CN209704493U - 具有辅助平衡翼的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

一种具有辅助平衡翼的PDC钻头，所述PDC钻头设有用于切削破碎地层的工作刀翼和非切削性的辅助平衡翼，所述PDC钻头上还有由外流道和喷嘴所构成的水力结构，所述工作刀翼不少于3个，辅助平衡翼不少于1个，所述辅助平衡翼设置在两工作刀翼之间，各工作刀翼上装配有用于切削地层岩石的多个主PDC切削齿，各辅助平衡翼的保径段的轴向长度小于工作刀翼保径段的长度，两者之间的差值为10‑100mm，所述辅助平衡翼向钻头中心的延伸部分在钻头1/2半径处的边界处截止；由此，本实用新型结构简单，操作方便，改进了上述缺点的结构特征，具有较少的刀翼数量、较高的稳定性，能够克服钻井所常遇到的复杂地层中钻头易先期失效造成的效率低、机械钻速慢的问题。

Description

具有辅助平衡翼的PDC钻头

技术领域

本实用新型涉及钻井勘探工具的技术领域，尤其涉及一种具有辅助平衡翼的PDC钻头。

背景技术

地层钻井用的PDC钻头主要是通过剪切的方式来破碎岩石的，其工作模式一般为：首先切削齿在钻压的作用下吃入地层，然后在动力扭矩的作用下旋转通过剪切的方式对地层岩石形成体积破碎。钻头所受到的动力扭矩是井口的动力设备通过钻柱传递到钻头上的。

目前的PDC钻头一般为刀翼式结构，即钻头上设置有若干个工作刀翼，工作刀翼的数量根据钻井工程的需要和地层可钻性的不同来设置，一般来说可钻性越差的地层刀翼数量设置得越多、在定向井和水平井等特殊井型中有时为了保证工具面的稳定性也需要设置较多的刀翼数量。在刀翼与地层接触部位按一定规律布置有切削齿，切削齿的材料一般为圆柱形PDC复合片，每个刀翼之间的空间形成了供钻井液流动的流道，钻井液通过设置在流道内的喷嘴从钻头内部流道中喷射出来为切削齿提供清洗冷却，同时将切削产生的岩屑带离井底。

为了降低钻井成本，提高单只钻头的机械钻速是一个直接有效的办法。对于PDC钻头的切削结构改进来说，提高机械钻速一般采用如下方法：一是使用更大直径的PDC复合片，比如将原来的Φ13mm复合片改为Φ16mm复合片，采用大直径复合片能够增加每颗齿的切削体积从而提高钻头整体的切削效率以达到提速的目的；二是减少PDC钻头的刀翼数量，在相同钻压下减少刀翼数量能够提高每颗齿上所受的比钻压，使单齿对地层岩石的压应力更为集中，切削齿更容易吃入地层对岩石形成有效体积破碎从而达到提速的目的；三是优化钻头的冠部形状，研究和生产实践表明，钻头不同的冠部形状对不同的地层岩性的适应性是不同的，即对于某种特定的岩石岩性来说有一个最优的冠部轮廓形状来实现最大化的破岩效率。技术人员通过对邻井地层资料比如测井、录井数据的研究来确定所钻地层的岩性，然后通过地层岩性来设计针对性的钻头冠部形状来达到提高机械钻速的目的。目前PDC钻头的切削结构优化主要是这三种方法的综合应用。

上述第一种方法中，切削齿的直径不可能无限制的增大，比如目前常用的PDC切削齿直径最大只到Φ19mm。将切削齿直径增大虽然能提高切削效率，但也有其它的副作用，比如钻头的扭矩会增大，在一些定向操作中还会造成工具面不稳的问题。另外，大尺寸的PDC切削齿抗冲击性和耐磨性往往比小尺寸的切削齿低，在地层可钻性变差时容易先期磨损或受冲击破坏而降低钻头寿命。

上述第二种方法中，简单机械的减少钻头刀翼数量会带来如下弊端：即钻头刀翼数减少后对井壁的支撑也随之减少，钻头在井底高速旋转时会受到较大的冲击而产生严重的振动，切削齿会受到先期冲击破坏，而且钻头的振动对井身质量也会产生不良影响。另外，刀翼数量减少后钻头反扭矩也会增大，定向操作时其工具面会不稳定，严重影响滑动钻进效率。

