CN213330912U - 一种近水平定向钻进用pdc定向钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种近水平定向钻进用PDC定向钻头，包括钻头基体、围绕钻头基体周向设置的刀翼，刀翼包括切削齿面和保径面，切削齿面上设置有切削齿；刀翼的切削齿面和保径面上均设置有硬化层。本实用新型的刀翼表面设置有一层呈冶金结合的硬化层，钻头表面不但具有胎体式钻头的耐磨耐冲蚀性能，而且具有钢体式钻头的强韧性能，彻底解决了定向钻头存在掉块、刀翼折断问题，提高钻头钻进砂岩、灰岩等硬岩时的使用寿命和钻进效率。

Description

一种近水平定向钻进用PDC定向钻头

技术领域

本实用新型属于煤矿井下钻探施工技术领域，具体涉及一种近水平定向钻进用PDC定向钻头。

背景技术

随着煤矿井下定向钻进技术的发展，煤层顶底板岩层近水平定向长钻孔越来越多，比如顶板高位定向长钻孔替代高抽巷，解决瓦斯抽采问题；底板定向长钻孔，用于水害防治问题等。由于顶板或底板近水平定向长钻孔，以钻进硬度相对较高的砂岩、灰岩等为主，且要求进行侧钻分支作业，而PDC钻头的性能直接影响施工效率和钻进成本，因此要求PDC定向钻头同时具备较强的钻进硬岩的能力，以及良好的造斜能力。

目前，施工定向水平长钻孔采用有线测量钻杆+无磁钻杆+探管+孔底马达+胎体式PDC定向钻头的钻具组合，已经取得了较好的应用效果。但胎体式PDC定向钻头性能有待进一步提高，比如钻头寿命短、采用粉末冶金技术制造，存在胎体掉块、刀翼折断等风险。随着定向钻进技术的推广，1000m以上的顶板或者底板岩层定向长钻孔越来越多，更需要钻头具有较长寿命，实现一钻到底的目标，以大幅减少提下钻等辅助作业时间。目前有部分技术通过在PDC切削翼两两之间的钻头头部周缘均镶嵌有一颗侧钻分支柱齿，形状为四棱锥形切削刃，对钻头的切削性能进行改善，但这种结构仅用于大直径孔内侧钻小直径分支孔工况下，适用范围小，不具有普遍性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种近水平定向钻进用PDC定向钻头，解决现有的PDC钻头在岩层定向长钻孔提下钻作业情况下磨损严重、使用寿命短的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种近水平定向钻进用PDC定向钻头，包括钻头基体、围绕钻头基体周向设置的刀翼，刀翼包括切削齿面和保径面，所述的切削齿面上设置有切削齿；所述的刀翼的切削齿面和保径面上均设置有硬化层。

优选的，所述的保径面上的硬化层的厚度为2～3mm，所述的切削齿面上的硬化层的厚度为1.5～2mm。

优选的，所述的刀翼的切削齿面和保径面上均设置有基准槽，基准槽的深度比对应的硬化层的厚度小0.1～0.2mm，基准槽中熔敷有硬化层。

进一步的，所述的刀翼的保径面底部设置有反切齿。

优选的，所述的刀翼呈螺旋状结构，螺旋角为6°～8°。

优选的，所述的刀翼的保径面与切削齿面垂直；所述的保径面上设置有保径齿。

优选的，所述的刀翼有多个，多个刀翼围绕钻头基体圆周方向均匀分布，且多个刀翼呈内锥状，内锥角为165°～175°。

优选的，每个刀翼的切削齿面上均设置有多个切削齿，多个切削齿沿刀翼其中一端向保径面端依次分布，且多个切削齿的切削角沿刀翼其中一端向保径面端逐渐减小。

进一步的，相邻所述的刀翼之间设置有流道槽。

进一步的，所述的钻头上还设置有水眼，水眼包括中心水眼和外圈水眼，中心水眼的中心轴线与钻头基体的中心轴线重合；外圈水眼的中心轴线与钻头基体的中心轴线呈一定夹角。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的刀翼表面设置有一层呈冶金结合的硬化层，钻头表面不但具有胎体式钻头的耐磨耐冲蚀性能，而且具有钢体式钻头的强韧性能，彻底解决了定向钻头存在掉块、刀翼折断问题，提高钻头钻进砂岩、灰岩等硬岩时的使用寿命和钻进效率。

