CN204663401U - 一种提高心部破岩效率的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高心部破岩效率的PDC钻头，属于钻井技术领域中的石油天然气、地质勘探用的钻井钻头，其目的在于提供一种破岩效率高、钻进速度快的提高心部破岩效率的PDC钻头。其技术方案为：包括连接头和与连接头连接的钻头本体，钻头本体冠部的外表面上分布有多条刀翼，相邻两条刀翼之间形成排屑槽，排屑槽内设置有安装在钻头本体上的水孔喷嘴；钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，中心锥形切削齿与钻头本体同轴线；刀翼上设置有主切削单元，主切削单元包括圆柱形切削齿和临齿，临齿位于刀翼上靠近中心锥形切削齿的一侧。本实用新型适用于石油天然气、地质勘探过程中所使用的PDC钻头。

Description

一种提高心部破岩效率的PDC钻头

技术领域

本实用新型属于钻井技术领域，涉及石油天然气、地质勘探用的钻井钻头，尤其涉及一种石油天然气、地质勘探用的提高心部破岩效率的PDC钻头。

背景技术

目前，PDC钻头、天然金刚石钻头、孕镶钻头等被广泛用于油气开采和地质勘探，并取得了突出的使用效果。

PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，其是地质钻探以及钻井工程等行业中最主要的破岩工具之一。PDC钻头的冠部剖面通常可划分为：内锥顶点、内锥面、鼻部、肩部、外肩部、保径。PDC钻头上的切削齿以合适的角度沿钻头径向布置在钻头冠部的刀翼上，布置在刀翼上的切削齿通过刮切或剪切的方式实现破岩。

如申请号为201320421816.2的实用新型专利就公开了一种定向钻井钢体PDC钻头，该PDC钻头包括钻头体和刀翼，刀翼上安设有复合片切削齿，在刀翼的肩部上方为保径段，其特征在于所述的保径段斜面敷焊耐磨材料层。本实用新型结构简单，工艺简便，制作成本低；在定向钻进长时间的频繁短起操作中，能够有效减少保径段斜面的磨损，从而避免定向井钢体PDC 钻头因保径段先期失效导致钻头失效，单只定向井钢体PDC 钻头的钻进进尺因此提高了10%~25%，从而延长钻头使用寿命；斜面上开设有凹坑和凹槽可使耐磨敷焊层与保径段斜面咬合得更为牢固，更有效的保护钢体PDC 钻头的保径段斜面。但是，该PDC钻头与常规的PDC钻头都存在一个共同的问题，即由于布置在刀翼内锥部分上的切削齿更靠近钻头旋转中心，而越靠近旋转中心其切削齿的线速度也越小，切削齿的切削速度越小越不利于切削齿的破岩，最终导致破岩效率较低，严重影响了PDC钻头钻进速度。

发明内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种提高心部破岩效率的PDC钻头，通过改变PDC钻头内锥切削齿的破岩方式来提高钻头内锥切削齿的破岩效率，提高钻头的钻进速度。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种提高心部破岩效率的PDC钻头，包括连接头和与连接头连接的钻头本体，所述钻头本体冠部的外表面上分布有多条刀翼，相邻两条刀翼之间形成排屑槽，所述排屑槽内设置有安装在钻头本体上的水孔喷嘴；所述钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，所述中心锥形切削齿与钻头本体同轴线；所述刀翼上设置有主切削单元，所述主切削单元包括圆柱形切削齿和临齿，所述临齿位于刀翼上靠近中心锥形切削齿的一侧。

作为本实用新型的优选方案，所述中心锥形切削齿包括硬质合金基座和锥形金刚石层，所述硬质合金基座与刀翼连接，所述锥形金刚石层与硬质合金基座连接，且所述锥形金刚石层的锥角为60°至120°。

作为本实用新型的优选方案，所述中心锥形切削齿的直径D为10mm至30mm。

作为本实用新型的优选方案，所述中心锥形切削齿的出刃高度大于临齿的出刃高度，且所述中心锥形切削齿与临齿的出刃高度差H为0至20mm。

作为本实用新型的优选方案，所述中心锥形切削齿与临齿的最小距离L为2至6mm。

作为本实用新型的优选方案，所述刀翼上的主切削单元和/或副切削单元上设有一组或多组PDC切削齿单元，所述PDC切削齿单元突出钻头刀翼外轮廓面的距离y均大于主切削单元突出钻头刀翼外轮廓面的距离x、副切削单元突出钻头刀翼外轮廓面的距离z。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、          本实用新型中，钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，当钻进过程中，压力通过钻头上的中心锥形切削齿钻压至钻进岩层，中心锥形切削齿以挤压的方式压裂破碎钻进岩层，或者将钻进岩层沿中心锥形切削齿锥形面向四周挤压钻进岩层并使钻进岩层变形，便于邻近的具有较高切削速度的临齿或者圆柱形切削齿破碎岩石，提高钻头内锥切削齿的破岩效率，提高钻头的钻进速度。