上述第三种方法对于大段均质地层具有较好的适应性，但随着现在钻井区域的地层情况越来越复杂，一口井的某一井段穿越的不同岩性地层的情况也越来越多，比如重庆涪陵地区的页岩气井在某些地质条件复杂的区域往往会在短短数百米的井段内钻遇砂岩、泥岩、灰岩、白云岩、砾石、石膏等数种不同岩性地层，在同一个钻头上专门针对某一种岩性设计不同的冠部显然是不可能的。因此对于复杂地层来说，单纯依靠冠部形状的改进来提高机械钻速十分困难。

为此，本实用新型的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种具有辅助平衡翼的PDC钻头，以克服上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有辅助平衡翼的PDC钻头，其结构简单，操作方便，改进了上述缺点的结构特征，具有较少的刀翼数量、较高的稳定性，能够克服钻井所常遇到的复杂地层中钻头易先期失效造成的效率低、机械钻速慢的问题。

为解决上述问题，本实用新型公开了一种具有辅助平衡翼的PDC钻头，所述PDC钻头设有用于切削破碎地层的工作刀翼和非切削性的辅助平衡翼，其特征在于：

所述PDC钻头上还有由外流道和喷嘴所构成的水力结构，所述工作刀翼不少于3个，辅助平衡翼不少于1个，所述辅助平衡翼设置在两工作刀翼之间，各工作刀翼上装配有用于切削地层岩石的多个主PDC切削齿，各辅助平衡翼的保径段的轴向长度小于工作刀翼保径段的长度，两者之间的差值为10-100mm，所述辅助平衡翼向钻头中心的延伸部分在钻头1/2半径处的边界处截止。

其中：各辅助平衡翼的冠部装配有多个实现支撑作用的支撑齿。

其中：辅助平衡翼的保径段上设置有贯穿整个辅助平衡翼保径段厚度的沟槽，所述沟槽的宽为6-60mm、深为6-80mm，所述沟槽的数量是1-6个。

其中：辅助平衡翼的保径段上布置有耐磨材料，所述耐磨材料为PDC复合齿、金刚石孕镶块或硬质合金。

其中：辅助平衡翼在钻头冠部位置从钻头本体上凸出的高度要低于工作刀翼从钻头本体上凸出的高度。

其中：工作刀翼上的主PDC切削齿的最小间距是2.5-8mm。

其中：辅助平衡翼上的支撑齿的出露高度与工作刀翼上的主PDC切削齿出露高度有一个高度差，其值是1-30mm。

其中：工作刀翼上的主PDC切削齿出露高度与后方辅助切削齿出露高度有一个高度差，其值是0-10mm。

其中：辅助平衡翼的支撑齿和工作刀翼的辅助切削齿是PDC复合齿或硬质合金齿。

通过上述结构可知，本实用新型的具有辅助平衡翼的PDC钻头具有如下效果：

1、工作刀翼上布置有用于切削地层岩石的PDC切削齿，其作用是破碎地层岩石、完成钻井任务。工作刀翼数量较常规普通钻头的刀翼数量少，因此能在钻压不变的情况下更容易吃入地层岩石、提高破岩效率。

2、辅助平衡翼向钻头外侧延伸的保径段能够为钻头提供额外的井壁支撑能力，保径段上的沟槽减小了保径段与井壁的接触面积，减小了钻头所受到的摩阻，从而提高了钻头的稳定性。

3、辅助平衡翼向钻头内侧延伸的冠部结构将钻井液分流一部分至辅助平衡翼与刀翼之间的流道，同时由于辅助平衡翼的保径段长度比工作刀翼短，这样携带有部分岩屑的钻井液能够更通畅、更快的流入环空。另外由于保径段沟槽的存在而使辅助平衡翼前后两部分的流道导通，平衡了这两部分的压力分布。通过上述的结构改善了钻头的井底流场分布、提高了钻头的抗泥包能力。

