一种切削元件成对设置的PDC钻头制造技术

一种切削元件成对设置的PDC钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有切削元件，水孔或者喷嘴等，其特征在于：至少有2个切削元件有偏角，且在2个切削元件在钻头上成对设置。这样的结构能提高钻头吃入地层的能力及破岩效率，提高钻头的布齿密度，延长钻头的使用寿命，同时降低钻头的扭矩，增强钻头钻进稳定性，特别适用于定向钻井中。

A diamond bit set in pairs of cutting elements

A cutting element arranged in pairs of diamond drill bit, which comprises a bit body, a fixed blade, the fixed blade is arranged on the cutting element, or hole nozzle, which is characterized in that at least 2 cutting elements with angle, and in the 2 cutting element is arranged on the bit pairs. This structure can improve the ability of the bit to eat into the stratum and rock breaking efficiency, improve the density of the drill teeth, prolong the service life of the drill bit, while reducing the torque, enhance drilling stability, especially suitable for directional drilling.

【技术实现步骤摘要】
一种切削元件成对设置的金刚石钻头
本专利技术属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种切削元件成对设置的金刚石钻头。
技术介绍
金刚石钻头是钻井工程中其中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，根据其切削元件的不同，主要包括PDC钻头和孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。PDC齿虽然硬度高，但抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层（软硬交错夹层、含砾岩层等）钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，而最典型的失效形式之一就是复合片金刚石层的冲击崩损，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力，除了岩石不均质带来的冲击以外，在更多的情况下，切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。除了PDC钻头以外，孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，这种钻头以孕含在胎体式刀翼体或切削齿中的大量金刚石微小颗粒（即金刚石微切削刃）形成的基本切削刃构成切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其支撑材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。在导向钻进中，钻头横向位移方向与钻头横向力方向不一致时就会出现“漂移”现象。影响井眼轨迹方位漂移的因素很多，钻头因素只是其中的一个方面。其它如地层性质、钻柱及导向工具的变形、井筒质量、钻井参数等，都可能在一定程度上对导向钻进的方位稳定性造成影响。在诸多影响因素中，钻头的影响效应是比较显著的。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。法向角是指切削原件的方向基准线与钻头中心线的夹角，前倾角是指切削元件的方向基准线与切削元件工作平面的之间夹角，侧转角是指切削元件工作平面上通过切削元件中心点且垂直于方向基准线的直线与通过轴线平面之间的夹角。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种切削元件成对设置的金刚石钻头，能提高钻头吃入地层的能力及破岩效率，提高钻头的布齿密度，延长钻头的使用寿命，同时降低钻头的扭矩，从而增强钻头钻进稳定性，特别适用于定向钻井中。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：现有技术的金刚石钻头，通常包括钻包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有切削元件，水孔或者喷嘴等，本专利的金刚石钻头的区别在于：至少有2个切削元件有偏角，且2个切削元件在钻头上成对设置。