2、          本实用新型中，中心锥形切削齿的出刃高于临齿的出刃，因而可有效减少钻头的振动，钻头旋转钻进时更稳定，延长钻头使用寿命，同时心部锥形切削齿设计利于岩屑向井壁方向流动，使岩屑疏导排屑更容易。

3、          本实用新型中，刀翼的主切削单元和/或副切削单元上设有一组或多组PDC切削齿单元，由于PDC切削齿单元的存在，因而在钻头钻进时，井底岩石表面将形成一个或多个更深同心的环形凹槽，且环形凹槽可有效地限制PDC切削齿的径向移动，从而有效抑制了钻头的横向振动，钻头的抗振效果较好。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的切削原理结构示意图；

图3为本实用新型的钻头本体冠形示意图；

图4为本实用新型另一实施例中钻头的结构示意图；

图5为本实用新型中PDC切削单元覆盖示意图；

图6为本实用新型中PDC切削单元的钻井示意图；

其中，附图标记为：1—钻头本体、2—刀翼、3—保径、4—主切削单元、5—副切削单元、6—排屑槽、7—水孔喷嘴、8—卸扣槽、10—钻头轴线、45—钻头刀翼外轮廓面、46—环形凹槽、49—PDC切削齿单元、41—邻齿、22—中心锥形切削齿、42—圆柱形切削齿、221—钻头中心线、14—岩石层、31—内锥顶点、32—内锥面、33—鼻部、34—肩部、35—外肩部。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种提高心部破岩效率的PDC钻头，连接头21和钻头本体1，该连接头21与钻头本体1连接为一个整体。该连接头21上设置有接头螺纹，该连接头21通过接头螺纹与外部器件连接。钻头本体1上靠近连接头21一侧的外表面上设置有卸扣槽8，该卸扣槽8可沿钻头本体1的周向设置多个。钻头本体1的冠部位置的外表面上分布有多条刀翼2，每条刀翼2的长度方向与钻头本体1的钻头轴线10方向一致，多条刀翼2在钻头本体1上沿钻头本体1的周向均匀分布，且相邻两条刀翼2之间留有一定距离的间隙，并在相邻两条刀翼2之间形成用于排屑的排屑槽6，且排屑槽6内设置有若干安装于钻头本体1上的水孔喷嘴7。

钻头本体1的冠形呈对称分布，其主要包括依次连接的内锥顶点31、内锥面32、鼻部33、肩部34、外肩部35和保径3，内锥顶点31位于钻头本体1的中心位置处。在钻头本体1冠部的内锥顶点31处（即个刀翼2顶部的集结处）设置有中心锥形切削齿22，该中心锥形切削齿22与钻头本体1的同轴线。

每条刀翼2上均安装有主切削单元4和副切削单元5，其中主切削单元4和副切削单元5在刀翼2上呈双排设置，一排为主切削单元4，另一排为副切削单元5。作为优选，主切削单元4和副切削单元5中均包括圆柱形切削齿和锥形切削齿两种切削齿，圆柱形切削齿和锥形切削齿均混合安装在主切削单元4和副切削单元5上，使得刀翼2上设置的两种切削齿均衡分布，覆盖整个井底。该主切削单元4包括圆柱形切削齿42和临齿41，该临齿设置在刀翼2上靠近中心锥形切削齿22的一侧，而圆柱形切削齿42沿钻头刀翼外轮廓面45向远离中心锥形切削齿22的一侧均匀设置。

钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，当钻进过程中，压力通过钻头上的中心锥形切削齿钻压至钻进岩层，中心锥形切削齿以挤压的方式压裂破碎钻进岩层，或者将钻进岩层沿中心锥形切削齿锥形面向四周挤压钻进岩层并使钻进岩层变形，便于邻近的具有较高切削速度的临齿或者圆柱形切削齿破碎岩石，提高钻头内锥切削齿的破岩效率，提高钻头的钻进速度。

实施例2

在实施例一的基础上，该中心锥形切削齿22由硬质合金基底和锥形金刚石层两部分组成，该硬质合金基座与刀翼连接，该锥形金刚石层与硬质合金基座连接。锥形切削齿用于压碎钻遇的岩层，或将钻遇岩层沿锥形切削齿锥形面向四周挤压变形利于邻近具有较高切削速度的常规切削齿破碎岩石。由于采用了硬质合金基底和锥形金刚石层组成的中心锥形切削齿22，不仅硬质合金基底强度高，且锥形金刚石层耐磨，可有效解决上述问题。

