CN207470124U - 一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，涉及石油钻探工具领域，包括钻头基体，钻头基体表面设有若干个刀翼，刀翼上设有若干PDC切削齿，PDC切削齿包括圆柱形齿，相邻刀翼的间隙处设有排屑槽，排屑槽上设有若干喷嘴，其特征在于：PDC切削齿还包括工作面呈锥形面的圆锥形齿。本实用新型能够解决目前含砾硬地层运用牙轮钻头，轴承失效快、切削齿崩损严重，使用寿命短；运用常规PDC钻头钻进，切削齿崩损、磨损严重、切削效率低，使用寿命短等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及石油钻探工具领域，特别是涉及一种适用于含砾硬地层钻进的钻头。
背景技术
在复杂地质条件下的油气钻探工作中，经常钻遇碳酸盐岩、火成岩、砾石等难钻地层，其强度高，硬度大，可钻性差，研磨性强。牙轮钻头在钻井这种地层时，很容易出现断掉齿、牙齿磨损、钻头缩径、轴承失效等情况，最后导致牙轮钻头报废，表现出钻头进尺小、机械钻速低的特点；天然金刚石钻头和孕镶金刚石钻头主要以研磨方式破岩，机械钻速一般很低，加之造价高，限制了其应用范围；常规PDC钻头采用圆柱形PDC切削齿作为切削元件主要用于软到中硬地层，而在含砾硬地层中的适应性较差，容易出现崩齿、碎齿、磨损严重等情况，虽然通过改进钻头设计和PDC切削齿性能，一定程度上提高了常规PDC钻头在含砾硬地层中的钻进性能，但仍难以满足高效破岩要求。含砾硬地层可钻性差，钻井效率低，周期长，严重制约了开发效率，增加了钻井成本。所以，有必要设计一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：克服现有技术中存在的上述问题，提出一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，能够解决目前含砾硬地层运用牙轮钻头，轴承失效快、切削齿崩损严重，使用寿命短；运用常规PDC钻头钻进，切削齿崩损、磨损严重、切削效率低，使用寿命短等问题。
本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：
一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，包括钻头基体，钻头基体表面设有若干个刀翼，刀翼上设有若干PDC切削齿，PDC切削齿包括圆柱形齿，相邻刀翼的间隙处设有排屑槽，排屑槽上设有若干喷嘴，PDC切削齿还包括工作面呈锥形面的圆锥形齿。
本专利钻头是采用异于常规圆柱形PDC复合片(即前述圆柱形齿)的锥形PDC齿(即前述圆锥形齿)。现有技术圆柱形齿通常包括基片和金刚石层，基片为圆柱体，金刚石层覆盖于圆柱体前端面(上顶面)形成工作面，其工作面通常是平面，整个切削齿呈圆柱体形状。本专利的这种独特几何形状的锥形PDC齿具有高抗冲击性和抗研磨性，能够长时间维持高的切削效率。它作为一种新型石油钻井破岩工具，其破岩方式与常规PDC齿既有相似之处，又有很大的不同。相似之处在于两者都是在轴向力和扭矩作用下连续旋转破岩，不同之处在于锥形PDC齿是以前倾角的角度将岩石“犁”出沟槽，在切向上将岩石从母体上剥离，并同时在侧向上对岩石产生挤压破坏作用。本专利锥形齿钻头特别适用于含砾硬地层钻进。含砾硬地层指结构致密硬度较高的岩石层如：硅质灰岩、石英砂岩、砾状砂岩、火成岩等。
作为选择，圆锥形齿包括基片和金刚石层，基片由圆柱部和圆柱部前端的锥部构成，金刚石层覆盖于锥部前端面形成锥形面的工作面。
作为选择，主切削齿内锥由一排圆锥形齿，主切削齿鼻部及外锥由两排圆锥形齿组成。作为选择，采用两排圆锥形齿布置时，两排圆锥形齿在刀翼上前后交错布置。作为进一步选择，两排圆锥形齿交错布置时，两排圆锥形齿出刃高度相同。该方案中，根据地层情况以及主切削齿的工作强度情况，在不同区域，沿切削齿切削方向设置前后排的一排或两排圆锥形齿。两排圆锥形齿在切削方向上前后交错布置，使得前后排切削齿的切削轨迹不重叠，同时出刃高度一致，使得切削后的井底切削面平整。
作为选择，圆锥形齿的直径为13～16mm。作为进一步选择，圆锥形齿的锥顶金刚石层高度为3～4mm。
作为选择，圆锥形齿与其切削面之间具有10°～20°的前倾角。该方案中，前倾角是指圆锥形齿布齿时使工作面朝向井底切削面并沿切削方向向前倾斜，使得圆锥形齿的轴线与井底切削面的垂线之间形成一夹角，该夹角即为本专利的前倾角。角度过小虽有利于提高切削效率但切削齿受冲击破坏的可能性更大；而角度过大时虽有利于保护切削齿但要以降低破岩效率为代价。本专利特定的前倾角角度使得切削齿容易吃入地层，同时增强破岩效率，同时优化了切削和破岩效率两方面的问题。一步作为优选，地层胶结致密、硬度高、强研磨性，选择直径13mm圆锥形齿，前倾角选择15～20°；进一步作为优选，地层胶结差、硬度中等、弱研磨性，选择直径16mm圆锥形齿,前倾角选择10～15°。
作为进一步选择，直径16mm圆锥形齿的锥顶角为75～85°，锥顶半径为1.5～2.5mm；直径13mm圆锥形齿的锥顶角为75～85°，锥顶半径为1.0～2.0mm。
作为选择，每个刀翼上至少布置一颗圆柱形齿作为修边齿。
前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案；并且本实用新型，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本实用新型的有益效果：该实用新型钻头能够解决目前含砾硬地层运用牙轮钻头，轴承失效快、切削齿崩损严重，使用寿命短；运用常规PDC钻头钻进，切削齿崩损、磨损严重、切削效率低，使用寿命短等问题。
附图说明
图1是本实用新型一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头结构示意图；
图2是圆锥形PDC齿局部示意图；
