一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头制造技术

本发明专利技术提供了一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头，采用7刀翼胎体结构，主切削齿采用常规Φ13.44mm+锥型齿Φ13.44mm结构设计，PDC钻头采用锥型齿结构和常规PDC齿复合切削结构设计，即压碎和切削两种方式，PDC齿复合切削结构采用较厚的切削齿金刚石面，PDC钻头后排齿采用抗扭转冲击结构布局，在前排主切削齿磨损后，作为第二切削元件切削地层，PDC钻头水力机构设计包括采用低转速‑高钻压模式，采用特殊横向漫流水利单元，并进行弧线形刀翼设计。PDC钻头采用模具成型制造胎体PDC钻头，钻头模具制造采用3D打印技术进行，打印模具包括数据转化、模型诊断、分层处理、打印工艺参数优化，无人职守模具打印、后期处理6项工序，并配合现有软模成型工艺。

A Torsional Impact Resistant Conical Tooth PDC Bit

The invention provides a conical PDC bit with torsional impact resistance structure, which adopts 7-blade matrix structure, main cutting teeth adopt conventional 13.44mm + conical teeth 13.44mm structure design, PDC bit adopt conical teeth structure and conventional PDC teeth composite cutting structure design, namely crushing and cutting two ways, PDC teeth composite cutting structure adopts thicker diamond face, PDC bit rear row teeth. The hydraulic mechanism of PDC bit is designed with low speed and high drilling pressure mode, special transverse overflow hydraulic unit and arc-shaped blade after wearing the front main cutting teeth and cutting the formation as the second cutting element. PDC bits are made by die forming, and 3D printing technology is used in bit die manufacturing. The printing die includes data conversion, model diagnosis, hierarchical processing, optimization of printing process parameters, unattended die printing and post-processing six processes, and cooperates with the existing soft die forming process.

