能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头，包括钻头体和接头刚体，钻头体的外周均匀设有三个外侧刀翼、中部设有两个中心刀翼，每个外侧刀翼的一侧上部和每个中心刀翼的一侧上部均设有一个圆柱形PDC，每个圆柱形PDC的负前角为13°～18°、旁通角为3°～5°、出露高度为10.9～11.2mm。本发明专利技术通过设计较高的三个外侧刀翼和较低的两个中心刀翼，并在每个刀翼上安装圆柱形PDC，并对圆柱形PDC进行负前角、旁通角和出露高度的优化设计，能够防止钻头在切削过程中导致崩齿的问题，并能够使切削后的岩粉迅速排除到钻头体以外，还实现了最佳的钻进速率及排屑速率，整体上显著提高了PDC钻头的钻进速度并延长了钻头寿命。

PDC bit that can be drilled quickly in soft and hard interbedded rocks

【技术实现步骤摘要】
能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头
本专利技术涉及一种PDC钻头，尤其涉及一种能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头。
技术介绍
PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是地质钻探行业常用的一种钻井工具，是从金刚钻演变来的，因其钻头体上设有PDC而称为PDC钻头。PDC对应的英文是：PolycrystallineDiamondCompactbit，即聚晶金刚石复合片。PDC钻头属于切削型钻头。根据岩石力学性质，要求切削型钻头的抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍乃至十多倍。因此，利用剪切或切削方式的工具破碎岩石，必然会是一种高效的方式和工具。以往镶齿的刮刀钻头对岩石的破碎虽然称为剪切或切削型钻头，但由于硬质合金不耐磨，加之钻压的限制，致使钻头切削刃很快磨损而不能有效破碎岩石，实际上在钻进的大部分时间内不是处于切削而是处于刮削状态。而PDC钻头的切削齿由于具有金刚石耐磨层，尽管厚度很薄(1～2mm)，但硬度高，一般比碳化钨硬质合金的硬度高100倍以上，因而PDC钻头在切削过程中，其刃口能自锐，锐利的刃口切入岩石，在扭矩的作用下向前移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点，发挥了PDC钻头具有高速切削岩石的优势。然而，传统的PDC钻头也存在以下几个缺陷：首先由于PDC钻头在孔底接触面积小，比压高，加之PDC耐磨，且能自锐，刃口锋利，因而时效高，岩屑(或岩粉)多，及时清除孔底岩屑就显得十分重要，但是在一些胶粘性地层，由于其岩屑有很强的附着力，传统PDC钻头往往容易堵塞并粘着在切削齿前面而形成泥包或糊钻，钻进速率较慢；其次传统PDC钻头的耐冲蚀性和钻头钢体的耐磨性比较差，钻头寿命比较短；再次PDC是一种复合型的超硬材料，性能是硬而且耐磨，但耐温能力很差，所以在使用中温度不能超过650℃，因此对钻头的及时充分冷却提出来较高的要求，但传统PDC钻头的冷却效果不尽如意；最后PDC比较硬而脆，应该避免冲击，否则就要脱片和崩齿，但传统PDC钻头的受到冲击较大，有时会脱片和崩齿。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头，包括钻头体和接头刚体，所述钻头体设于所述接头刚体的上端，所述接头刚体的下端用于连接钻杆，所述钻头体的外周均匀设有三个外侧刀翼，所述钻头体的中部设有两个中心刀翼，所述中心刀翼的顶部低于所述外侧刀翼的顶部，每个所述外侧刀翼的一侧上部和每个所述中心刀翼的一侧上部均设有一个圆柱形PDC，所述外侧刀翼上的圆柱形PDC的顶部高于所述外侧刀翼的顶部，所述中心刀翼上的圆柱形PDC的顶部高于所述中心刀翼的顶部，每个所述圆柱形PDC的一个端面与对应的所述外侧刀翼或所述中心刀翼的一侧连接，每个所述圆柱形PDC的负前角为13°～18°，每个所述圆柱形PDC的旁通角为3°～5°，每个所述圆柱形PDC的出露高度为10.9～11.2mm。上述结构中，三个较高的外侧刀翼及其对应的圆柱形PDC承担主要的切削任务，两个较低的中心刀翼及其对应的圆柱形PDC承担次要的切削任务；圆柱形PDC所在对应刀翼的一侧为钻头钻进时首先与岩石接触的一侧，这样确保圆柱形PDC首先与岩石接触，实现快速切削功能；圆柱形PDC的负前角(即圆柱形PDC向后的倾角，也称为后倾角，是一种行业通用名词)的设计用于防止在切削岩石过程中圆柱形PDC和岩石正面硬碰硬而导致圆柱形PDC崩齿，负前角优选为13°～18°是经过试验验证效果优良的设计；圆柱形PDC的旁通角(是一种行业通用名词，即圆柱形PDC在圆周方向的侧向夹角)的设计用于使切削下的岩石顺着这个侧向角迅速排除到钻头体以外，避免形成岩粉垫造成重复破碎，旁通角优选为3°～5°是经过试验验证效果优良的设计；圆柱形PDC的出露高度(是一种行业通用名词，即圆柱形PDC高于对应刀翼的高度)的设计用于合理分配出露高度与排屑空间之间的矛盾，在最大限度上优化两者之间的配比，实现最佳的钻进速率及排屑速率，出露高度设计为10.9～11.2mm是经过试验验证效果优良的设计。