一种用于硬地层钻井的混合钻头制造技术

本实用新型专利技术提出了一种用于硬地层钻井的混合钻头，包括：钻头体，所述钻头体上设有刀翼和牙轮，所述牙轮上安装有硬质合金切削齿，所述刀翼设置有圆形切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿。该钻头能够在坚硬地层中提高钻头机械钻速和延长钻头使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种用于硬地层钻井的混合钻头
本技术涉及钻井
，具体涉及一种石油天然气以及非常规能源和地质勘探用的钻井钻头，尤其涉及一种用于硬地层钻井的混合钻头，该混合钻头也适用于软硬交错地层钻井中。
技术介绍
在油气钻井与地质钻探领域，钻头是钻井施工中必不可少的井下工具。钻头的设计与选择是提高复杂地层破岩效率、提高钻井速度和降低钻井成本的关键部件。目前牙轮钻头与PDC钻头是旋转钻井中最常使用的两种钻头，其中PDC钻头所钻进尺超过80％。牙轮钻头主要以冲击、压碎作用破碎岩石，PDC钻头主要靠切削和剪切作用破碎岩石，自牙轮钻头与PDC钻头问世以来，破岩机理基本没有改变。PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是固定切削齿钻头的代表，固定切削齿是由超级研磨材料形成的具有硬切削层的切削元件，超级研磨材料可以是聚晶金刚石(PCD)、热稳定性聚晶金刚石(TSP)、多晶立方氮化硼(PCBN)等由于采用其它几种超级研磨材料的切削齿在使用中出现的问题与PDC切削齿类似，因此研究钻井中出现的问题时主要以PDC切削齿作为研究对象。牙轮钻头和PDC钻头在坚硬地层中切削深度受限、在软硬交错地层中切削深度的大幅波动会造成钻头破岩效率的降低，诱发钻头振动和造成切削齿提前损坏。对于PDC钻头，切削齿距离钻头中心越近，切削扭矩与线速度越低，切削齿的切削效率越低。由于内锥区域布齿数量有限，PDC切削齿的载荷大，在坚硬地层钻井过程中容易超载而造成PDC切削齿的先期破坏。在坚硬地层与软硬交错地层，钻头机械钻速慢、寿命短、进尺少的问题极大增加了钻井周期和钻井费用。为了提高钻头在坚硬地层中的使用效果，常用的方法是增加钻头刀翼数量和布齿密度、减小切削齿尺寸等措施，这在提高钻头使用寿命的同时却降低了钻头机械钻速。为了提高钻头综合切削性能和使用效果，一种整合牙轮钻头与PDC钻头于一体的混合钻头被专利技术(专利技术专利，申请号CN200880016630.0)，在牙轮(其上镶嵌硬质合金切削齿)与刀翼(其上镶嵌PDC切削齿)混合区域可协同多种破岩机理。牙轮切削齿靠冲击破碎形成不连续的齿坑，PDC切削齿通过切削作用将预破碎的齿坑连通形成完整的破碎环带，同时牙轮切削齿还会限制PDC切削齿的过度吃入，从而降低PDC切削齿的超载概率。复合钻头切削机理的多样性增加了钻头与地层的适应性，整合了PDC钻头与牙轮钻头的优点，在软-中硬地层、易泥包地层、硬塑性地层和部分软硬交错地层起到了较好的使用效果。由于钻头结构等原因，混合钻头中牙轮与PDC切削齿的混合部分无法设计在钻头的内锥区域，在此区域还是依靠PDC切削齿单独破岩。因为混合区域破岩速度快而非混合区域破岩速度慢，会形成“凸”形井底，随着井底中心区域凸起高度的增加，钻头内锥区域承受的轴向压力也会越来越大。在坚硬地层中由于“凸”形井底的存在，井底凸台边缘处PDC切削齿所承受的轴向压力最大，此处PDC切削齿会更快的发生磨损或损坏，并导致钻头内锥区域的PDC切削齿由外向内依次损坏，而且损坏的速度比普通PDC钻头还要快。在坚硬地层中由于混合钻头的非混合区域破岩效率低且切削齿容易发生磨损或损坏，非混合区域成为制约机械钻速提高的主要因素，而且随着该区域磨损面积的增加，还会出现穿心现象，这会降低钻头的机械钻速和钻头寿命，在这种情况下混合钻头的使用效果甚至还不如传统的牙轮钻头和PDC钻头。
技术实现思路
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本技术提出了一种用于硬地层钻井的混合钻头，该钻头能够在坚硬地层中提高钻头机械钻速和延长钻头使用寿命。为了实现以上专利技术目的，本技术提供了以下技术解决方案。本技术提出了一种具有以下结构的用于硬地层钻井的混合钻头，包括：钻头体，所述钻头体上设有刀翼和牙轮，所述牙轮上安装有硬质合金切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以外的部位上设置有常规圆形PDC切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿。在本技术中，通过在牙轮切削轨迹的内包络线以内的刀翼上设置异形切削齿，由于异形切削齿例如圆锥形PDC齿等可以使地层产生应力集中，以压碎和犁削的方式进行破岩，而且具有高抗冲击力、高散热能力、低扭矩和良好的岩屑清理能力等特点，可以在混合钻头的非混合区域或牙轮切削轨迹的内包络线以内的钻头部位提高机械钻速和切削齿寿命。在一种实施方案中，所述异形切削齿包括圆锥形PDC齿、脊状齿、尖圆齿、楔形齿、锥球楔形齿和边楔形齿。