CN210798852U - 一种具有后排齿水孔的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有后排齿水孔的PDC钻头，属于石油天然气钻探技术领域，包括有钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼，相邻刀翼之间形成钻井液流道，所述刀翼上设置有前排切削齿，且至少有一个刀翼上的切削齿至少有两排，钻头上至少有一个刀翼的前排切削齿和后排切削齿之间设置有水孔，即后排齿水孔。本实用新型的钻头结构上设置有后排齿，在钻进坚硬、高温地层中，后排齿在主切削齿失效的情况下能够及时对岩石进行切削，从而提高钻头在此类地层中的钻进效率，增加钻头使用寿命。同时，在刀翼上与钻头体上(特别是流道槽内)同时布置水孔，可进一步增强钻头冷却和排屑能力，大幅弱化切削齿的热磨损，进而提高钻头在高温、高硬度、高研磨性及不均质地层的钻进能力。

Description

一种具有后排齿水孔的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，特别是涉及一种具有后排齿水孔的PDC钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。除切削结构以外，钻头上的水力结构对钻头的破岩效率、使用寿命也起到了重要作用，即冷却切削齿、清洗井底、运移岩屑、辅助破岩等。目前，钻头上水力结构的设计均是在钻头体上的不同位置布置喷嘴或水孔，内流道里的钻井液或冷却介质通过喷嘴或水孔喷射出去以达到清洗、冷却切削齿目的。同时针对钻头在复杂难钻地层时出现的因主切削齿的失效而降低钻头使用寿命情况，采用在钻头上设置后排齿来代替已失效主切削齿进行破岩，从而来提高钻头的使用寿命。

在现代快速钻井技术中，需要钻头具有优良破岩切削结构、清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头的水力结构及刀翼切削齿只针对特定地层来进行设计，一是针对软地层来进行相应钻头的设计，来预防在钻进软地层中因岩屑过多而导致的钻头泥包；二是针对硬地层来进行相应的钻头的设计，来预防在钻进硬地层中因摩擦过大而使切削齿产生较大的热量，从而使其不能得到及时冷却而发生热磨损现象。以上钻头只能针对软地层或者硬地层等单一地层来进行钻进，而不能同时兼顾软、硬地层钻进。当地层较硬时，为提高刀翼上切削齿的工作寿命，常用的方法之一是在刀翼上设置后排切削齿，后排切削齿一般多设置在钻头上径向位置靠外的区域(如鼻部及鼻部以外的区域)。

当喷嘴与切削齿距离较大(即大喷距)时，水力沿程能量损耗大，在钻进软地层时将不能及时对岩屑进行清洗、运移，从而造成岩屑的不断堆积，进而导致钻头泥包的产生，最终引起钻头失效；在钻进硬地层时将会使切削齿因摩擦作用不能得到及时充分的冷却而使切削齿发生热磨损，从而加速钻头切削齿的失效，在钻头切削齿失效情况下，将会快速造成刀翼体的磨损，进而使钻头使用效率大大降低。特别是近年来地热钻井的迅速发展，钻头的工作温度高达150°或更高，切削齿发生热磨损的几率大幅提升，将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

随着钻井的不断发展，在实际钻井中不仅仅会遇到软地层或是硬地层，还会遇到各种不同的地层及软硬交替地层。常规钻头不能同时满足在软地层中的防泥包及硬地层中避免切削齿热磨损现象的发生。

发明内容

本发明目的在于：针对现有钻头技术的不足，提出一种具有后排齿水孔的PDC钻头，解决钻头后排切削齿冷却效果差，且岩屑难以及时排出，进而降低钻头破岩效率和使用寿命的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种具有后排齿水孔的PDC钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼，相邻刀翼之间形成钻井液流道，所述刀翼上设置有前排切削齿，且至少有一个刀翼上的切削齿至少有两排，其特征在于：钻头上至少有一个刀翼的前排切削齿和后排切削齿之间设置有水孔，即后排齿水孔。

前排切削齿：钻头旋转方向上，同一刀翼上靠前的切削齿为前排切削齿(简称前排齿)，也是钻头在工作过程中最先接触岩石进行切削的齿。前排切削齿位于刀翼边缘或流道边缘，冷却和排屑条件好，故通常切削齿优先设置为前排齿。由于刀翼前缘的布齿空间有限，通常在地层较硬或不均质性较强时，为了提高钻头上切削齿的工作寿命，在前排切削齿之后还可以设置后排切削齿(简称后排齿)。后排齿多设置在冠顶以及冠顶以外的区域，后排齿可以是一排，也可以是多排，也可以在前排之后分散布置。

上述方案中，在前排切削齿磨损到一定程度时，后排齿开始进行破岩，或者前、后排齿同时破岩，从而延长钻头切削结构的工作寿命。尤其是在难钻、高温地层，切削齿极易磨损失效，可大大提高此类地层中钻头切削结构的工作寿命。在刀翼的前排切削齿和后排切削齿之间设置有水孔，不仅有效利用了刀翼体上的空间，且能显著提高水力系统对后排切削齿的冷却和清洗效果，有效减轻在高温地热钻井及硬地层钻进过程中因摩擦而产生的切削齿热磨损，从而增强钻头的钻进能力。

