CN117514016A - 一种反装齿pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反装齿PDC钻头，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，包括钻头体，延伸至钻头体的若干个刀翼，以及布置在钻头体上的水眼或喷嘴，刀翼上设置有切削齿，至少有一个刀翼上的若干颗PDC齿的工作面背离切削运动方向，且所述PDC齿的工作面与已切削岩石表面的夹角α范围为0度≤α≤45度。这种结构可以降低切削齿的磨损，加速切削齿的出刃，增加破岩时的比压。
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，具体的讲涉及一种反装齿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，常用的有PDC钻头和牙轮钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、能自锐的PDC齿来剪切破碎岩石，PDC钻头由于在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长、成本低，在钻井工程中得到广泛使用。现有的以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件(对PDC钻头，切削元件主要是PDC齿，简称复合片或PDC齿)。但当钻到硬地层时，PDC齿的磨损加剧，PDC齿出刃慢，比压低，PDC钻头的鼻部和肩部上的切削齿很难有效吃入地层，从而大大降低了机械钻速。
现有技术中的PDC齿一般为圆柱体，由金刚石层与硬质合金基体组成，制造方式是采用金刚石微粉与硬质合金基体在超高压高温条件下烧结。PDC齿金刚石层的厚度一般为1-3mm，直径一般为8-19mm。在制造PDC钻头时，将PDC齿的硬质合金基体焊接在钻头体上的齿窝里，露出金刚石层，通常来讲，我们将PDC齿金刚石层与岩石接触的那一面称为该齿的工作面，常规PDC齿的工作面是平面，具有曲面工作面的复合片一般被称为非平面复合片或3D复合片。
复合片切削岩石时，其工作面直接与岩石接触。如图2中的（a）图所示，由于钻头的高速转动，切削齿在切削地层时会剧烈摩擦，PDC齿的金刚石层1先接触岩石，因此先磨损，然后硬质合金基体2才磨损，PDC齿与岩石的接触面积会越来越大，整个过程会导致PDC齿的比压越来越低，破岩效率也会越来越差。本发明采用的方式是将PDC齿的工作面背离钻头切削运动方向，如图2中的(b)图所示，在切削过程中，硬质合金基体2与金刚石层1同时接触岩石，而硬质合金基体2的硬度小于金刚石层1，所以硬质合金基体2先磨损，则金刚石层1可以快速露出，即PDC齿的出刃速度要比传统安装方式快，破岩效率要更高；又因为硬质合金基体2磨损速度较快，所以反装齿PDC钻头破岩时一直可以保持较高的比压，从而增加钻速。
覆盖布齿图：如图1所示，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。
发明内容
本发明的目的在于使PDC齿的工作面背离切削运动方向，从而改变金刚石层和硬质合金基体的磨损顺序，达到降低PDC齿磨损速度、增加PDC齿寿命、增加PDC齿出刃速度和增加PDC齿比压的效果。
在制造PDC钻头时，将PDC齿的硬质合金基体焊接在钻头体上的齿窝里，露出金刚石层，通常来讲，我们将PDC齿金刚石层与岩石接触的那一面称为该齿的工作面。
本技术的关键是使PDC齿的工作面背离切削运动方向。传统PDC钻头上的PDC齿的工作面是朝向切削方向的，即工作面的前方为未切削的岩石(工作面与未切削岩石表面之间有45°以内的夹角)。本发明钻头上的PDC齿的工作面背离切削运动方向，且PDC齿的工作面与已切削岩石表面的夹角为0度≤α≤45度。采用这种安装方式的PDC齿称之为反装PDC齿（简称反装齿）。反装PDC齿的工作面是金刚石层与硬质合金基体接触的那一面。反装PDC齿的工作模式是，当金刚石层和硬质合金基体一起压入岩石时，硬质合金基体与金刚石层一起开始破岩，但是由于硬质合金基体磨损速度大于金刚石层，在工作过程中，硬质合金基体先于金刚石层磨损。常规方式安设的PDC齿，其金刚石层首先与地层接触，当金刚石层磨损到一定程度后，硬质合金基体才会与岩石接触。对比两种安装的破岩工作方式，反装PDC齿更加耐磨。另外，反装PDC齿这种硬质合金基体先于金刚石层磨损的工作模式，可使金刚石层快速出刃，即提高了金刚石层的出刃速度，可获得较高的比压，进而提高破岩效率。
进一步选择，反装PDC齿工作面上设置有倒角或倒圆角。
上述方案中，反装PDC齿在保持自身优点的前提下，可以提高耐冲击性能。
进一步选择，反装PDC齿整体为圆柱体或圆台体。
上述方案中，相对于圆柱体反装PDC齿，圆台体反装PDC齿在切削岩石时，工作面前方的硬质合金基体体积要有所下降，则PDC齿的出刃速度会加快，钻进速度也会加快。
进一步选择，反装PDC齿工作面为椭圆形。
上述方案中，椭圆形工作面的存在会使PDC齿在刚压入岩石时获得很高的比压，能使钻头更快、更容易地吃入岩石；椭圆形金刚石含量要比同等尺寸下的普通PDC齿要高，因此具有更高的耐磨性和寿命。