(2)本实用新型通过在保径面底部设置反切齿，保证提钻时钻具能够顺利提出孔底，避免缩孔对提钻的影响。

(3)本实用新型的刀翼呈浅内锥状分布在钻头基体上，一方面在钻头正常钻进时，能够抑制钻头侧向不平衡力，减缓钻头的横向震动，提高钻头稳定性；另一方面在定向作业时，能够保证钻头具有较好的侧钻造斜能力。

(4)本实用新型的刀翼采用螺旋状结构，能够有效分散保径面所受的摩擦力，增加有效接触面积，进一步提高钻头工作时的稳定性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例记载的定向钻头整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例记载的无硬化层的定向钻头结构示意图。

图3是本实用新型实施例记载的刀翼的结构示意图。

图4是本实用新型实施例记载的定向钻头轴向剖面示意图。

图5是本实用新型实施例记载的定向钻头俯视图。

图中各标号表示为：

1-钻头基体，2-刀翼，3-切削齿，4-硬化层，5-反切齿，6-保径齿，7-流道槽，8-水眼；

11-螺纹；21-切削齿面，22-保径面，23-基准槽，24-反切齿孔，25-保径齿孔，26-切削齿窝；

81-中心水眼，82-外圈水眼。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外。

本实用新型的一个具体实施例公开了一种近水平定向钻进用PDC定向钻头，如图1所示，该钻头包括钻头基体1、刀翼2和切削齿3，其中刀翼2围绕钻头基体1周向设置，且相邻所述的刀翼2之间的间隙形成流道槽7。

如图3所示，刀翼2整体形状为近似L型结构，每个刀翼2的一端为切削齿面21，另一端为保径面22，刀翼2的保径面22与切削齿面21垂直，并在切削齿面21上设置切削齿3。在刀翼的切削齿面21和保径面22上均设置有硬化层4，本实施例中的硬化层4为WC硬化层，该硬化层由WC粉末经熔覆焊形成于刀翼2表面，与刀翼2之间实现冶金结合。使得钻头表面不但具有胎体式钻头的耐磨耐冲蚀性能，而且具有钢体式钻头的强韧性能，彻底解决了定向钻头存在掉块、刀翼折断问题。

作为本实用新型的优选方案，在加工WC硬化层时，首先在刀翼2的切削齿面21和保径面22上分别铣一个基准槽23，其中基准槽23的深度比要熔敷的硬化层4的厚度小0.1～0.2mm，然后再在基准槽23中熔敷WC粉末形成WC硬化层4。

作为本实用新型的优选方案，保径面22上的硬化层4的厚度为2～3mm，切削齿面21上的硬化层4的厚度为1.5～2mm。

本实用新型中的刀翼2设置有多个，数量一般为3～6个，具体根据岩层性质进行选取。多个刀翼2围绕钻头基体1圆周方向均匀分布，且多个刀翼2呈内锥状内锥角α为165°～175°。本实用新型中的内锥角指两个对称的刀翼的切削齿面之间的夹角，如图4所示。这种内锥结构，一方面在钻头正常钻进时，能够抑制钻头侧向不平衡力，减缓钻头的横向震动，提高钻头稳定性；另一方面在定向作业时，能够保证钻头具有较好的侧钻造斜能力。

作为本实用新型的优选方案，刀翼2呈螺旋状结构，能够有效分散保径面所承受的摩擦力，增加有效接触面积，进一步提高钻头工作时的稳定性。本实施例中的螺旋角优选6°～8°。另外，刀翼2的最高位置高出钻头基体1的高度不低于50mm。

