CN211524716U - 一种带有宽刃口切削齿的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头。钻头体上的切削齿为宽刃口切削齿，宽刃口切削齿的宽切削刃的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃为直线，采用宽刃口切削齿使钻头的径向切削轮廓与径向布齿轮廓更加吻合。本发明的目的旨在通过钻头的结构来改善PDC钻头磨损的问题，延长切削齿磨损寿命，使切削齿的磨损与预期磨损趋势相符，对钻头的损坏预测性更强，有利于设计与改进；实现破岩能量合理分配，提高破岩效率。

Description

一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油钻探钻具技术领域，特别涉及一种带有宽刃口切削齿的PDC 钻头及布齿方法。

背景技术

PDC(Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片)钻头是目前石油天然气钻井工程中使用得最多的破岩工具之一。PDC钻头多为刀翼式结构形式，PDC齿布置在钻头体的刀翼冠部上，刀翼之间形成钻头的水力流道。PDC齿由聚晶金刚石层和硬质合金基座复合而成，传统PDC齿采用圆柱形齿，一个个圆柱形PDC齿组成钻头的切削轮廓。圆柱齿组成的切削轮廓与理论轮廓有差异，导致钻头实际破岩工作状态与理想设计工况差别较大，难以分析钻头的工作状况及磨损损坏情况，给钻头的设计优化带来困难；在钻头布齿中，采用圆柱形齿布齿会导致钻头产生岩脊现象，为减缓此现象的发生，需要对圆柱形齿进行加密布齿；圆柱形齿在钻进时，齿与井底岩石的接触圆弧，将直接侵入变成了曲线的包络，增加了接触面积，削弱了齿及钻头的吃入(侵入)能力。

PDC钻头切削齿的磨损是在机械、热、化学的综合作用下，产生摩擦磨损、剥落磨损、粘结磨损以及氧化磨损等的结果，是一个十分复杂的过程。其中，摩擦磨损是任何刀具切削过程中都存在的物理现象。

随着浅层油气资源的不断枯竭，油气勘探开发正从常规油气藏向低渗透和非常规油气藏转变，从浅层向深层、超深层发展，导致钻井难度越来越大。采用常规PDC钻头在极硬、强研磨性和硬塑性等地层中，机械钻速低，使用寿命短，因此，需要采用新的PDC钻头及布齿方法解决难钻地层的钻井提速问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，旨在通过该钻头的结构来改善PDC钻头磨损的问题，从而实现破岩能量合理分配，提高破岩效率。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，包括钻头体及钻头体上布置的切削齿，所述钻头体上至少有一颗切削齿为宽刃口切削齿，所述宽刃口切削齿的宽切削刃的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃为直线，或所述宽刃口切削齿的宽切削刃的轮廓的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃的轮廓为直线。

重叠度是指，钻头上径向两相邻齿原始切削刃半径分别为R1和R2，两邻齿齿心之间的距离为L，则两齿的重叠度为(R1+R2-L)/(R1+R2)。原始切削刃是指切削齿的宽切削刃以外的切削刃补全后的切削刃(如图5所示，切削齿按原切削刃补全后的切削刃7即为原始切削刃)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)在钻头上采用宽刃口切削齿，这种宽刃口切削齿与岩石接触面为直齿线或较大曲率半径的曲线，旨在通过该齿形结构来降低破岩过程中常规钻头初期齿磨损现象，延长切削齿磨损寿命，降低出现损坏PDC齿甚至本体的情况，同时该齿形结构与预期磨损趋势相符，对钻头的损坏预测性更强，便于对钻头磨损前以及磨损后的工作性能进行分析优化，有利于设计与改进。

(2)采用宽刃口齿形结构，钻头的径向切削轮廓与径向布齿轮廓更加吻合。常规PDC钻头采用圆齿布齿，钻头的理论径向切削轮廓与实际径向布齿轮廓差别大(如图11所示)。常规圆齿钻头的切削齿与岩石的接触轮廓与设计轮廓相差大，设计误差大。特别是当钻头吃入较浅时，切削齿与岩石的实际接触轮廓与设计轮廓差别更大。