作为选择，所述刀翼的前排切削齿和后排切削齿之间的水孔为串状水孔。

水孔的出口形状由两个或两个以上的圆、椭圆、多变形等形状串通形成，这种串形结构的称为串状水孔或串型水孔。上述方案中，前排切削齿和后排切削齿之间设置串状水孔能使由水孔流出的液流更加集中，且将集中的液流用在了后排切削齿的冷却、清洗，大大增加水力能量的利用率。尤其在高温地热钻井中，该方案效果更佳明显。

作为选择，所述刀翼的前排切削齿和后排切削齿之间设置有后排齿凹槽，后排水孔设置在后排齿凹槽内。后排齿凹槽可以是长宽尺寸相当的凹窝，也可以是长宽尺寸差别较大的沟槽，简称凹槽。

上述方案中，刀翼后排齿在切岩过程中会产生大量的岩屑，由于刀翼体与井底之间的空间狭小，部分岩屑容易堆积、粘附在刀翼体上，特别是刀翼的布齿工作面上，凹槽一方面能增大刀翼体与井底之间的容纳空间，另一方面凹槽内的液流能拓宽后排齿水孔的作用范围，改善其作用效果，有效减少甚至避免岩屑在刀翼后排齿区域的堆积和粘附，从而更加有利于岩屑的排出。

作为选择，在保径块上设置有保径块流道槽，与刀翼上前排切削齿和后排切削齿之间的凹槽相连通，后排齿水孔设置在凹槽中。

上述方案中，保径块流道槽与刀翼上的后排齿凹槽相连通，就在刀翼体上建立了一条将后排齿切削的岩屑有效排出的流道，后排齿水孔、后排齿凹槽和保径块流道槽一起构成了一个专门服务于后排齿的水力子系统，能更好地实现对刀翼后排齿的冷却和排屑。

作为选择，所述刀翼上设置有多排后排齿，后排齿水孔设置在前排齿与最后排齿之间。

上述方案中，刀翼工作面上设置多排后排齿，在主切削齿及部分后排齿失效情况下，还有其余后排齿进行切削齿破岩，能够提高钻头的破岩效率，增加钻头使用寿命，后排齿水孔设置在前排齿与最后排齿之间，能够达到对后排齿进行高效冷却、清洗的目的。

作为选择，所述刀翼上设置有多排后排齿，后排齿水孔设置在前排齿与除最后排齿以外的其它后排齿之间。

上述方案中，后排齿水孔设置在前排齿与除最后排齿以外的其它后排齿之间，能够通过合理设置后排齿水孔的位置，进一步提高对后排齿的冷却、清洗效果，更有利于提高钻头的使用寿命。

作为选择，在所述刀翼之间的水道中设置有喷嘴或水孔。

上述方案中，刀翼之间的水道中设置有喷嘴或水孔，不仅能够辅助对钻头的冷却，而且还加大了井底岩屑的清洗效果。

本发明内容与现有技术相比，其有益效果是：

1、本发明钻头结构设置有后排齿，在钻进坚硬、高温地层中，后排齿在主切削齿失效的情况下能够及时对岩石进行切削，从而提高钻头在此类地层中的钻进效率，增加钻头使用寿命。同时水孔设置在后排齿位置上，能够及时对后排齿进行冷却，避免后排齿因冷却不到或冷却效果不佳而造成后排齿的提前失效。

2、水孔喷射距离明显缩短，经由切削齿工作面的液流喷射速度更大，能够及时的清洗井底，并能有效对岩屑进行运移，适用于软、硬、软硬交替地层。同时水孔喷射距离的缩短，使由刀翼工作面上的水孔喷射出的液流束能耗小，对井底岩石的辅助破坏效果更佳。特别的，刀翼体上安装的水孔或串状水孔能更好的应用到地热钻井中，从而增大切削齿的集中喷射效果。

3、刀翼上设置有后排齿凹槽的方案中，能够进一步减少岩屑在刀翼工作面上的粘附，岩屑排出效果更佳。

4、刀翼上与钻头体上(特别是流道槽内)同时布置水孔时，进一步的增强了钻头冷却和排屑能力，大幅弱化切削齿的热磨损，进而提高钻头在高温、高硬度、高研磨性及不均质地层的钻进能力。

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为具有后排齿水孔的PDC钻头示意图。

图2为在刀翼前排切削齿与后排切削齿之间设置串状水孔的钻头示意图。

图3为沿刀翼体上后排齿水孔纵向剖开的剖视图。

图4为刀翼前排切削齿与后排切削齿之间设置有凹槽，且凹槽内设置后排齿水孔的钻头示意图。

图5为刀翼前排切削齿与后排切削齿之间设置有凹槽，且凹槽内设置串状水孔钻头的示意图。

图6为图5沿B-B剖开的剖视图。

图7为保径块流道槽与刀翼后排齿凹槽相连通，且凹槽内设置水孔钻头示意图。

图8为在保径块流道槽与刀翼后排齿凹槽相连通，且凹槽内设置串状水孔的钻头示意图。

图9为刀翼上有多排后排齿且设置有后排齿水孔的钻头示意图。

图10为刀翼上设置有多排后排齿且后排齿水孔为串状水孔的钻头示意图。

图11为刀翼之间的水道中设置串状水孔钻头示意图。

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-刀翼、21-前排切削齿、22-第一后排切削齿、23-第二后排切削齿、201-刀翼上的后排圆形水孔、202-刀翼上的后排串状水孔、24-刀翼上的后排齿凹槽、241-凹槽中的圆形水孔、242-凹槽中的串状水孔、3-流道槽、31-流道槽中的圆形水孔、32-流道槽中的串状水孔、4-钻头体保径块。

