CN205532304U - 适用于泥岩地层的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于泥岩地层的PDC钻头，其包括：钻头本体，其内沿轴向设有注水腔，所述钻头本体的底部设有多个水嘴，多个所述水嘴与所述注水腔相连通；多个刀翼，其沿圆周方向等间隔连接在所述钻头本体的端部，所述刀翼的一侧并排设有多个前排切削齿，所述刀翼的顶面设有多个后排切削齿，所述后排切削齿的高度高于所述前排切削齿的高度。本实用新型的适用于泥岩地层的PDC钻头，其刀翼上设有两排切削齿，后排切削齿比前排切削齿高，可减小前排切削齿切削地层的阻力，提高了钻井效率。

Description

适用于泥岩地层的PDC钻头

技术领域

本实用新型有关于一种PDC钻头，尤其有关于一种油田钻探领域中应用的适用于泥岩地层的PDC钻头。

背景技术

随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，钻井难度越来越大，为了降低钻井综合成本，对钻头的质量提出了更高的要求。自PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)上世纪八十年代问世以来，因具有平均机械钻速高、进尺多、寿命长等特点，已逐渐成为石油、天然气工业广泛推广应用的一种高效破岩工具，随着人们对新一代PDC钻头认识的不断深入，它的生产技术也不断提高，使用量逐年增加。

PDC(Polycrystalline diamond compact)是一种将人造聚晶金刚石与碳化钨基座高温高压下焊接在一起的切削元件，以此为主要切削元件的PDC钻头自问世以来，设计技术与加工工艺不断进步，现在国外大公司已经形成从钻头设计到基体的数控加工程序全部由计算机完成。而国内至今无此能力，国内的钻头制造技术基本还停留在起步阶段，靠的是作坊式的手工制作，无法适应现代生产的需要。随着国内PDC产业的发展，先进的设计、制造技术及完善的质量保证体系将是在市场竞争中取胜的关键因素。

上世纪七十年代初，美国正式发明成功PDC钻头，此后该钻头在世界范围内得到了非常普遍的应用。后来，国内许多科研院校、石油企业厂矿、石油工具厂先后投入了大量的人力物力，进行PDC钻头的设计、研究、试验、开发，从上世纪八十年代中期开始，有多个厂家的不同PDC钻头产品在国内各大油田得到试验和应用。

目前的PDC钻头的切削齿为圆柱形切削齿复合片，这些复合片在刀翼上以单行排列为主，在钻遇软地层时，钻速较快，而一旦遇到坚硬地层时，对复合片会产生直接作用，造成圆柱形切削齿顶部磨损，复合片高度逐渐减低，最终导致PDC钻头寿命缩短、钻头效率下降，只能更换钻头，影响效率。

另外，目前还有一种双排齿PDC钻头，刀翼上具有前后两排圆柱形切削齿复合片，后排切削齿复合片的高度低于前排切削齿复合片的高度1mm～2mm，当前排切削齿复合片磨损到一定程度后，前后切削齿复合片同时作用于地层。这种PDC钻头较上面的单排齿PDC钻头来说，其寿命得到了一定程度的延长，但仍属于被动的磨损地层，效率仍然较低。

因此，有必要提供一种新型的PDC钻头，来克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种适用于泥岩地层的PDC钻头，其刀翼上设有两排切削齿，且后排切削齿比前排切削齿高，可减小前排切削齿切削地层的阻力，提高了钻井效率。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本实用新型提供一种适用于泥岩地层的PDC钻头，所述适用于泥岩地层的PDC钻头包括：

钻头本体，其内沿轴向设有注水腔，所述钻头本体的底部设有多个水嘴，多个所述水嘴与所述注水腔相连通；

多个刀翼，其沿圆周方向等间隔连接在所述钻头本体的端部，所述刀翼的一侧并排设有多个前排切削齿，所述刀翼的顶面设有多个后排切削齿，所述后排切削齿的高度高于所述前排切削齿的高度。

在优选的实施方式中，所述后排切削齿的高度比所述前排切削齿的高度高2mm～3mm。

在优选的实施方式中，所述后排切削齿朝向所述前排切削齿的一侧设有凹槽，所述凹槽的深度为2mm～2.5mm。

在优选的实施方式中，所述凹槽的侧边与所述后排切削齿的顶面之间的夹角为锐角θ。

在优选的实施方式中，所述锐角θ为15度～30度。

在优选的实施方式中，所述前排切削齿与所述后排切削齿之间的距离为1.5mm～2mm。

在优选的实施方式中，所述前排切削齿的高度为h，刀翼常数为N，地层可钻极值为k，所述后排切削齿的钢材抗压强度为σ，所述PDC钻头的直径为R，所述后排切削齿的中点到所述PDC钻头的中心的距离为r，所述后排切削齿的高度H为：