进一步选择，反装PDC齿可以设置在钻头上任意位置，而其他位置仍然用普通PDC齿。
上述方案中，反装PDC齿可以安设在钻头的内锥、冠顶及外锥处，根据不同的地层条件选择不同的安设位置，同时配合常规普通PDC齿的安设方式，使钻头对地层有更高的针对性。
进一步选择，反装PDC齿安设于PDC-牙轮复合钻头、交叉刮切复合钻头或冲击刮切复合钻头上。
上述方案中，PDC-牙轮复合钻头、交叉刮切复合钻头或冲击刮切复合钻头将PDC钻头和其他类型钻头的破岩优势有机结合起来的复合钻头，目的是进一步增强现有PDC钻头的破岩性能，因此根据不同的其他复合钻头类型以及钻头不同位置区域的需要，采用安装反装PDC齿的方案，进一步增强钻头的破岩能力，提高钻头性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用反装PDC齿，硬质合金基体与金刚石同时参与了破岩工作，使得PDC齿更加耐磨；特别的安装方式也使得PDC齿比压高，更容易吃入岩石；同时，磨损顺序的改变也让PDC齿出刃更快。这些优点增加了钻头整体的寿命，提高的破岩效率，增加了钻进速度。
附图说明
图1是反装PDC齿布置在PDC钻头外锥处的示意图。
图2是普通PDC齿破岩与反装PDC齿破岩示意图。
图3是装有反装PDC齿的钻头示意图及其所设置的反装PDC齿的三维图。
图4是装有圆台体反装PDC齿的钻头及其所设置的圆台体反装PDC齿的三维图。
图5是装有椭圆形工作面反装PDC齿的钻头的示意图及其所设置的椭圆形工作面反装PDC齿的三维图。
图6为反装PDC齿安装在PDC-牙轮复合钻头上示意图。
其中1-金刚石层；2-硬质合金基体；3-已切削岩石表面；4-岩石；5-刀翼；6-PDC齿；7-钻头体；8-水眼；9-反装PDC齿工作面；10-牙轮；11-牙轮齿。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
实施例1，参见图3，一种反装PDC钻头，其特征在于：PDC齿6的反装PDC齿工作面9背离切削运动方向，且所述PDC齿6的反装PDC齿工作面9与已切削岩石表面3的夹角α范围为0度≤α≤45度。加工方式是先制造钻头体7，然后造出刀翼5，再在钻头体7上钻出水眼8、安装PDC齿6。所述安装方式，增加了PDC齿6的整体耐磨性，从而增加了寿命；硬质合金基体2的磨损增加了比压，使PDC齿6出刃更快，使钻进效率更高，钻速更快。
实施例2，参见图4，本实施例与实施例1基本相同，常规PDC齿6为圆柱体，将原来的圆柱体PDC齿6改为圆台体PDC齿6 ，圆台体PDC齿6会减少该齿在破岩时反装PDC齿工作面9前方的硬质合金基体2。
实施例3，参见图5，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将PDC齿6的反装PDC齿工作面9改为椭圆形, 椭圆形反装PDC齿工作面9的存在会使PDC齿6在刚压入岩石4时获得很高的比压，能使钻头更快、更容易地吃入岩石4；椭圆在长轴的金刚石含量要比同等尺寸下的要高，因此具有更高的耐磨性和寿命。
实施例4，参见图1，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：将PDC钻头的内锥部分和冠顶部分改用普通PDC齿6，外锥部分仍然用反装PDC齿6。主要是由于外锥处PDC齿6的线速度大，较其他区域PDC齿，外锥处磨损快，在外锥处安设反装PDC齿6可以提高外锥处抗磨损能力，进而提高钻头寿命。也可以设置在冠顶或内锥部分，利用该齿的自锐能力以提高钻头整体侵入能力，进而提高钻头钻速。根据在钻头不同位置安设反装PDC齿6设计的钻头可以对地层有更高的针对性。
实施例5，参见图6，本实施例与实施例1基本相同，区别在于：反装PDC齿6安设于PDC-牙轮复合钻头，交叉刮切复合钻头或冲击刮切复合钻头上，当然，反装PDC齿6还可以安设于其他类型的具有多种破岩方式的复合钻头上。如图6所示为反装PDC齿6安设于PDC-牙轮复合钻头上的示意图。
Claims (6)
1.一种反装齿PDC钻头，包括钻头体，延伸自钻头体的刀翼，以及刀翼上设置的PDC齿，其特征在于：所述PDC齿的工作面背离切削运动方向，且所述PDC齿的工作面与已切削岩石表面的夹角α范围为0度≤α≤45度。
2.根据权利要求1所述的一种反装齿PDC钻头，其特征在于：所述PDC齿整体为圆柱体或圆台体。
3.根据权利要求1所述的一种反装齿PDC钻头，其特征在于：所述PDC齿工作面上设置有倒角或倒圆角。
4.根据权利要求1所述的一种反装齿PDC钻头，其特征在于：所述PDC齿工作面为椭圆形。
5.根据权利要求1所述的一种反装齿PDC钻头，其特征在于：所述夹角α根据所述PDC齿在PDC钻头上的设置位置不同而设定。
6.根据权利要求1所述的一种反装齿PDC钻头，其特征在于：所述PDC齿安设于PDC-牙轮复合钻头、交叉刮切复合钻头或冲击刮切复合钻头上。
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