CN210768608U - 一种具有渐缩式水孔的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，属于石油天然气钻探技术领域，包括有钻头本体，钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，相邻切削结构间为排屑槽，钻头上至少一个所述排屑槽上设置有渐缩式水孔。本实用新型的钻头结构上设置有渐缩式水孔，可增加液流的冷却覆盖区域，不仅能够有效减少井底漫流区域，减少或避免形成涡流及因涡流产生的危害，还能实现切削的均衡冷却，削弱某颗切削齿齿发生热磨损的可能性，钻头能够适应在高温环境下工作，特别是高温地热钻井，能有效提高钻井效率。

Description

一种具有渐缩式水孔的PDC钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，特别是涉及一种新型水力结构金刚石钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的破岩工具，钻头破岩钻进时，钻井液(流体)从钻头内流道通过钻头水孔喷射到井底，从钻头水孔喷出的钻井液主要起清洗井底，携带并运移钻头破碎岩石所形成的岩屑，冷却并清洗切削齿，以及辅助破岩等作用。在现代快速钻井技术中，需要钻头具有优良破岩切削结构的同时，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头中使用的水孔大多为单个圆形孔，其直接清洗井底的能力，直接携岩运岩的能力，以及直接喷射冷却清洗切削齿的能力均较弱。其大部分区域的井底清洗，岩屑携带运移，切削齿的冷却都是利用圆形喷嘴喷射后的钻井液的漫流来完成的，漫流的水力能量远远小于直接喷射流体的水力能量，且喷射后所形成的漫流易形成涡流，涡流对钻头体和切削齿等会形成非常不利的影响，也不利于清洗和岩屑的及时快速运离。另外，现有钻头为了匹配钻头在井底破岩时的井底流场，其水孔多设置在钻头心部或设置在切削结构靠近心部的开始端附近，即所有水孔都尽量靠近钻头中心，以便于井底清洗和携岩时，形成从心部往外的钻井液(流体)漫流流场，但井底水力能量损失大，流场优化空间小，且只能集中在心部区域喷射。

近年，地热钻井发展迅速，地热钻井中常遇到高温井。很多地热井中地层温度已经达到150摄氏度或更高，钻头的工作温度甚至达到200摄氏度以上。常规圆形水孔的钻头，其水孔结构已不能满足高温井中钻头切削齿及时快速冷却、清洗的需要。高温井中，如不能及时冷却和清洗钻头及其切削齿，钻头和切削齿温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

发明内容

本发明目的在于：针对在快速钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题，提出一种新型水力结构金刚石钻头。能够显著提高钻头的冷却和排屑能力。

渐缩式水孔：顾名思义，即水孔出口的形状是由其中内端(靠近钻头中心的一端)向外端(远离钻头中心的一侧)，逐渐扩大(即宽度逐渐变宽)，且较长一端的水孔横截面是较短一端横截面的1.5倍及以上，如图5、6中M2/M1≥1.5。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，包括钻头本体，钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，相邻切削结构间为排屑槽，钻头上至少一个所述排屑槽上设置有渐缩式水孔。

上述方案中，渐缩式水孔不仅增加了钻头刀翼切削齿的冷却范围，渐缩式水孔出口较大的一端所流出的液流较多，水力能量较高，能够针对心部切削较弱区域进行及时高效的冷却，同时心部流出的液流流出时能够对钻头水道槽中的岩屑及切削齿进一步的清洗，从而大大提高钻井效率。

作为选择，至少一个所述渐缩式水孔较长一端的水孔横截面是较短一端横截面的1.5倍以上。

上述方案中，渐缩式水孔较长一端的水孔横截面是较短一端横截面的1.5倍以上，可大大提高液流从水孔流过覆盖面积，同时对切削量较大的切削齿可通过提高该部分水孔出口的大小来调整液流流过的容量，相对来说对切削量较小的切削齿则通过缩小该部分水孔出口来减少液流流过的容量，从而合理的分配水力能量利用率。

作为选择，所述渐缩式水孔的长度方向与其对应刀翼的切削齿排布方向的走向一致。

对应刀翼指钻头旋转过程中位于水孔后方的刀翼。对于曲线形状的刀翼(弧形刀翼、螺旋刀翼等)，刀翼上的切削齿按照相应的曲线规律排布，此时水孔长度方向与相应刀翼布齿方向的走向一致，水孔出口相应有所弯曲。上述方案中，长度方向与其对应刀翼的切削齿排布方向的走向一致可大大提高水孔液流流出的走向，减少液流克服流向所消耗的水力能量，最大程度的对切削齿进行冷却。

作为选择，至少一个所述渐缩式水孔的径向喷射范围不少于1/4钻头半径。

上述方案中，渐缩式水孔的径向喷射范围决定了液流对切削齿的冷却、清洗效果，喷射范围越大，对整个刀翼上的切削齿冷却越全面，尤其在高温钻井中，可同时对刀翼上的切削齿进行冷却，从而大大减少个别切削齿冷却不到而造成钻头的失效程度。

作为选择，在钻头体的心部区域设置有水孔。

上述方案中，钻头体的心部区域设置有水孔能够更有效地利用其水力能量，清洗钻头心部区域，及时将岩屑带离井底，有效冷却钻头及切削齿，心部水孔的出口形状可以是圆形、四边形、椭圆形、菱形或它们之间的组合等非圆形。

