CN208220640U - 一种带尖圆齿的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带尖圆齿的PDC钻头，它包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼上安设有固定切削齿，所述的固定切削齿包括圆形齿和尖形齿，其特征在于：在每个刀翼上的第一排齿中，部分或者全部为尖形齿，当部分为尖形齿时，尖形齿和圆形齿混合布置，第二排或/和第三排为圆形齿，所述尖形齿的出露端高度高于圆形齿。本实用新型中，将尖形齿布置在钻头一排位置，尖形齿相对于采用圆形复合片的同排齿先吃入地层，尖形齿先接触地层，对地层进行预破碎，释放地层的应力，提高一排齿的破岩效果，提高新型PDC钻头整体机械钻速。

Description

一种带尖圆齿的PDC钻头

技术领域

本实用新型涉及到一种用于石油、天然气和地质钻井用的带尖圆齿的PDC 钻头，该钻头适用于在泥岩、膏岩等硬塑性地层的钻井。

背景技术

PDC钻头是现在石油及钻井广泛采用的钻头，随着复合片材料进步及切削结构的发展，其适用范围越来越广，其所钻进尺比例越来越高。

目前PDC钻头一般采用剪切方式来破碎岩石，从而达到快速钻井的目的。当PDC钻头工作时，复合片在钻压和扭矩的作用下克服地层应力切入地层并向前滑动，岩石在切削齿的作用下沿其剪切方向破碎并产生塑性流动，切削所产生的岩屑呈大块片状。

但在有一定塑性的地层，以纯剪切方式不容易钻进地层，这种情况下一般采用特殊的“尖/圆”齿交替布置切削结构所具有的岩石破碎方式。预破碎过程是通过开槽切削来完成的，具有这种切削结构的钻头在钻进过程中，尖形齿因与地层接触面积小受力集中而先行切入地层，岩石在接触应力的作用下产生破碎裂纹，随着钻头的不断旋转，尖形齿在岩石中切出一条条较小的环状“卸荷槽”，使地层应力预先释放，而紧随其后的圆形切削齿则以剪切方式切削其强度已大大减弱的大块岩石，达到快速钻进的目的。这样大大提高了切削效率，降低了切削齿的磨损速度。

但实际钻井过程中，有些情况下，地层变化比较频繁，对于塑性的地层，如致密泥岩，采用“尖/圆”齿交替布置的方案进行钻进时效果较好。但当地层变化为研磨性地层时，这种“尖/圆”齿交替布置的方案可能又不耐磨，导致钻头寿命不长。

同时，在地层硬度软硬变化较为频繁时，采用纯剪切破碎的形式PDC钻头也容易崩齿失效。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种一种能提高破岩效率和钻头的使用寿命的带尖圆齿的PDC钻头。

本实用新型所采用的技术方案为：一种带尖圆齿的PDC钻头，它包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼上安设有固定切削齿，所述的固定切削齿包括圆形齿和尖形齿，其特征在于：在每个刀翼上的第一排齿中，部分或者全部为尖形齿，当部分为尖形齿时，尖形齿和圆形齿混合布置，第二排或/和第三排为圆形齿，所述尖形齿的出露端高度高于圆形齿。

按上述技术方案，当尖形齿和圆形齿混合布置时，尖形齿和圆形齿以交替形式设置。

按上述技术方案，所述的尖形齿和圆形齿均为聚晶金刚石复合片或由多晶超研磨材料制造的复合片。

按上述技术方案，所述尖形齿包括柱形齿柱和齿冠，所述齿冠由两个偏楔面和齿顶面组成，两个偏楔面由两个面从齿柱两侧向内倾斜并偏转延伸至上端与齿顶面交汇而成。

按上述技术方案，当两偏楔面相对圆柱体轴线的偏转角度为0°时，形成细顶尖形齿，两偏楔面与齿柱的中心轴线平行，所述齿顶面与齿柱的中心轴线平行；当偏楔面相对圆柱体轴线的偏转角度大于0°时，所述齿顶面位于齿柱侧面与底面的交汇处，形成宽顶尖形齿。