【技术实现步骤摘要】
一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头
本专利技术涉及一种PDC钻头
，特别是一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头。
技术介绍
川东地区钻井过程中，以二叠系长兴组为代表的难钻地层称谓该区高效勘探开发的“拦路虎”，该地层岩性主要以灰色泥-粉晶灰岩为主，岩石强度较高，对钻头的吃入能力要求高，部分层段研磨性强，常规PDC钻头抗冲击、抗研磨能力难以满足实钻需求。前期岩石力学研究成果表明，川东地区二叠系长兴组地层抗压强度在150-200MPa之间，软硬交错，内摩擦角在45度以上，PDC钻头可钻性级值集中在10-15，且局部层段含燧石结核，可钻性极差。为提高该层段井速度，近年来累计在该层段使用多种牙轮和PDC钻头，都没有取得理想的提速效果，平均每只钻头进尺均小于120m，平均单只钻头机械钻速低于1.5m/h。因此，针对二叠系长兴组地层的岩石力学分析结果，有必要根据硬夹层的切削结构设计、抗涡动布齿设计、力平衡设计、水利结构设计技术，设计新的PDC钻头。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头，采用7刀翼胎体结构，主切削齿采用常规Φ13.44mm+锥型齿Φ13.44mm结构设计，所述PDC钻头采用锥型齿结构和常规PDC齿复合切削结构设计，即压碎和切削两种方式。优选的，所述PDC齿复合切削结构采用较厚的切削齿金刚石面。优选的，所述PDC钻头后排齿采用抗扭转冲击结构布局，在前排主切削齿磨损后，作为第二切削元件切削地层。优选的，所述PDC钻头水力机构设计包括采用低转速-高钻压模式，采用特殊横向漫流水利单元，并进行弧线形刀翼设计。优选的，所述PDC钻头采用模具成型制造胎体PDC钻头，所述钻头模具制造采用3D打印技术进行，打印模具包括数据转化、模型诊断、分层处理、打印工艺参数优化，无人职守模具打印、后期处理6项工序，并配合现有软模成型工艺。本专利技术的有益效果：新的PDC钻头在二叠系长兴组适应性强，提速效果显著。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本专利技术的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：附图1为根据本专利技术实施例的锥型切削齿与PDC切削齿振动对比图；附图2为根据本专利技术实施例的钻头轴向力分析曲线；附图3为根据本专利技术实施例的钻头横向力分析曲线；附图4为根据本专利技术实施例的钻头各切削齿切削体积分布图；附图5为根据本专利技术实施例的钻头横向不平衡力指向示意图；附图6为根据本专利技术实施例的井底压力云图；附图7为根据本专利技术实施例的井底流速云图；附图8为根据本专利技术实施例的井底流速矢量图；附图9为根据本专利技术实施例的钻头入井前后对比图。具体实施方式一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头。由于该地层岩石可钻性变化趋势较为稳定，即使发育夹层也多为软夹层，因此在钻头优化选型以及个性化PDC钻头设计时，可适当考虑增强钻头的攻击性和地层吃入特性，同时注意提高钻头的稳定性和穿越夹层的能力，设计的PDC钻头主要采用7刀翼胎体结构，主切削齿采用常规Φ13.44mm+锥型齿Φ13.44mm结构设计，具体设计特点如下：(1)锥型齿结构和常规PDC齿复合切削结构设计，即压碎和切削两种方式，提高钻头在燧石结核、黄铁矿、石英及硅质灰岩的抗冲击性和抗研磨性、吃入能力，保证钻头钻进效率。锥型齿结构可以将载荷更好的集中于一点进行破岩，较厚的切削齿金刚石面提高了钻头切削强度，同时也提高钻石耐磨性，显著提高进尺与机械钻速。锥型齿比单个PDC切削齿更易将载荷集中在一点作用到岩石上，参见图1，且这种高集中力再结合其自身的高切削强度和耐磨性，使锥型齿结构钻头可以钻穿常规PDC钻头所不能适应的难钻复杂地层。(2)后排齿采用抗扭转冲击结构布局，增加钻头的抗冲击性和抗研磨性能。在前排主切削齿磨损后，作为第二切削元件切削地层，平衡轴向钻压保护PDC提高钻进进尺，提高钻头的稳定性，极大减小了钻头在井底的震动。钻头水力机构设计，在这类较难钻地层钻进时，由于切削齿与岩石接触区域，特别是齿刃区域的接触比压高，剧烈摩擦产生的热很容易造成PDC齿热磨损现象的发生。所以，一方面要特别重视钻头水力结构的设计，水力结构设计的准则不应是防泥包，而应当是防切削齿热磨损；另一方面，应尽可能增大在钻头上的有效钻井液排量。随着井底流场分布规律的改善和钻井液排量的增大，均有助于增进钻头切削齿的冷却效果，减缓切削齿的磨损速度。在选择、确定具体使用参数时需充分考虑钻井参数、破岩效率与钻井切削齿磨损规律之间的关系，尽量避免采用高转速钻进，低转速-高钻压模式更有利于提高PDC钻头的综合性能，具体设计特点为：(1)采用特殊横向漫流水利单元，大幅度提高钻头清洗能力，避免造成岩屑二次切削，提高钻进效率。(2)弧线形刀翼设计，有效提高钻头工作稳定性，保证硬地层钻进中钻头的震动。仿真模拟与制造方面：利用PDC钻头数字化钻进分析系统，对设计的二叠系长兴组高效PDC钻头进行了动力学和水力学仿真分析，通过仿真分析优化轮廓冠部形状、切削齿角度和水力结构等参数。1、动力学仿真从图2和图3可以看出，计算钻头轴向力平均值为62.5kN，横向力平均值为2.67kN。该钻头横向不平衡力系数为0.0427，小于0.05设计目标，具有较好的工作稳定性。从图4可以看出，该钻头切削体积峰值位于8，11，12齿附近区域，分别位于6#刀翼、3#刀翼和6#刀翼的冠顶区域附近，说明该区域处于易损伤或易磨损区域，可通过优化调整布齿参数，进一步优化切削齿切削量的均衡性。从图5可以看出，该钻头横向不平衡力指向2#刀翼和3#刀翼之间，该侧刀翼的保径部分将承担更多的规径切削工作量。综上，从钻头井底动态分布、受力分析、可以看出优化后各齿，尤其是钻头鼻部各切削齿的切削体积更加均衡，这就保证了各齿具有相同的寿命或相近的寿命，稳定性好，有利于大幅提高钻头的寿命。2、水力学仿真分析井底较高的压力梯度以及横向漫流速度，能够起到较好的岩屑冲击翻转和横向运移效果。从图6、图7可以发现，在井底面上，喷嘴冲击井底形成较高的射流压力，其压力梯度较高，利于在井底形成较高流速的横向漫流，井底中心没有出现低压和低流速区域，井底中心和井底外缘位置均具有较高的冲击压力和流体流速，水力能量分布合理。从图8中可以看出，在井底面上，流体沿着流道向井底边缘运动，并且井底未出现明显涡旋。基于仿真分析与优化结果，获得使用长兴组地层的高效PDC钻头的主要设计参数。模具成型是胎体PDC钻头制造中的一个重要环节，也是准确实施钻头设计的关键，模具成型精度及质量直接影响成品PDC钻头的性能。通过将3D打印技术引入钻头模具制造领域，并进行试验研究，取得了较好效果。打印模具包括了数据转化、模型诊断、分层处理、打印工艺参数优化，无人职守模具打印、后期处理等6项工序，可以制作任意复杂曲面形状的模具，将该技术引入钻头模具制造，配合现有软模成型工艺，加工钻头基础模具用于钻头制造，改进了传统模具加工工艺，实现了复杂结构的PDC钻头高效研发。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头，其特征在于：采用7刀翼胎体结构，主切削齿采用常规Φ13.44mm+锥型齿Φ13.44mm结构设计，所述PDC钻头采用锥型齿结构和常规PDC齿复合切削结构设计，即压碎和切削两种方式。

【技术特征摘要】
1.一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头，其特征在于：采用7刀翼胎体结构，主切削齿采用常规Φ13.44mm+锥型齿Φ13.44mm结构设计，所述PDC钻头采用锥型齿结构和常规PDC齿复合切削结构设计，即压碎和切削两种方式。2.根据权利要求1所述的一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头，其特征在于：所述PDC齿复合切削结构采用较厚的切削齿金刚石面。3.根据权利要求1所述的一种抗扭转冲击结构锥型齿PDC钻头，其特征在于：所述PDC钻头后排齿采用抗扭转冲击结构布局，在前排主切削齿磨损后，作...

【专利技术属性】
技术研发人员：任志坤，王亮，
申请(专利权)人：河北锐石钻头制造有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13