(3)采用宽刃口齿形结构可以减少布齿数量。常规PDC钻头采用圆齿布齿，为使切削轮廓更接近理论设计轮廓，需将圆齿在径向布齿图上紧密排列，切削齿的布齿密度非常高。采用宽刃口切削齿不需要在径向布齿图上加密排列，便能达到或接近理论设计轮廓，这能明显减少布齿数量和密度，提高钻头破岩效率。

(4)相比于圆形切削齿，钻头切削轮廓采用宽刃口切削齿，齿与齿之间的载荷及切削能量分配将更均衡，可以实现破碎能量的合理分配，有助于布齿设计，提高钻头的破岩效率。

作为优选，宽切削刃或宽切削刃的轮廓至原始切削刃的圆心的距离S的范围为0.2R≤S≤0.95R，R为原始切削刃的半径或短径。

距离S定义为：在宽切削刃两端点连线垂直的方向上，切削齿的原始切削刃的圆心与宽切削刃上最远点之间的距离为S。

宽刃口切削齿选用聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合齿，孕镶金刚石齿 (块)，立方碳化硼，硬质合金齿，或聚晶金刚石与孕镶金刚石复合而成的齿。

实际钻井应用中，可根据不同地层情况和经济性，选择合适的上述齿材作为切削齿。

作为优选，宽刃口切削齿设置在钻头二分之一半径区域内。

由于钻头心部承压较大，将切削齿设置在钻头二分之一半径区域内可以提高吃入能力，进而提高效率。

作为优选，宽刃口切削齿设置在钻头三分之二半径区域内。

在钻进过程中，宽刃口切削齿设置的范围越广，钻头切削轮廓越接近设计理论轮廓，设计或优化的误差越小。宽刃口切削齿设置的范围越广，钻头的攻击性也越强，钻井效率越高。

作为优选，宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A小于 105°。

宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角越大，齿刃强度更高，但二面角的角度不宜过大，以免降低吃入能力。

作为优选，宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A为直角或锐角。

宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角为直角或锐角，其吃入能力较强。

作为优选，宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A的范围为70°≤A≤90°。

宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角接近直角，使钻头具有较好吃入能力的同时保证了切削齿的强度。

作为优选，宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度大于零，且所述宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度小于1。

宽刃口切削齿之间径向排布重叠度大于零保证井底全覆盖，同时考虑经济性和攻击性等因素，径向排布重叠度不宜太高。

作为优选，宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度大于零，且所述宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度小于0.5。

宽刃口切削齿之间径向排布重叠度大于零保证井底全覆盖，同时为了保证钻头的攻击性，其重叠度不宜过大。

作为优选，宽刃口切削齿的宽切削刃为锯齿状，或为多段曲线，或为直线与曲线形成的组合，宽切削刃的轮廓由上述线形的多个顶点确定，宽切削刃的轮廓的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃的轮廓为直线。

宽刃口切削齿的宽切削刃为锯齿状，或为多段曲线等在钻进过程中会使岩石表面碎口参差不齐，有利于局部吃入和刮切，进而提高钻头破岩效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本专利作进一步详细的说明。