作为优选，所述锥形金刚石层的锥角范围为60°～120°，本实施例中锥形金刚石层的锥角范围为75°。锥形金刚石层的尖部即为锥形切削齿的工作部位，起到对钻遇岩层的切割粉碎作用。当锥角过小时，锥形金刚石层的尖部过尖，则其性能较差，尖部较为脆弱，极易在碎石时崩刃，从而失去碎石效果，且使用寿命短；而当锥角过大时，则锥形金刚石层的尖部过钝，碎石效果较差，影响碎石效率；因此，在综合考虑锥形金刚石层整体性能和碎石效果后，经过多次实践和改良，当锥形金刚石层的锥角范围在60°~120°之间时，锥形金刚石层的整体性能和碎石效果达到了一个平衡，能同时满足二者的基本要求。

实施例3

在实施例一或实施例二的基础上，所述中心锥形切削齿的直径D为10mm至30mm。所述中心锥形切削齿的出刃高度大于临齿的出刃高度，且所述中心锥形切削齿与临齿的出刃高度差H为0至20mm。所述中心锥形切削齿与临齿的最小距离L为2至6mm。

实施例4

在上述实施例的基础上，主切削单元4和/或副切削单元5上设有一组或多组PDC切削齿单元49，该PDC切削齿单元49末端突出钻头刀翼2外轮廓面45距离y，该主切削单元4末端突出钻头刀翼2外轮廓面45距离x，副切削单元5末端突出钻头刀翼2外轮廓面45距离z，且距离x、y、z满足关系：y＞x≥z或者y＞z≥x。由于主切削单元4和/或副切削单元5上有PDC切削齿单元49，因而在钻头钻井的过程中，PDC切削齿单元49将在钻进岩层14表面上产生多个通行的环形凹槽46，这些环形凹槽46能够有效地限制切削齿的径向位移，从而起到抑制钻头横向振动的作用。当同一组PDC切削齿单元49中包含有多颗PDC切削齿时，多颗切削齿在钻头本体1半径平面内的位置相同，即多颗PDC切削齿的y值相等，且PDC切削齿到钻头轴线10的距离r相等。PDC切削齿单元49中的PDC切削齿可分布在不同的刀翼上，也可分布在同一个刀翼上。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高心部破岩效率的PDC钻头，包括连接头（21）和与连接头（21）连接的钻头本体（1），所述钻头本体（1）冠部的外表面上分布有多条刀翼（2），相邻两条刀翼（2）之间形成排屑槽（6），所述排屑槽（6）内设置有安装在钻头本体（1）上的水孔喷嘴（7）；其特征在于：所述钻头本体（1）冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿（22），所述锥形切削齿（6）与钻头本体（1）同轴线；所述刀翼（2）上设置有主切削单元（4），所述主切削单元（4）包括圆柱形切削齿（42）和临齿（41），所述临齿（41）位于刀翼（2）上靠近中心锥形切削齿（22）的一侧。

2.如权利要求1所述的一种提高心部破岩效率的PDC钻头，其特征在于：所述中心锥形切削齿（22）包括硬质合金基座和锥形金刚石层，所述硬质合金基座与刀翼（2）连接，所述锥形金刚石层与硬质合金基座连接，且所述锥形金刚石层的锥角为60°至120°。

3.如权利要求2所述的一种提高心部破岩效率的PDC钻头，其特征在于：所述中心锥形切削齿（22）的直径D为10mm至30mm。

4.如权利要求2所述的一种提高心部破岩效率的PDC钻头，其特征在于：所述中心锥形切削齿（22）的出刃高度大于临齿（41）的出刃高度，且所述中心锥形切削齿（22）与临齿（41）的出刃高度差H为0至20mm。

5.如权利要求2所述的一种提高心部破岩效率的PDC钻头，其特征在于：所述中心锥形切削齿（22））与临齿（41）的最小距离L为2至6mm。

6.如权利要求1-5中任一所述的一种提高心部破岩效率的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼（2）上的主切削单元（4）和/或副切削单元（5）上设有一组或多组PDC切削齿单元（49），所述PDC切削齿单元（49）突出钻头刀翼外轮廓面（45）的距离y均大于主切削单元（4）突出钻头刀翼外轮廓面（45）的距离x、副切削单元（5）突出钻头刀翼外轮廓面（45）的距离z。