本实用新型中的每个刀翼2的切削齿面21上均加工有多个切削齿3，作为本实用新型的优选方案，首先在切削齿面21上设置有多个切削齿窝26，具体可通过数控机床在切削齿面21铣切削齿窝26。然后将切削齿3钎焊于切削齿窝26内，切削齿窝26的直径略大于切削齿3的直径，本实施例中的切削齿具体为PDC复合片。本实用新型中，多个切削齿3沿刀翼2其中一端向保径面22端依次分布，且多个切削齿3的切削角沿刀翼2其中一端向保径面22端逐渐减小，具体的，本实施例中切削角由18°逐渐减小到15°。本实用新型中，切削角为切削齿的轴线与钻头基体1端部水平面的夹角。

作为本实用新型的优选方案，在刀翼2的保径面22底部(具体为流道槽7的一侧底部)设置有反切齿5，反切齿5同切削齿3，都是PDC复合片，通过设置反切齿5保证提钻时钻具能够顺利提出孔底，避免缩孔对提钻的影响。在连接反切齿5时，首先在刀翼2保径面22底部加工反切齿孔24，再采用钎焊技术将反切齿5焊接在反切齿孔24内，反切齿孔24的直径略大于反切齿5的直径，反切齿孔24的深度与反切齿5的厚度相同。

作为本实用新型的优选方案，在保径面22上设置有保径齿6，如图1所示。具体的，首先在保径面22上铣出保径齿孔25，然后将保径齿6焊接在保径齿孔25中，一般，保径齿孔25的直径略大于保径齿6的直径，保径齿6也为PDC复合片。每个保径面22上的保径齿6不少于两片，且所有PDC保径齿能覆盖钻头整个保径面22，设置保径齿6可避免钻孔对钻头侧部的磨损进而影响孔径大小的问题。

在钻头上还设置有水眼8，钻井液经水眼8喷出并顺着流道7携带岩屑返出孔底。如图5所示，本实施例中的水眼8包括中心水眼81和外圈水眼82，中心水眼81的中心轴线与钻头基体1的中心轴线重合，外圈水眼82的中心轴线与钻头基体1的中心轴线呈一定夹角，本实施例中，该夹角为25°。

另外，在钻头基体1的下端还设置有螺纹11，用于连接孔底马达或其他钻杆。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本实用新型的思想，同样应当视其为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种近水平定向钻进用PDC定向钻头，包括钻头基体(1)、围绕钻头基体(1)周向设置的刀翼(2)，刀翼(2)包括切削齿面(21)和保径面(22)，所述的切削齿面(21)上设置有切削齿(3)，其特征在于，所述的刀翼的切削齿面(21)和保径面(22)上均设置有硬化层(4)。

2.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的保径面(22)上的硬化层(4)的厚度为2～3mm，所述的切削齿面(21)上的硬化层(4)的厚度为1.5～2mm。

3.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的刀翼(2)的切削齿面(21)和保径面(22)上均设置有基准槽(23)，基准槽(23)的深度比对应的硬化层(4)的厚度小0.1～0.2mm，基准槽(23)中熔敷有硬化层(4)。

4.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的刀翼(2)的保径面(22)底部设置有反切齿(5)。

5.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的刀翼(2)呈螺旋状结构，螺旋角为6°～8°。

6.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的刀翼(2)的保径面(22)与切削齿面(21)垂直；所述的保径面(22)上设置有保径齿(6)。

7.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的刀翼(2)有多个，多个刀翼(2)围绕钻头基体(1)圆周方向均匀分布，且多个刀翼(2)呈内锥状，内锥角为165°～175°。

8.如权利要求1或7所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，每个刀翼(2)的切削齿面(21)上均设置有多个切削齿(3)，多个切削齿(3)沿刀翼(2)其中一端向保径面(22)端依次分布，且多个切削齿(3)的切削角沿刀翼(2)其中一端向保径面(22)端逐渐减小。

9.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，相邻所述的刀翼(2)之间设置有流道槽(7)。

10.如权利要求1所述的近水平定向钻进用PDC定向钻头，其特征在于，所述的钻头上还设置有水眼(8)，水眼(8)包括中心水眼(81)和外圈水眼(82)，中心水眼(81)的中心轴线与钻头基体(1)的中心轴线重合；外圈水眼(82)的中心轴线与钻头基体(1)的中心轴线呈一定夹角。

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