一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头，属于钻探领域。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、水眼或喷嘴，所述刀翼上设置有刮切齿，至少一个刀翼在钻头的周向位置延伸有加强座，加强座上设置有刮切齿。本发明专利技术技术能够实现切削结构的局部加强，增强硬地层钻进的工作寿命，同时能够降低钻头在硬地层钻进过程中，因振动造成的切削齿过早失效。

A Diamond Bit for Drilling in Hard Formation

【技术实现步骤摘要】
一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头
本专利技术属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种钻进钻头。
技术介绍
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，常用的有聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件（对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿）。据资料显示，仅占总进尺20%的深部复杂地层，就花费了整个钻井周期80%的总成本。难钻地层主要是指地层的可钻性差，具体表现为岩石的硬度高、不均质程度高、研磨性强、温度高等。这些岩石性质条件可能存在各种复杂的组合、变化，且一般都具有较大的不可预知性，特别是在深井、超深井的深部地层表现尤其突出。钻头在复杂难钻地层中钻进的寿命短，需消耗更多的钻头，同时造成起下钻频繁，这已成为制约钻井工程降本增效的技术瓶颈之一。在钻井过程中，PDC钻头的切削齿在钻压的作用下克服地应力吃入地层，在扭矩的驱动下剪切破碎地层材料。相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式，所需驱动扭矩较大。钻进深部难钻地层时，特别是在钻遇软硬交错、含砾地层时，钻头吃入地层深度频繁变化，钻头周向和轴向振动剧烈。此时，钻头切削齿承受大的周向轴向冲击载荷，导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、及其他井下工具和测量仪器的损坏，严重影响钻进效率。特别是在钻头的外三分之一区域的切削齿，由于线速度大，更容易受到损坏。当PDC钻头切削齿发生磨损后，为保持一定的机械钻速，经常增加钻压，而扭矩对钻压特别敏感，随着钻压的增加，扭矩增大，这就使钻头的工况更加恶劣，钻头更容易发生失效。如何增加PDC钻头在深部难钻地层中的工作寿命，减小钻头扭矩对钻压的敏感程度，是延长井下钻具和钻头的使用寿命，是提高钻井效率的重要技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提出一种钻井用的PDC钻头，实现切削结构的局部加强，增强硬地层钻进的工作寿命，同时能够降低钻头在硬地层钻进过程中，因振动造成的切削齿过早失效。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头，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、水眼或喷嘴，所述刀翼上设置有刮切齿，至少一个刀翼在钻头的圆周方向延伸有加强座，加强座上设置通过齿窝而安装的刮切齿。对于本专利技术所涉及的钻头本体、刀翼、水眼、喷嘴为本领域公知的概念，在此不做赘述，可以参考如图1~9及图12~14，为本专利技术钻头的结构示意图，其中，1为钻头体、2为刀翼、3为刮切齿、4为水眼或喷嘴。“刮切齿”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件，主要包括PDC齿（聚晶金刚石复合片）、TSP齿（热稳定金刚石聚晶片）、斧脊齿、以及具有微切削功能的孕镶卧齿、以及其他具有非平面的金刚石切削齿。刮切齿的材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。上述方案还有意想不到的效果：第一，在轴向方向上，无论是常规钻井，还是导向钻井，在某种特殊情况下（例如钻头在一定钻压下，由硬地层突然进入软地层），加在钻头上的钻压突然释放，将会使钻头产生冲击，刮切齿上的比压大幅增加，容易造成刮切齿的损坏。本专利技术技术的加强座连同其上的刮切齿，在这种情况下，能够限制刮切齿的吃入过深，提供更多的支撑点或区域，分担部分钻压，减小振幅，对刀翼上的刮切齿形成一个很好的保护；第二，当加强座设置在钻头外部区域参与保径时，能够增加钻头的圆度，减小多边形效应。作为优选，加强座延伸自刀翼前端和/或后端，且与钻头体相连接。上述方案中，所述的刀翼前端，是指某一刀翼在旋转方向上靠前的一端，即切削齿工作面靠近的部分，请参阅图5标注21。与之相反的为刀翼后端，请参阅图5标注22。