4、辅助平衡翼上设置得支撑齿在钻头进行定向操作时能提供有效的支撑作用，能对稳定工具面起到有效的帮助，从而提高滑动效率。另外也能够降低钻头所受的冲击，延长钻头寿命。

本实用新型的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本实用新型的具有辅助平衡翼的PDC钻头的整体示意图。

图2显示了本实用新型侧面的整体示意图。

图3显示了本实用新型另一角度侧面的整体示意图。

图4显示了本实用新型的俯视图。

图5显示了本实用新型的支撑齿与工作刀翼上的主PDC切削齿的高度差示意图。

图6显示了本实用新型的工作刀翼上主PDC切削齿后排辅助切削齿的高度差示意图。

图7显示了本实用新型的支撑齿和辅助切削齿的形状。

附图标记：

1工作刀翼，2辅助平衡翼，3外流道，4喷嘴，5钻头1/2半径处的边界，6主PDC切削齿，7支撑齿，8辅助切削齿，9沟槽，10冠部，11延伸部分，12耐磨材料，13保径段，14球形齿，15锥形齿，16弧顶齿，17圆柱形齿。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

参见图1至图4，显示了本实用新型描述的具有辅助平衡翼的PDC钻头其中一实施例的整体示意图。

其中，所述PDC钻头设有用于切削破碎地层的工作刀翼1和非切削性的辅助平衡翼2，工作刀翼1和辅助平衡翼2可通过整根金属棒料机加工成型、烧结或者焊接的方式与钻头本体连接在一起形成一个整体，所述PDC钻头上还有由外流道3和喷嘴4等所构成的水力结构，所述工作刀翼1数量不少于3个(本实施例中设置了3个工作刀翼)，辅助平衡翼2数量不少于1个(本实施例中设置了3个辅助平衡翼)，所述辅助平衡翼2设置在两工作刀翼1之间，优选的是，所述辅助平衡翼2与工作刀翼1相互间隔布置，辅助平衡翼2两两之间互不相邻，即每两个辅助平衡翼2之间至少间隔一个工作刀翼1，其中，各工作刀翼1上装配有用于切削地层岩石的多个主PDC切削齿6，工作刀翼1的主PDC切削齿6后方既可以设置有辅助切削齿8也可以不设置辅助切削齿8(本实施例中设置了辅助切削齿)，各辅助平衡翼2的冠部10优选装配有多个实现支撑作用的支撑齿7，也可以不装配支撑齿7(本实施例中设置了支撑齿)。继续参见图3，各辅助平衡翼2的保径段13的轴向长度小于工作刀翼1保径段的长度，优选两者之间的差值f为10-100mm。继续参见图4，所述辅助平衡翼向钻头中心的延伸部分11在钻头1/2半径处的边界5处截止，这种结构的特别设计，即有效保证了工作刀翼上破碎地层岩石、完成钻井任务，还更好的确保了辅助平衡翼提供额外的井壁支撑能力，从而提高了钻头的性能和稳定性。

如图2所示，辅助平衡翼2的保径段13上设置有贯穿整个辅助平衡翼保径段厚度的沟槽9，所述沟槽9的宽为6-60mm、深为6-80mm，所述沟槽9的数量是1-6个，如图3所示该保径段13上布置有耐磨材料12，所述耐磨材料12优选为PDC复合齿、金刚石孕镶块或硬质合金等。如图2所述，辅助平衡翼2在钻头冠部位置从钻头本体上凸出的高度h2要低于图3中工作刀翼1从钻头本体上凸出的高度h1，h1的值是h2的10％～80％，因此从外观上看辅助平衡翼的冠部显得比工作刀翼冠部“矮”。