附图1为采用宽刃口切削齿的PDC钻头整体结构示意图；

附图2为采用宽刃口切削齿的PDC钻头沿钻头轴线看时的钻头俯视图；

附图3为采用宽刃口切削齿的PDC钻头局部布齿示意图；

附图4为采用宽刃口切削齿的PDC钻头宽刃口切削齿设置在钻头三分之二半径区域内示意图；

附图5曲面型宽刃口切削齿齿刃示意图；

附图6为锯齿状宽刃口切削齿齿刃示意图；

附图7为直线型宽刃口切削齿齿刃示意图；

附图8为宽刃口切削齿宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A为钝角时的示意图；

附图9为宽刃口切削齿宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A为直角时的示意图；

附图10为宽刃口切削齿宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A为锐角时的示意图；

附图11为圆形切削齿与宽刃口切削齿径向覆盖时的切削轮廓对比图；

附图12为直线型宽刃口切削齿的径向排布重叠度大于零小于0.5时的示意图。

附图13为曲面宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度大于零小于0.5示意图。

图中，1-钻头体，2-刀翼，3-宽刃口切削齿，4-常规圆柱形切削齿，5-喷嘴水眼，6-宽切削刃，7-原始切削刃，8-宽切削刃的轮廓，9-切削面，10-齿侧。

具体实施方式

以下结合附图，说明本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

实施例一：

如图1至7所示，一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，包括钻头体1及钻头体1上布置的切削齿4，所述钻头体上至少有一颗切削齿为宽刃口切削齿3，所述宽刃口切削齿3的宽切削刃6的曲率小于宽刃口切削齿3的原始切削刃7的曲率(如图5)或宽切削刃6为直线(如图7)，或所述宽刃口切削齿3的宽切削刃6的轮廓8的曲率小于宽刃口切削齿3的原始切削刃7的曲率或宽切削刃的轮廓8为直线(图6)。所述宽切削刃6或宽切削刃的轮廓8至原始切削刃7的圆心的距离S的范围为0.2R≤S≤0.95R，R为原始切削刃的半径或短径；所述宽刃口切削齿3为聚晶金刚石复合片，聚晶金刚石复合齿，孕镶金刚石齿(块)，立方碳化硼，硬质合金齿，或聚晶金刚石与孕镶金刚石复合而成的齿；如图2所示，所述宽刃口切削齿3设置在钻头二分之一半径区域内(图1、图2)；如图8 所示，所述宽刃口切削齿3的宽切削刃6对应的齿侧10与切削面9的二面角A 小于105°；如图5、6、7所示，所述宽刃口切削齿3的宽切削刃8为圆弧(图 5)、锯齿状(图6)，或为多段曲线，或为直线与曲线形成的组合，宽切削刃6的轮廓8(图6中的8)由上述线形的多个顶点确定，宽切削刃6的轮廓8的曲率小于宽刃口切削齿3的原始切削刃7的曲率或宽切削刃6的轮廓8为直线(图 7)。宽刃口切削齿3在钻头径向上连续排布,宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度大于零，且宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度小于1。

实施例二：

如图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：宽刃口切削齿3设置在钻头三分之二半径区域内。

实施例三：

如图9所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：宽刃口切削齿3的宽切削刃6对应的齿侧10与切削面9的二面角A为直角或锐角。

实施例四：

如图10所示，本实施例与实施例三的不同之处在于：宽刃口切削齿3的宽切削刃6对应的齿侧10与切削面9的二面角A的范围为70°≤A≤90°。

实施例五：

如图12和图13所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：宽刃口切削齿 3在钻头径向上连续排布,宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度大于零，且宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度小于0.5。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所诉内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，包括钻头体及钻头体上布置的切削齿，其特征在于：所述钻头体上至少有一颗切削齿为宽刃口切削齿，所述宽刃口切削齿的宽切削刃的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃为直线，或所述宽刃口切削齿的宽切削刃的轮廓的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃的轮廓为直线。

2.如权利要求1所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽切削刃或宽切削刃的轮廓至原始切削刃的圆心的距离S的范围为0.2R≤S≤0.95R，R为原始切削刃的半径或短径。

3.如权利要求1所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿设置在钻头二分之一半径区域内。

4.如权利要求1所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿设置在钻头三分之二半径区域内。

5.如权利要求1所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A小于105°。

6.如权利要求5所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A为直角或锐角。

7.如权利要求6所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿的宽切削刃对应的齿侧与切削面的二面角A的范围为70°≤A≤90°。

8.如权利要求1所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿在钻头径向上连续排布,与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度大于零，且所述宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度小于1。

9.如权利要求8所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿与宽刃口切削齿之间的径向排布重叠度小于0.5。

10.如权利要求1所述的一种带有宽刃口切削齿的PDC钻头，其特征在于：所述宽刃口切削齿的宽切削刃为锯齿状，或为多段曲线，或为直线与曲线形成的组合，宽切削刃的轮廓由上述线形的多个顶点确定，宽切削刃的轮廓的曲率小于宽刃口切削齿的原始切削刃的曲率或宽切削刃的轮廓为直线。

Images