$H=h+N\frac{\mathrm{\σ}}{k}\sqrt{Rr}.$

在优选的实施方式中，所述刀翼的个数为六个，所述刀翼常数N为0.013。

本实用新型的适用于泥岩地层的PDC钻头的特点及优点是：该适用于泥岩地层的PDC钻头，在每个刀翼上均设置有两排切削齿，前排切削齿为常规圆柱形切削齿，后排切削齿设计为弯刀型形状，又称尖犁型形状，且后排切削齿的高度比前排切削齿的高度高2mm～3mm，因此，在使用本实用新型的PDC钻头钻井的过程中，后排切削齿首先在钻岩上划出多道破裂纹，就像犁地一样先降低岩石的强度，减小前排切削齿切削地层的阻力，提高了钻井效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1为本实用新型的适用于泥岩地层的PDC钻头的主视剖视示意图。

图2为本实用新型的适用于泥岩地层的PDC钻头的仰视示意图。

图3为图2中的A-A向剖视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种适用于泥岩地层的PDC钻头，其包括钻头本体1和多个刀翼2，其中：钻头本体1内沿轴向设有注水腔11，所述钻头本体1的底部设有多个水嘴12，多个所述水嘴12与所述注水腔11相连通；多个刀翼2沿圆周方向等间隔连接在所述钻头本体1的端部，所述刀翼2的一侧并排设有多个前排切削齿21，所述刀翼的顶面设有多个后排切削齿22，所述后排切削齿22的高度H高于所述前排切削齿21的高度h。

具体是，钻头本体1大体呈圆柱体形，其内沿轴向设有注水腔11，钻头本体1的底部设有多个水嘴12，多个水嘴12与注水腔11相连通，钻井液注入注水腔11后，通过多个水嘴12喷出钻头本体1。在本实施例中，钻头本体1具有三个水嘴12(图1中仅示意性绘制出两个水嘴12)，当然，在其他的实施例中，水嘴12的数量并不以此为限，水嘴12的数量可根据钻头本体1的直径大小以及实际开采需要进行选择。钻头本体1的一端形成有连接头13，该连接头13用于将钻头本体1连接在井下钻具上。

请配合参阅图2所示，多个刀翼2沿圆周方向等间隔地连接在钻头本体1远离其连接头13的一端，在本实用新型中，在钻头本体1的端部连接有六个刀翼2，其包含三个主刀翼23和三个副刀翼24，两两相邻的两个主刀翼23之间设有一个副刀翼24，也即，主刀翼23和副刀翼24交错设置，三个主刀翼23沿钻头本体1的径向设置在钻头本体1的端部，主刀翼23的横截面沿钻头本体1的径向向内的方向由大端至小端逐渐收缩，三个主刀翼23的小端在钻头本体1的中心处汇聚，三个副刀翼24位于钻头本体1端部的肩部处；水嘴12分布在钻头本体1的端部中心处，两个相邻的主刀翼23之间设有一个水嘴12，注入注水腔11中的钻井液通过多个水嘴12喷出，为该PDC钻头在钻进的过程中，提供钻进所需的压力，同时清洁刀翼2上的多个前排切削齿21和多个后排切削齿22，防止泥岩包住前排切削齿21和后排切削齿22的情况发生；另一方面，自多个水嘴12喷出的钻井液，也可对PDC钻头钻遇泥岩后产生的岩屑进行排除，使岩屑在水压的作用下，自PDC钻头的周侧与井筒内壁之间的环空中排出。

当然，在其他的实施例中，钻头本体1端部的多个刀翼2也可不区分主刀翼和副刀翼，该PDC钻头可为常规钻头，也即PDC钻头的每个刀翼2的形状大小一致，多个刀翼2沿钻头本体1的端部的圆周方向等间隔设置，每个刀翼2的横截面沿钻头本体1的径向向内的方向由大端至小端逐渐收缩，且多个刀翼2的小端在钻头本体1的中心处汇聚。

该PDC钻头的每个刀翼2的一侧外缘上均焊接有多个前排切削齿21，且每一刀翼2的顶面上还设有多个后排切削齿22，该些后排切削齿22位于前排切削齿21的背刀面侧，且均位于钻头本体1端部的肩部处，该些前排切削齿21和该些后排切削齿22均由聚晶金刚石材料制成，在本实施例中，前排切削齿21与后排切削齿22之间的距离为1.5mm～2mm。