在一种实施方案中，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置异形切削齿与常规圆形PDC齿，所述圆形PDC齿为主切削齿，所述异形切削齿为副切削齿，所述主切削齿和副切削齿根据切削轨迹的不同以同轨或交错布齿方式布置在所述刀翼上。在本技术中，圆形PDC齿又称为常规PDC切削齿。除圆形PDC齿以外，尤其是带有尖头能够形成应力集中的切削齿均称为异形切削齿。在一种实施方案中，所述主切削齿和副切削齿形成异步切削结构，所述异形切削齿的出露高度比圆形PDC齿的出露高度高0mm～3mm。充分发挥异形切削齿的压碎和冲击作用，弥补靠近钻头心部圆形PDC齿钻井速度低的缺陷。在一个优选的实施方案中，异形切削齿由钻头心部向外出露高度越来越低，从而能尽量延长钻头的使用寿命。在一种实施方案中，所述主切削齿和副切削齿在所述刀翼上形成同轨布齿方式和异步切削设置，靠近钻头中心采用圆锥形PDC齿。在一种实施方案中，所述主切削齿在坚硬地层的切削角为负，且随着地层抗压强度的增大切削角的绝对值增大。在一种实施方案中，所述主切削齿在坚硬地层的切削角为-30°至-20°。在一种实施方案中，当该钻头的外径不小于215.9mm时，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线及以外的区域设置有双排圆形PDC齿。增加布齿密度。在一种实施方案中，所述钻头包括至少两个刀翼和至少两个间隔设在所述刀翼之间的牙轮，每个刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线内设置有异形切削齿，每个所述刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线外设置有两排圆形PDC齿。刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线内可以全部设置一种异形切削齿，例如圆锥形PDC齿；也可以部分设置异形切削齿，例如混合设置有普通PDC切削齿与圆锥形PDC齿；还可以是几种异形切削齿混合设置等情形。在一种优选的实施方案中，所述钻头包括由三个刀翼和间隔设在刀翼之间的三个牙轮，每个刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线外设置有两排圆形PDC齿，每个刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线内设置有一排齿，该一排齿包括圆形PDC齿和圆锥形PDC齿。与现有技术相比，本技术的优点在于：本技术的用于硬地层钻井的混合钻头，优化混合钻头的切削结构，在牙轮切削轨迹的内包络线以外区域发挥圆形PDC切削齿与牙轮的硬质合金切削齿的协同破岩作用；在牙轮切削轨迹的内包络线以内区域发挥异形切削齿的压碎和冲击作用，克服常规圆形PDC齿因破岩效率低而形成“凸”底导致心部磨损严重的问题。通过平衡包络线内外的破岩效率，达到坚硬地层和软硬交错地层中提高钻头机械钻速和钻头寿命以及降低钻井周期和钻井费用的目的。附图说明下面将结合附图来对本技术的优选实施例进行详细地描述，在图中：图1显示了根据本技术的用于硬地层钻井的混合钻头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于硬地层钻井的混合钻头，其特征在于，包括：钻头体，所述钻头体上设有刀翼和牙轮，所述牙轮上安装有硬质合金切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线外的部位上设置有圆形PDC齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿。

【技术特征摘要】
1.一种用于硬地层钻井的混合钻头，其特征在于，包括：钻头体，所述钻头体上设有刀翼和牙轮，所述牙轮上安装有硬质合金切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线外的部位上设置有圆形PDC齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿。2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述异形切削齿包括圆锥形PDC齿、脊状齿、尖圆齿、楔形齿、锥球楔形齿和边楔形齿。3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置异形切削齿与圆形PDC齿，所述圆形PDC齿为主切削齿，所述异形切削齿为副切削齿，所述主切削齿和副切削齿根据切削轨迹形成同轨或交错布齿方式布置在所述刀翼上。4.根据权利要求3所述的钻头，其特征在于，所述主切削齿和副切削齿形成异步切削结构，所述异形切削齿的出露高度比圆形PDC齿的出露高度高0mm～3mm。5.根据权利要求4所述的钻头，其特征在于，所述主切削齿和副切削齿在所述刀翼上形成同轨布齿和异步切削设...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙连忠，胡群爱，张辉，张进双，孙明光，牛新明，马东军，臧艳彬，孙连环，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：新型
国别省市：北京,11