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后排齿水孔的PDC钻头。请参阅图1，包括钻头体1、延伸自钻头体或固定在钻头体1上的若干个刀翼2，相邻刀翼2之间形成钻井液流道3，所述刀翼2上设置有前排切削齿21，且至少有一个刀翼2上的切削齿至少有两排，其特征在于：钻头1上至少有一个刀翼2的前排切削齿21和后排切削齿22之间设置有水孔201。现有钻头技术，水孔31一般设置在钻头体上，这样水孔31与井底或切削齿21、22的距离较远，水力能量的利用率下降。而本发明中，在后排切削齿22所在的刀翼工作面上设置后排齿水孔201，显著减小了水孔的喷射距离，能够及时、充分的冷却切削齿，减少热磨损的发生，同时还能以足够大的能量运移由切削齿21、22所产生的岩屑，减少泥包发生的几率，同时刀翼2上后排齿22的设置，可大大提高切削齿的工作寿命，从而增加钻头的钻井效率。

进一步的，作为本领域内的工作人员，更容易想到的是刀翼上前排切削齿和后排切削齿的水孔为串状水孔，以增强刀翼上水孔的径向覆盖范围，对切削齿进行均衡冷却效果，这种方案更适用于高温地热钻井中，如图2、3、10所示。更优的方案是刀翼上前排切削齿和后排切削齿的水孔为串状水孔，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为串状水孔的液流到达刀翼工作面的径向覆盖区域，请参阅图2、3。

由切削齿破碎的岩屑最终要经由流道槽而进入环空，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流道槽内，进而造成泥包。为避免这种现象的发生，本发明还提出了在刀翼上前排切削齿、后排切削齿之间及钻头体(或流道槽内)同时布置水孔的技术方案，进一步的增强了钻头冷却和排屑能力请参阅图4。

切削齿破岩过程中，部分岩屑将与刀翼工作面接触并粘附其上，尤其是后排齿与主切削齿间更容易使岩屑粘附。为解决此问题，在前排切削齿与后排齿之间设置有凹槽，将水孔设置在凹槽内，不仅对刀翼上的岩屑起到润滑作用，而且还大大降低岩屑在刀翼体上(尤其是主切削齿与后排齿之间)的粘附效果，凹槽内的液流能拓宽后排齿水孔的作用范围，改善其作用效果，如图4、5、6、11所示。同时在钻头体保径上设置流道槽并使其与后排齿凹槽相连通，形成了一个有效排出后排齿区域岩屑的流道，有利于提高钻头冷却效率和清洗效果，如图7、8所示。

在破岩过程中，岩石对切削齿产生较大的反作用力，容易造成切削齿的失效，尤其是主切削齿的失效。当地层条件复杂时，后排切削齿也会受到不同程度的失效，在刀翼体上设置多排切削齿，可弥补已失效主切削齿及后排齿的破岩效率，增加钻头的使用寿命。同时在后排切削齿所在位置设置水孔，能够更好的兼顾后排齿的冷却效果，大大提高钻头的使用寿命，增加钻井效率，如图9、10所示。

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 (7)

1.一种具有后排齿水孔的PDC钻头，包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼，相邻刀翼之间形成钻井液流道，刀翼上设置有前排切削齿，且至少一个刀翼上的切削齿至少有两排，其特征在于：钻头上至少有一个刀翼的前排切削齿与后排切削齿之间设置有后排齿水孔。

2.如权利要求1所述的一种具有后排齿水孔的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼的前排切削齿与后排切削齿之间的后排齿水孔为串状水孔。

3.如权利要求1所述的一种具有后排齿水孔的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼的前排切削齿与后排切削齿之间设置有凹槽，后排齿水孔设置在凹槽内。

4.如权利要求1所述的一种具有后排齿水孔的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼的前排切削齿与后排切削齿之间设置有凹槽，后排齿水孔设置在凹槽内，且在所述刀翼的保径块上设置有保径块流道槽，所述凹槽与保径块流道槽相连通。

5.如权利要求1所述的一种具有后排齿水孔的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼工作面上设置有多排后排齿，后排齿水孔设置在前排齿与最后排齿之间。

6.如权利要求1所述的一种具有后排齿水孔的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼工作面上设置有多排后排齿，后排齿水孔设置在前排齿与除最后排齿以外的其它后排齿之间。

7.如权利要求1所述的一种具有后排齿水孔的PDC钻头，其特征在于：在所述刀翼之间的水道中设置有喷嘴或水孔。

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