如图3所示，工作刀翼1上布置的主PDC切削齿6的最小间距d的值是2.5-8mm。

如图4所示，辅助平衡翼2上的支撑齿7的出露高度与工作刀翼上的主PDC切削齿6出露高度有一个高度差c，其值是1-30mm。

如图5所示，工作刀翼上的主PDC切削齿6出露高度与其上的辅助切削齿8出露高度有一个高度差e，其值是0-10mm。

如图6所示，支撑齿7和辅助切削齿8是PDC复合齿、硬质合金齿等，其端面是图7所示的球形14、锥形15、弧顶形16、平面形17等形状。

辅助平衡翼多于一个时，两两之间互不相邻，即每两个辅助平衡翼之间至少间隔一个工作刀翼。

由此，工作刀翼负责切削地层岩石，其上设置有PDC切削齿，PDC切削齿之间具有2.5-8mm的最小间隙，工作刀翼产生的岩屑由水力结构利用钻井液运离井底，同时对钻头上的切削齿进行清洗冷却。在所述钻头本体上的相邻两个工作刀翼之间设有一个辅助平衡翼，所述的辅助平衡翼包含冠部和保径段两部分，在辅助平衡翼上直径小于钻头直径的部位即为冠部部分，直径等于钻头直径的部位即为保径段部分，保径段直接与井壁接触。

通过上述结构可知，本实用新型具有如下优点：

1、工作刀翼上布置有用于切削地层岩石的PDC切削齿，其作用是破碎地层岩石、完成钻井任务。工作刀翼数量较常规普通钻头的刀翼数量少，因此能在钻压不变的情况下更容易吃入地层岩石、提高破岩效率。

2、辅助平衡翼向钻头外侧延伸的保径段能够为钻头提供额外的井壁支撑能力，保径段上的沟槽减小了保径段与井壁的接触面积，减小了钻头所受到的摩阻，从而提高了钻头的稳定性。

3、辅助平衡翼向钻头内侧延伸的冠部结构将钻井液分流一部分至辅助平衡翼与刀翼之间的流道，同时由于辅助平衡翼的保径段长度比工作刀翼短，这样携带有部分岩屑的钻井液能够更通畅、更快的流入环空。另外由于保径段沟槽的存在而使辅助平衡翼前后两部分的流道导通，平衡了这两部分的压力分布。通过上述的结构改善了钻头的井底流场分布、提高了钻头的抗泥包能力。

4、辅助平衡翼上设置得支撑齿在钻头进行定向操作时能提供有效的支撑作用，能对稳定工具面起到有效的帮助，从而提高滑动效率。另外也能够降低钻头所受的冲击，延长钻头寿命。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本实用新型的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本实用新型不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本实用新型的教导的特定例子，本实用新型的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (9)

1.一种具有辅助平衡翼的PDC钻头，所述PDC钻头设有用于切削破碎地层的工作刀翼和非切削性的辅助平衡翼，其特征在于：

所述PDC钻头上还有由外流道和喷嘴所构成的水力结构，所述工作刀翼不少于3个，辅助平衡翼不少于1个，所述辅助平衡翼设置在两工作刀翼之间，各工作刀翼上装配有用于切削地层岩石的多个主PDC切削齿，各辅助平衡翼的保径段的轴向长度小于工作刀翼保径段的长度，两者之间的差值为10-100mm，所述辅助平衡翼向钻头中心的延伸部分在钻头1/2半径处的边界处截止。

2.如权利要求1所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：各辅助平衡翼的冠部装配有多个实现支撑作用的支撑齿。

3.如权利要求1所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：辅助平衡翼的保径段上设置有贯穿整个辅助平衡翼保径段厚度的沟槽，所述沟槽的宽为6-60mm、深为6-80mm，所述沟槽的数量是1-6个。

4.如权利要求1所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：辅助平衡翼的保径段上布置有耐磨材料，所述耐磨材料为PDC复合齿、金刚石孕镶块或硬质合金。

5.如权利要求1所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：辅助平衡翼在钻头冠部位置从钻头本体上凸出的高度要低于工作刀翼从钻头本体上凸出的高度。

6.如权利要求1所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：工作刀翼上的主PDC切削齿的最小间距是2.5-8mm。

7.如权利要求2所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：辅助平衡翼上的支撑齿的出露高度与工作刀翼上的主PDC切削齿出露高度有一个高度差，其值是1-30mm。

8.如权利要求2所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：工作刀翼上的主PDC切削齿出露高度与后方辅助切削齿出露高度有一个高度差，其值是0-10mm。

9.如权利要求1所述的具有辅助平衡翼的PDC钻头，其特征在于：辅助平衡翼的支撑齿和工作刀翼的辅助切削齿是PDC复合齿或硬质合金齿。