在钻头的俯视中（见图3），将切削元件的中心点O2与钻头中心线点O1相连接，形成直线AB，在平面内做通过定位点O2且垂直于直线AB的直线CD，将切削元件绕直线CD，旋转一定角度θ，直线CD与切削元件的轴线夹角即为切削元件的偏角，规定沿逆时针方向为正，反之为负。本专利中，至少２个切削元件有偏角，且２个切削元件在钻头上成对设置，切削元件的法向角、前倾角、侧转角在一定程度会影响切削元件的偏角，但不等同于切削元件的偏角。由于２个切削元件有偏角，这样切削元件在钻头的径向覆盖图上的投影为类椭圆形，见图4所示，其中Ｌ１为有偏角切削元件在径向覆盖图径向距离，Ｌ２为没有偏角的切削元件在径向覆盖图径向距离，有偏角的切削元件在径向覆盖上区域范围减小，这样可以设置更多的切削元件，提高钻头的布齿密度，从而提高钻头的寿命，并且有偏角切削元件的切削面曲率减小，这样能够增强切削元件吃入地层的能力，提高钻头的破岩效率。作为选择，成对切削元件的偏角θ取值范围5°≤|θ|≤85°。上述方案中，成对切削元件的定位半径、前倾角、侧转角、周向位置角不同，这样导致切削元件的切削情况、受力情况都不相同，限定切削元件的偏角范围能显著改变整个钻头的受力情况，同时还能针对不同的地层条件和钻井方式来改变切削元件的偏角，从而拓宽钻头的适用范围。作为选择，成对切削元件设置在同一固定刀翼上，且成对切削元件的偏角相反，即为一正、一负。上述方案中，成对切削元件设置在同一固定刀翼上，且成对切削元件的偏角方向相反，由于偏角的存在，两个切削元件的接触平面不在平行，而成一定夹角，这样切削元件在接触平面上的经过分解后，能相互抵消一部分切向力，降低钻头的扭矩，从而增强钻头的稳定性。作为选择，成对切削元件设置在不同的固定刀翼上。上述方案中，成对切削元件设置在不同的固定刀翼上，切削元件的周向位置角不同，这样能减小钻头的不平衡力，增强钻头的稳定性。将一个刀翼上的全部切削元件的偏角为同一方向，另一刀翼上的全部切削元件的偏角亦为同一方向，根据刀翼周向位置角的关系来确定两个刀翼上切削元件的偏角是否相同。作为选择，成对切削元件的偏角θ不相等，即θ1≠θ2。上述方案中，由于切削元件的定位半径、周向位置角不相同，导致其受力情况也不相同，采用不同的偏角，能保证钻头的受力更加均匀。作为选择，成对切削元件的偏角θ相等，即θ1=θ2。上述方案中，当成对切削元件在不同的周向位置角上，且成对切削元件在相同的径向位置，切削元件的偏角相等，能最大程度上减小钻头的不平衡力和力矩。作为选择，固定切削元件为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿等等。本专利技术的有益效果：1、成对的切削元件有偏角，切削元件在钻头的径向覆盖图上的投影为类椭圆形，切削元件切削面的曲率减小，这样能够增强切削元件吃入地层的能力，提高钻头的破岩效率。2、由于偏角的存在，成对切削元件在径向覆盖上区域范围减小，这样可以设置更多的切削元件，提高钻头的布齿密度，从而延长钻头的寿命。3、成对切削元件有了偏角后，其的切削面不在平行，而成一定夹角，切削元件在切削面上的经过分解后，能相互抵消一部分切向力，减小钻头的不平衡力以及降低钻头的扭矩，从而提高钻头的稳定性，有效减少钻头切削齿的冲击失效。附图说明图1为本专利技术金刚石钻头示意图图2为金刚石钻头俯视图图3为切削元件偏角示意图图4为有、无偏角的切削元件在钻头径向覆盖图上投影示意图图5为成对切削元件偏角方向相同钻头示意图图6为成对切削元件在钻头不同刀翼上示意图图中标识：1-钻头体；2-固定刀翼；3-成对切削元件；31-成对切削元件1；32-成对切削元件2；4-常规切削元件；5-水孔或者喷嘴。具体实施方式下列非限制性实施例用于说明本专利技术。如图1、2所示，一种切削元件成对设置的金刚石钻头，包括钻头体1、固定刀翼2，在固定刀翼上设置有切削元件4，水孔或者喷嘴5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切削元件成对设置的金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有切削元件，水孔或者喷嘴等，其特征在于：至少有2个切削元件有偏角，且在2个切削元件在钻头上成对设置。

【技术特征摘要】
1.一种切削元件成对设置的金刚石钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有切削元件，水孔或者喷嘴等，其特征在于：至少有2个切削元件有偏角，且在2个切削元件在钻头上成对设置。2.权利要求1所述的一种切削元件成对设置的金刚石钻头，其特征在于：成对切削元件的偏角θ取值范围5°≤|θ|≤85°。3.如权利要求2所述的一种切削元件成对设置的金刚石钻头，其特征在于：成对切削元件设置在同一固定刀翼上，且成对切削元件的偏角方向相反，即为一正、一负。4.如权利要求2所述的一种切削元件成对设置的金刚石钻头...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，
申请(专利权)人：刘伟，
类型：发明
国别省市：四川,51