按上述技术方案，所述的偏楔面为平面，且两个偏楔面相对称。

按上述技术方案，所述偏楔面的相对圆柱体轴线的偏转角度为0～70°，所述齿顶面的宽度为0.5～5mm。

按上述技术方案，齿底面的垂直投影面包括圆弧面和近似梯形面或近似三角形面。

按上述技术方案，所述尖形齿相对同一排的圆形齿的出露端高出0.1～3mm。

按上述技术方案，设置在刀翼鼻部及肩部的第一排尖形齿对设置在同轨的第二排圆形齿进行保护，第一排尖齿的出露端高度高于同轨的第二排圆形齿出露端高度，高出0.1～3mm。

本实用新型所取得的有益效果为：1、将尖形齿布置在钻头一排位置，尖形齿相对于采用圆形复合片的同排齿先吃入地层，尖形齿先接触地层，对地层进行预破碎，释放地层的应力，提高一排齿的破岩效果，提高新型PDC钻头整体机械钻速；2、在地层变化频繁时，一排尖形齿因先进入地层，能分担部分圆形齿冲击载荷，减轻地层对整个一排齿的同步冲击载荷，减少一排齿的崩齿的几率，提高钻头的寿命；3、由于尖形齿对地层产生了预破碎，一排齿在切削时地层对切削吃的反作用力相对常规PDC钻头减小，从而减小了反扭矩，提高了钻头钻进时的平稳性，减缓了钻头失效，进而提高了钻头的使用寿命。4、由于尖形齿对地层产生了预破碎，在钻遇泥岩膏岩等容易泥包的地层时，尖形齿钻头有效切开地层和岩屑，提高防止钻头泥包的可能性。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图2为本实用新型中提供的细顶尖形齿的立体图。

图3为本实用新型中宽顶尖形齿的立体图。

图4为本实用新型中宽顶尖形齿的主视图。

图5为本实用新型中宽顶尖形齿的仰视图。

图6为本实用新型中宽顶尖形齿的侧视图。

图7为本实用新型中宽顶尖形齿中偏楔面的偏转角度示意图。

图8为本实用新型中宽顶尖形齿相对圆形齿的出露高度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种新型PDC钻头，它包括有钻头1，钻头体上设置刀翼4和喷嘴2，在各个刀翼4上安设有切削齿，切削齿包括圆形齿和尖形齿，在每个刀翼4上设置的第一排齿3a中(本实施例以每个刀翼设置两排齿为例进行说明)，部分或全部为尖形齿，当部分为尖形齿时，尖形齿6和圆形齿5混合布置，其两者以交替的形式设置，当然，尖形齿与圆形齿的分布分别可以根据工况而定。第二排齿3b全部为圆形齿，其中，尖形齿和圆形齿均为聚晶金刚石复合片或由多晶超研磨材料制造的复合片。

本实施例中，如图2-6所示，所述尖形齿包括柱形齿柱601和齿冠，所述齿冠由两个偏楔面602和齿顶面603组成，两个偏楔面602由两个面从齿柱两侧向内倾斜并偏转延伸至上端与齿顶面603交汇而成，所述齿顶面603位于齿柱侧面与底面的交汇处，齿顶面603为圆弧状，齿底面604的垂直投影面包括圆弧面和近似梯形面或近似三角形面，其中圆弧面可以为半圆弧或大半圆弧。

所述偏楔面602相对圆柱体轴线的偏转角度为0～70°，当两偏楔面相对圆柱体轴线的偏转角度为0°时，形成细顶尖形齿(其结构如图2所示)，两偏楔面602与齿柱的中心轴线平行，所述齿顶面与齿柱的中心轴线平行，齿底面的垂直投影面包括圆弧面和近似三角形面，其中圆弧面可以为半圆弧或大半圆弧；如图3-7所示，当偏楔面602相对圆柱体轴线的偏转角度大于0°时，所述齿顶面 603位于齿柱侧面与底面的交汇处，形成宽顶尖形齿，齿底面604的垂直投影面包括圆弧面和近似梯形面，其中圆弧面可以为半圆弧或大半圆弧。本实施例中，如图7所示，本实施例中，所述的偏楔面602为平面，且两个偏楔面相对称。其中，尖形齿的两个偏楔面A1和A2与圆柱体轴线形成的夹角a1和a2均为为30°，齿顶面603的宽度b为3mm。当然，两偏楔面与齿柱的中心轴线的夹角相等或不相等，可以根据实际工况设计。