本发明内容与现有技术相比，其有益效果是：

1、本申请中水力系统的设计，增加了液流的冷却覆盖区域，同时能够有效减少井底漫流区域，减少或避免形成涡流及因涡流产生的危害。同时还能实现切削的均衡冷却，削弱某颗切削齿齿发生热磨损的可能性，钻头能够适应在高温环境下工作，特别是高温地热钻井。

2、本申请钻头技术针对心部切削较弱区域进行及时高效的冷却，同时心部流出的液流流出时能够对钻头水道槽中的岩屑及切削齿进一步的清洗，大大提高钻井效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为钻头示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为在钻头心部设置水眼的钻头结构示意图。

图4为图3沿渐缩式水孔纵向剖开的剖视图。

图5为渐缩式水孔的长度方向与其对应刀翼的切削齿排布方向的走向一致钻头结构示意图。

图6为四边形渐缩式水眼示意图。

图7为由四边形两端横截面端点处所延伸出的半圆所形成的渐缩式水眼示意图。

图8为钻头心部设置水孔的钻头结构示意图。

图9为图8的A-A剖视图。

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-固定刀翼、21-切削齿、3-水道槽、31-水道槽中圆形水眼、32-水道槽中渐缩式水孔、33-中心水孔。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例

本发明实施例提供了一种具有渐缩式水孔的金刚石钻头。请参阅图1，包括钻头体1，延伸自钻头体1或固定在钻头体1上的刀翼2，刀翼2上设置有切削齿21，相邻刀翼2之间形成水道槽3，钻头上至少一个相邻刀翼2之间的水道槽3中设置有渐缩式水孔32。本发明中渐缩式水孔32不仅增加了钻头刀翼切削齿的冷却范围，而且针对心部切削较弱区域进行及时高效的冷却，心部流出的液流流出时能够对钻头水道槽3中的岩屑进一步的清洗，同时还可在流道中设置圆形水孔31，从而提高水眼设置的灵活性，从而提高水力能量的利用率。

切削齿破岩过程中，不仅会产生大量的岩屑，而且切削齿也将产生大量的摩擦热，从而加剧齿的热磨损。尤其是高温地热钻井中，井底温度高，将会大大增加齿的磨损程度。渐缩式水孔出口形状不仅增加了钻头刀翼切削齿的冷却范围，而且针对心部切削较弱区域进行及时高效的冷却，心部流出的液流流出时能够对钻头水道槽中的岩屑进一步的清洗，大大提高钻井效率，如图2、3、4所示。水孔走势与刀翼切削齿排布方向的走向一致，可减少液流克服流向所消耗的水力能量，最大程度的对切削齿进行冷却，从而大大提高钻井效率，如图5所示。

进一步的，作为本领域内的工作人员，更容易想到的是在两端的横截面端点处可延伸出不同的形状的线段，如圆弧、曲线、折线等形状线段，且该水眼形状可为四边形，或者由四边形延伸出的异形形状，如图6、7所示。图6为由四边形两端横截面端点处所延伸出的半圆所形成的渐缩式水眼。水孔径向布齿覆盖区域为60％以上，即L1/L≥0.6，其中L为径向布齿覆盖区域，L1为扁长水孔的液流到达刀翼工作端面的径向覆盖区域。渐缩式水孔的径向喷射区域位于1/3钻头半径以外的径向范围内，且扁长水孔的出口覆盖区域覆盖80％以上的钻头切削结构的径向外三分之一区域，长度方向的纵剖面的扇形夹角为5-120°，如图4中P1/P≥0.8，5°≤α≤120°，其中钻头切削结构的径向外三分之一区域的长度为P，渐缩式水孔的扇形角覆盖区域在该钻头切削结构的径向外三分之一区域的覆盖长度为P1，如图4所示。

由切削齿破碎的岩屑最终要经由排屑槽而进入环空，如若进入排屑槽的岩屑不能顺利排出，也可能会造成岩屑拥堵在排屑槽内就，而造成泥包。为避免这种现象的发生，本发明还提出了在钻头体心部设置水孔的技术方案，进一步的增强了钻头冷却和排屑能力请参阅图8、9。

本技术适合于各种采用PDC刀翼作为切削结构的钻头，包括PDC钻头、PDC-牙轮复合钻头以及PDC-盘刀复合钻头等，所用切削齿(包括前排切削齿和后排切削齿)一般为常规圆形PDC切削齿，也包括可绕自身中心轴线旋转的PDC齿、异形PDC齿(包括椭圆齿、尖圆齿等)、具有三维工作面的金刚石复合齿(如屋脊齿、尖锥齿等)、TSP齿、孕镶金刚石切削齿等切削齿或切削元件。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，包括钻头本体，钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，相邻切削结构间为排屑槽，其特征在于：至少一个所述排屑槽上设置有渐缩式水孔。

2.如权利要求1所述的一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，其特征在于：至少一个所述渐缩式水孔较长一端的水孔横截面是较短一端横截面的1.5倍以上。

3.如权利要求1所述的一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，其特征在于：所述渐缩式水孔的长度方向与其对应刀翼的切削齿排布方向的走向一致。

4.如权利要求1所述的一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，其特征在于：至少一个所述渐缩式水孔的径向喷射范围不少于1/4钻头半径。

5.如权利要求1所述的一种具有渐缩式水孔的PDC钻头，其特征在于：在钻头体的心部区域设置有水孔。

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