该方案中，加强座延伸自刀翼前端或后端，且与钻头体相连接，这种结构在加强了刀翼上切削齿的同时，还加强刀翼强度。容易理解的是，加强座亦可以同时延伸自一个刀翼的前端和后端，进一步的刀翼上切削齿的加强。作为优选，加强座延伸自刀翼前端和/或后端，且不与钻头体相连。上述方案中，加强座延伸自刀翼前端和/或后端，加强座与钻头体不具有连接关系，这种设置能够有效地避开钻井液及岩屑从井底流出的流道空间，不影响钻头的携岩能力和排屑能力。作为优选，加强座在钻头的圆周方向上，由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面，且与钻头体不相连。上述方案中，这种缓冲座结构其形状类似于道路交通中的桥梁，能够为刮切齿的安装提供足够空间的同时，保留了钻井液及岩屑从井底流出的流道空间，不影响钻头的携岩能力和排屑能力。特别的，加强座设置于钻头的保径区域，且加强座与相连接两刀翼之间的保径处形成一个光滑的整体。从而形成局部区域的全保径。增加了钻头保径面积，能起到很好的自扶正效果，极大地提高钻头的稳定性，减少钻头涡动，延长钻头使用寿命。另外，对于PDC钻头来说，处于钻头外锥处的刮切齿较其他位置线速度大，容易受到更大的冲击载荷而失效。加强座的设置，能够加强外部刮切齿在深部难钻地层中的性能。需要说明的是，上述结构也同样可以理解为由刀翼后端延伸至所述刀翼在逆旋转方向相邻刀翼的前端。作为优选，加强座钻头的圆周方向上，由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面，且与钻头体相连。作为优选，刮切齿为金刚石复合片。本方案中，金刚石复合片（PDC齿），一般为工作面为平面的刮切齿，其工作面的形状为圆形、椭圆形、菱形、多边形、或为它们之间的组合。本案中的金刚石刮切齿还包括工作面为非平面的切削齿，如斧脊齿、凹面齿、以及不同形状组成的工作面。进一步的，刮切齿为孕镶卧齿。进一步的，刮切齿为斧脊齿。作为优选，加强座应用于包含盘刀切削结构的复合钻头。作为优选，加强座应用于包含牙轮切削结构的复合钻头。作为优选，加强座应用于包含冲击切削结构的复合钻头。本专利技术的有益效果：1、本专利技术技术能够实现切削结构的局部加强，增加钻头在硬地层、不均质地层、含砾地层的可持续钻进能力。2、本专利技术技术方案，能够增加在钻进方向上的支撑点或区域，减弱钻头钻进过程中的轴向振动以及扭转振动现象。3、当加强座位于钻头外部区域参与保径的方案，能够增加钻头的圆度，减小多边形效应，增强钻头的保径能力，同时钻头钻进时的自扶正能力增强。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的某些实施例，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是本专利技术实施方式提供的加强座前置的钻头结构示意图，且加强座与钻头体不相连。图2是图1的俯视图。图3是本专利技术实施方式提供的加强座后置的钻头结构示意图，且加强座与钻头体不相连。图4是本专利技术实施方式提供的加强座同时前置和后置的钻头结构示意图，且加强座与钻头体不相连。图5是本专利技术实施方式提供的加强座前置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头，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、水眼或喷嘴，所述刀翼上设置有刮切齿，其特征在于：至少一个刀翼在钻头的圆周方向延伸有加强座，所述加强座上设置有通过齿窝固定的刮切齿。

【技术特征摘要】
1.一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头，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、水眼或喷嘴，所述刀翼上设置有刮切齿，其特征在于：至少一个刀翼在钻头的圆周方向延伸有加强座，所述加强座上设置有通过齿窝固定的刮切齿。2.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头，其特征在于：加强座延伸自刀翼前端和/或后端，与钻头体相连接。3.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头，其特征在于：加强座延伸自刀翼前端和/或后端，不与钻头体相连。4.根据权利要求1所述的一种在深部难道地层钻进的金刚石钻头，其特征在于：加强座在钻头的圆周方向上，由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面，且与钻头体相连。5.根据权利要求1所述的一种在深部难...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，张春亮，牛世伟，林兆虎，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51