为常规PDC钻头采用的实体刀翼的立体图。
图2为刀翼内流道为圆形孔的结构示意图。
图3为切削齿齿孔距刀翼内流道的空间最小距离示意图。
图4为刀翼内流道为不规则孔的结构示意图。
图5为从刀翼背面看的不规则的刀翼内流道结构示意图。
图6为刀翼内流道延伸至刀翼靠近钻头中心线内侧面的结构示意图。
图中标记相应名称：1—本体；2—刀翼；3—切削齿；4—喷嘴；5—排屑槽；6—刀翼内流道；7—钻头轴线。
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。
本发明实施例提供了一种用于地热钻井的PDC钻头，包括钻头体1、切削齿3、喷嘴4和刀翼2，刀翼设置于钻头体上，切削齿固定在刀翼上，至少一个刀翼上设有至少一个贯穿前刀翼面和后刀翼面的刀翼排屑通道。
常规PDC钻头的结构示意图如图1所示，包括钻头体1、刀翼2、切削齿3和喷嘴4等。刀翼2设置于钻头体1上，切削齿3固定于刀翼2上。刀翼与钻头体之间所围成的空间区域形成排屑槽5，从喷嘴流出的钻井液经排屑槽5进入井筒环空返回地面。现有常规PDC钻头的刀翼普遍为实体刀翼。
本专利中，刀翼2与钻头体1所围成的空间区域形成排屑槽5，这与常规钻头是一致的，而本专利还在刀翼2上开设了刀翼内流道6。在钻头工作过程中，从喷嘴4中喷出的钻井液一部分进入刀翼2和钻头体1所围成的空间区域，一部分进入刀翼排屑槽5，然后经井筒环空返回地面。刀翼2上设置刀翼内流道6，最大限度的增加钻头周围钻井液的流动性能，提高刀翼2和切削齿3的散热能力，保持钻头在低于周围地层温度的环境下工作。同时岩屑在刀翼面上依附所需要的泥包床面积减小，极大的降低了岩屑在刀翼面上堆积的可能，从而达到降低引发钻头泥包风险的目的。
作为优选方案，刀翼内流道为圆形孔。如图2所示为刀翼内流道6为圆形孔。容易想到，刀翼2上可设置多个圆形的内流道。
刀翼内流道6还可以为椭圆孔、多边形孔、喇叭孔、矩形孔等形状，或者它们的组合，如图3为内流道为喇叭孔。
作为优选方案，如图3所示，为了保证刀翼上有足够的固定切削齿的空间，切削齿齿孔距刀翼内流道的空间最小距离不小于切削齿最小直径。一方面是使刀翼上具有足够的空间安装切削齿，保证固齿强度，另一方面是保证刀翼具有足够的强度。
如图4所示，可以根据钻头冠部上各部位切削齿的受力状况将刀翼内流道设计成不规则的形状。切削齿受力大的部位，刀翼表面与刀翼内流道之间的距离设置的大些，相反，切削齿受力小的部位，刀翼表面与刀翼内流道之间的距离设置的小些。图5为不规则的刀翼内流道从刀翼背面看的结构示意图。
如图6所示为刀翼内流道贯穿刀翼体的另外一种结构形式，即至少一个刀翼内流道延伸至刀翼靠近钻头轴线7的内侧面，这样可以更进一步的增大流道的空间，冷却效果更好。
Claims (4)
1.一种地热井用PDC钻头，包括钻头体、切削齿、喷嘴和刀翼，刀翼设置于钻头体上，切削齿固定在刀翼上，其特征在于：至少一个所述刀翼上设有至少一个在该刀翼厚度方向上贯穿的刀翼内流道。
2.根据权利要求一所述的地热钻井PDC钻头，其特征在于：所述刀翼内流道与外刀翼面之间的最小厚度不小于切削齿最小直径。
3.根据权利要求一所述的地热钻井PDC钻头，其特征在于：所述刀翼内流道为圆形孔，椭圆孔，多边形孔、曲面孔等形状，或者它们的组合。
4.根据权利要求一所述的适用于高温钻井的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。
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