本实施例中，设置在刀翼鼻部及肩部的第一排尖形齿对设置在同轨的第二排圆形齿进行保护，第一排尖齿的出露端高度高于同轨的第二排圆形齿出露端高度，出露端高度为L，如图3所示，其中，L为0.1～3mm。

在钻井过程中，首先把本实用新型的钻头与其它井下工具连接起来，一同下入井底，然后开泵循环钻井液并加压旋转钻进。在软地层，位于一排的尖形齿6 先吃入地层，在吃入深度超过尖形齿与圆形齿的高低差L后，圆形齿5接着吃入地层，由于地层较软，尖形齿6吃入地层对机械钻速影响不大，但可以提高钻头的平稳性。在硬地层，位于一排的尖形齿6先吃入地层，在吃入深度超过尖形齿与圆形齿的高低差L后(如图8所示)，圆形齿5接着吃入地层，由于地层较硬，尖形齿6先吃入地层可以对地层进行预破碎，释放地层的应力，提高一排齿的破岩效率，提高新型PDC钻头整体机械钻速。同时由于尖形齿对地层产生了预破碎，一排齿在切削时地层对切削齿的反作用力相对常规PDC钻头减小，从而减小了反扭矩，提高了钻头钻进时的平稳性，减缓了钻头失效，进而提高了钻头的使用寿命。在地层变化频繁时，位于第一排的尖形齿能分担部分冲击载荷，减少地层对一排圆形齿的崩齿几率，提高钻头的寿命。

Claims (10)

1.一种带尖圆齿的PDC钻头，它包括有钻头体，钻头体上设置刀翼和喷嘴，刀翼上安设有固定切削齿，所述的固定切削齿包括圆形齿和尖形齿，其特征在于：在每个刀翼上的第一排齿中，部分或者全部为尖形齿，当部分为尖形齿时，尖形齿和圆形齿混合布置，第二排或/和第三排为圆形齿，所述尖形齿的出露端高度高于圆形齿。

2.根据权利要求1所述的带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：当尖形齿和圆形齿混合布置时，尖形齿和圆形齿以交替形式设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：所述的尖形齿和圆形齿均为聚晶金刚石复合片或由多晶超研磨材料制造的复合片。

4.根据权利要求1或2所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：所述尖形齿包括柱形齿柱和齿冠，所述齿冠由两个偏楔面和齿顶面组成，两个偏楔面由两个面从齿柱两侧向内倾斜并偏转延伸至上端与齿顶面交汇而成。

5.根据权利要求4所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：当两偏楔面相对圆柱体轴线的偏转角度为0°时，形成细顶尖形齿，两偏楔面与齿柱的中心轴线平行，所述齿顶面与齿柱的中心轴线平行；当偏楔面相对圆柱体轴线的偏转角度大于0°时，所述齿顶面位于齿柱侧面与底面的交汇处，形成宽顶尖形齿。

6.根据权利要求4所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：所述的偏楔面为平面，且两个偏楔面相对称。

7.根据权利要求4所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：所述偏楔面的相对圆柱体轴线的偏转角度为0～70°，所述齿顶面的宽度为0.5～5mm。

8.根据权利要求4所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：齿底面的垂直投影面包括圆弧面和近似梯形面或近似三角形面。

9.根据权利要求1或2所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：所述尖形齿相对同一排的圆形齿的出露端高出0.1～3mm。

10.根据权利要求1或2所述的一种带尖圆齿的PDC钻头，其特征在于：设置在刀翼鼻部及肩部的第一排尖形齿对设置在同轨的第二排圆形齿进行保护，第一排尖齿的出露端高度高于同轨的第二排圆形齿出露端高度，高出0.1～3mm。