如图3所示，在本实用新型中，后排切削齿22的高度H高于前排切削齿21的高度h，该后排切削齿22的高度H和前排切削齿21的高度h是相对刀翼2顶面而言的，也即，自刀翼2顶面向上露出的前排切削齿21的高度为h，自刀翼2顶面向上露出的后排切削齿22的高度为H。本实用新型将后排切削齿22的高度H设计为高于前排切削齿21的高度h，这样设计的好处是，通过该PDC钻头钻井的过程中，后排切削齿22首先在钻岩上划出多道破裂纹，以减小前排切削齿21切削地层的阻力，提高钻井效率。在本实用新型的一具体实施例中，该后排切削齿22的高度H比前排切削齿21的高度h高2mm～3mm，即高度H与高度h的差值为2mm～3mm。

进一步的，本实用新型的后排切削齿22朝向前排切削齿21的一侧设有凹槽221，该凹槽221的深度L为2mm～2.5mm；另外，该凹槽221的侧边与后排切削齿22的顶面之间的夹角为锐角θ，在本实施例中，锐角θ为15度～30度。本实用新型将后排切削齿22设计为具有凹槽221的尖犁型形状，更加有助于后排切削齿22对钻岩的切削作用。

根据本实用新型的一个实施方式，该前排切削齿21的高度为h，单位mm；刀翼常数为N；地层可钻极值为k；该后排切削齿22的钢材抗压强度为σ，单位kg/cm²；该PDC钻头的直径为R，单位mm；该后排切削齿22的中点到PDC钻头的中心的距离为r，单位mm；该后排切削齿的高度H(单位mm)为：

$H=h+N\frac{\mathrm{\σ}}{k}\sqrt{Rr}\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，当刀翼2的个数为六个时，该刀翼常数N为0.013，且对于泥岩地层，地层可钻极值k为5～6。

因PDC钻头的半径越大，其切削开的岩层体积越大，需要的后排切削齿22的切削力越大，因此，在设计时后排切削齿22的高度H应随着其在钻头本体1上的位置不同而变化，从而达到充分切削钻岩的作用。

本实用新型的适用于泥岩地层的PDC钻头，在每个刀翼2上均设置两排切削齿，前排切削齿21为常规圆柱形切削齿，后排切削齿22设计为弯刀型形状，又称尖犁型形状，且后排切削齿22的高度比前排切削齿21的高度高2mm～3mm，因此，在使用本实用新型的PDC钻头钻井的过程中，首先用后排切削齿22在钻岩上划出多道破裂纹，就像犁地一样先降低岩石的强度，减小前排切削齿21切削地层的阻力，提高了钻井效率。

在本实用新型的一具体实施例中，例如在井眼直径为215.9mm的井眼中，六刀翼的后排切削齿22的高度H与前排切削齿21的高度h的差值如下(自钻头本体1的边部位置向钻头本体1的中心方向)：

编号	1	2	3	4
					后排切削齿比前排切削齿高(mm)	2.80	2.73	2.67	2.56

现有的钻头在青海油田某区块应用中，钻至2500m硬脆性地层，由于地层强度高，单排齿钻头钻速下降，仅为2m/h，换成本实用新型的PDC钻头后，钻速达到3.4m/h，提高了70％，而普通双排齿钻头在临井的钻速也仅为2.9m/h，低于本实用新型的PDC钻头。

以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims (8)

1.一种适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述适用于泥岩地层的PDC钻头包括：

钻头本体，其内沿轴向设有注水腔，所述钻头本体的底部设有多个水嘴，多个所述水嘴与所述注水腔相连通；

多个刀翼，其沿圆周方向等间隔连接在所述钻头本体的端部，所述刀翼的一侧并排设有多个前排切削齿，所述刀翼的顶面设有多个后排切削齿，所述后排切削齿的高度高于所述前排切削齿的高度。

2.如权利要求1所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述后排切削齿的高度比所述前排切削齿的高度高2mm～3mm。

3.如权利要求1所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述后排切削齿朝向所述前排切削齿的一侧设有凹槽，所述凹槽的深度为2mm～2.5mm。

4.如权利要求3所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述凹槽的侧边与所述后排切削齿的顶面之间的夹角为锐角θ。

5.如权利要求4所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述锐角θ为15度～30度。

6.如权利要求1所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述前排切削齿与所述后排切削齿之间的距离为1.5mm～2mm。

7.如权利要求1所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述前排切削齿的高度为h，刀翼常数为N，地层可钻极值为k，所述后排切削齿的钢材抗压强度为σ，所述PDC钻头的直径为R，所述后排切削齿的中点到所述PDC钻头的中心的距离为r，所述后排切削齿的高度H为：

$H=h+N\frac{\mathrm{\σ}}{k}\sqrt{Rr}.$

8.如权利要求7所述的适用于泥岩地层的PDC钻头，其特征在于，所述刀翼的个数为六个，所述刀翼常数N为0.013。