进一步，为了防止钻头在钻进中切削岩石时对外侧刀翼的旋进侧产生磨损，每个所述外侧刀翼的一侧中下部均设有一个半圆柱形PDC，每个所述半圆柱形PDC的一个端面与对应的所述外侧刀翼的一侧连接，每一个所述半圆柱形PDC与对应的所述圆柱形PDC位于所述外侧刀翼的同一侧。进一步，为了防止钻头在钻进过程中外侧刀翼缩径以保证钻头的长效使用，每个所述外侧刀翼的外侧表面均设有长条形PDC，所述长条形PDC的上表面和外表面分别突出于对应的外侧刀翼的上表面和外表面，所述长条形PDC的上表面低于对应的所述圆柱形PDC的上表面。进一步，为了使钻头在钻进过程中水流顺利从中心向外流动以迅速带走岩屑，所述钻头体的中心位置的水道的孔径小于所述钻头体的边缘位置的水道的孔径且两者孔径的变化为渐进式变化。本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过设计较高的三个外侧刀翼和较低的两个中心刀翼，并在每个刀翼上安装圆柱形PDC，并对圆柱形PDC进行负前角、旁通角和出露高度的优化设计，能够防止钻头在切削过程中因圆柱形PDC与岩石正面硬碰硬而导致崩齿的问题，并能够使切削后的岩粉迅速排除到钻头体以外以避免形成岩粉垫造成重复破碎，还在最大限度上优化了出露高度与排屑空间之间的配比以实现最佳的钻进速率及排屑速率；通过在外侧刀翼上设计半圆柱形PDC，能够防止钻头在钻进中切削岩石时对外侧刀翼的旋进侧产生磨损；通过在外侧刀翼上设计长条形PDC，能够防止钻头在钻进过程中外侧刀翼缩径以保证钻头的长效使用；通过将中心位置的水道和边缘位置的水道的孔径设计为渐变结构，能够使钻头在钻进过程中水流顺利从中心向外流动以迅速带走岩屑；通过上述所有优化设计，整体上显著提高了PDC钻头的钻进速度并延长了钻头寿命，使其能在软硬互层岩石中快速钻进。附图说明图1是本专利技术所述能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头的立体结构图；图2是本专利技术所述圆柱形PDC的负前角的示意图；图3是本专利技术所述圆柱形PDC的旁通角的示意图；图4是本专利技术所述圆柱形PDC的出露高度及切削岩石的示意图之一；图5是本专利技术所述圆柱形PDC的出露高度及切削岩石的示意图之二。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1-图5所示，本专利技术所述能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头包括钻头体8(图1中未标记，见图2-图5的钻头体8)和接头刚体1，所述钻头体8设于接头刚体1的上端(见图1中的上端，这里只是为了便于表述而定义的方向，实际应用时为前端)，接头刚体1的下端用于连接钻杆(图中未示)，所述钻头体8的外周均匀设有三个外侧刀翼2，所述钻头体8的中部设有两个中心刀翼5，中心刀翼5的顶部低于外侧刀翼2的顶部，每个外侧刀翼2的一侧上部和每个中心刀翼5的一侧上部均镶焊有一个圆柱形PDC3(外侧刀翼2上的圆柱形PDC3与中心刀翼5上的圆柱形PDC3的尺寸可以相同也可以不同)，外侧刀翼2上的圆柱形PDC3的顶部高于外侧刀翼2的顶部，中心刀翼5上的圆柱形PDC3的顶部高于中心刀翼5的顶部，每个圆柱形PDC3的一个端面与对应的外侧刀翼2或中心刀翼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头，包括钻头体和接头刚体，所述钻头体设于所述接头刚体的上端，所述接头刚体的下端用于连接钻杆，其特征在于：所述钻头体的外周均匀设有三个外侧刀翼，所述钻头体的中部设有两个中心刀翼，所述中心刀翼的顶部低于所述外侧刀翼的顶部，每个所述外侧刀翼的一侧上部和每个所述中心刀翼的一侧上部均设有一个圆柱形PDC，所述外侧刀翼上的圆柱形PDC的顶部高于所述外侧刀翼的顶部，所述中心刀翼上的圆柱形PDC的顶部高于所述中心刀翼的顶部，每个所述圆柱形PDC的一个端面与对应的所述外侧刀翼或所述中心刀翼的一侧连接，每个所述圆柱形PDC的负前角为13°～18°，每个所述圆柱形PDC的旁通角为3°～5°，每个所述圆柱形PDC的出露高度为10.9～11.2mm。

【技术特征摘要】
1.一种能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头，包括钻头体和接头刚体，所述钻头体设于所述接头刚体的上端，所述接头刚体的下端用于连接钻杆，其特征在于：所述钻头体的外周均匀设有三个外侧刀翼，所述钻头体的中部设有两个中心刀翼，所述中心刀翼的顶部低于所述外侧刀翼的顶部，每个所述外侧刀翼的一侧上部和每个所述中心刀翼的一侧上部均设有一个圆柱形PDC，所述外侧刀翼上的圆柱形PDC的顶部高于所述外侧刀翼的顶部，所述中心刀翼上的圆柱形PDC的顶部高于所述中心刀翼的顶部，每个所述圆柱形PDC的一个端面与对应的所述外侧刀翼或所述中心刀翼的一侧连接，每个所述圆柱形PDC的负前角为13°～18°，每个所述圆柱形PDC的旁通角为3°～5°，每个所述圆柱形PDC的出露高度为10.9～11.2mm。2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘寒剑，王荣，钟林，刘炜，范正春，邓树密，赵启强，
申请(专利权)人：中国水利水电第十工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51