图3是圆锥形齿在刀翼上的前倾角变化示意图及前后排齿交错布置图；
图4是圆柱形齿作为修边齿的布置示意图；
图中标记：1-钻头基体、2-刀翼、3-圆柱形齿、4-圆锥形齿、5-喷嘴、6-排屑槽、7-金刚石层、8-基片、81-圆柱部、82-锥部、41-工作面、9-切削面。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
参考图1至4所示，一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，包括钻头基体1，钻头基体1表面设有若干个刀翼2，刀翼2上设有若干PDC切削齿，PDC切削齿包括圆柱形齿3，相邻刀翼2的间隙处设有排屑槽6，排屑槽6上设有若干喷嘴5，PDC切削齿还包括切削齿工作面41呈锥形面的圆锥形齿4。参考图2所示，圆锥形齿4包括基片8和金刚石层7，基片8由圆柱部81和圆柱部81前端的锥部82构成，金刚石层7覆盖于锥部82前端面形成锥形面的切削齿工作面41。参考图1和4所示，6个刀翼2上至少布置一颗圆柱形齿3 作为修边齿。圆锥形齿4的直径为13～16mm，圆锥形齿4的锥顶金刚石层7高度H为3～ 4mm。圆锥形齿4与其切削面9之间具有10°～20°的前倾角α。参考图3所示，前倾角α是指圆锥形齿4布齿时使切削齿工作面41朝向井底切削面9并沿切削方向向前倾斜，使得圆锥形齿4的轴线x与井底切削面9的垂线y之间形成一夹角α，该夹角α即为本专利的前倾角。地层胶结致密硬度高、研磨性强选择直径13mm圆锥形齿4，前倾角α选择15～20°；地层胶结差、硬度中等、弱研磨性选择直径16mm圆锥形齿4，前倾角α选择10～15°。参考图2所示，直径16mm圆锥形齿4的锥顶角β为75～85°，锥顶半径R为1.5～2.5mm；直径13mm圆锥形齿4的锥顶角β为75～85°，锥顶半径R为1.0～2.0mm。
作为优选，主切削齿内锥由一排圆锥形齿4，主切削齿鼻部及外锥由两排圆锥形齿4组成，两排圆锥形齿4在刀翼上前后交错布置(参考图3所示)，两排圆锥形齿4出刃高度相同。
实施例：
针对塔里木油田山前构造吉迪克组含砾地层时，采用六个刀翼2两排圆锥形齿4布齿设计，该地层胶结不致密，研磨性一般，选择直径16mm圆锥形齿切削齿。各刀翼2内锥布置一排圆锥形齿4，以前倾的方式布置在刀翼2上，前倾角α取12度，鼻部、外锥布置两排圆锥形齿4且出刃高度相同，以前倾的方式布置在刀翼2上，前倾角α取15度。直径16mm 圆锥形齿的锥顶半径R取2.0mm，锥顶角β为75度。
由于采用上述技术方案，本实用新型的有益效果是：克服现有技术中存在的上述问题，提出了一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，能够解决目前含砾硬地层运用牙轮钻头，轴承失效快、切削齿崩损严重，使用寿命短以及运用常规PDC钻头钻进，切削齿崩损、磨损严重、切削效率低，使用寿命短等问题。
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 (10)
1.一种适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，包括钻头基体，钻头基体表面设有若干个刀翼，刀翼上设有若干PDC切削齿，PDC切削齿包括圆柱形齿，相邻刀翼的间隙处设有排屑槽，排屑槽上设有若干喷嘴，其特征在于：PDC切削齿还包括工作面呈锥形面的圆锥形齿。
2.如权利要求1所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：圆锥形齿包括基片和金刚石层，基片由圆柱部和圆柱部前端的锥部构成，金刚石层覆盖于锥部前端面形成锥形面的工作面。
3.如权利要求1所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：主切削齿内锥由一排圆锥形齿，主切削齿鼻部及外锥由两排圆锥形齿组成。
4.如权利要求3所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：两排圆锥形齿在刀翼上前后交错布置。
5.如权利要求4所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：两排圆锥形齿出刃高度相同。
6.如权利要求1所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：圆锥形齿与其切削面之间具有10°～20°的前倾角。
7.如权利要求1所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：圆锥形齿的直径为13～16mm。
8.如权利要求7所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：圆锥形齿的锥顶金刚石层高度为3～4mm。
9.如权利要求7所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：直径16mm圆锥形齿的锥顶角为75～85°，锥顶半径为1.5～2.5mm；直径13mm圆锥形齿的锥顶角为75～85°，锥顶半径为1.0～2.0mm。
10.如权利要求1所述的适用于含砾硬地层钻进的锥形齿钻头，其特征在于：每个刀翼上至少布置一颗圆柱形齿作为修边齿。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110185399A (zh) * | 2019-06-19 | 2019-08-30 | 西南石油大学 | 一种减缓破岩冲击力的全向变角pdc钻头 |
| CN110374513A (zh) * | 2019-06-17 | 2019-10-25 | 河北锐石钻头制造有限公司 | 一种适用于复杂岩性地层的pdc钻头 |
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