一种适用于硬地层的PDC钻头制造技术

本发明专利技术提供了一种适用于硬地层的PDC钻头，其包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，第一刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于第一刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面；在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠。本发明专利技术提供的PDC钻头由于设置了凹槽，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压，吃入能力能够得到保证，同时由于在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠，能够形成尽可能大的岩脊，进一步有利于钻速的提高。

A PDC Bit for Hard Formation

【技术实现步骤摘要】
一种适用于硬地层的PDC钻头
本专利技术涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等
，具体而言，涉及一种适用于硬地层的PDC钻头。
技术介绍
钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(PolycrystallineDiamondCompact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过PDC齿切削岩石进行破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，硬-塑性地层越来越多，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且易发生振动，进而造成切削齿的快速失效。特别的，制约PDC钻头在硬地层高效钻进的原因是钻头发生磨损后，切削齿与岩石的接触面积增加，切削齿的钻进比压急剧下降，钻进效率很低，甚至会因此造成起钻，增加钻井成本，延长钻井周期。
技术实现思路
本专利技术提供了一种适用于硬地层的PDC钻头，以解决现有技术中存在的：软至中硬地层钻速快，而在硬地层中，因PDC钻头吃入岩石的能力减弱，而造成机械钻速低的问题。本专利技术是这样实现的：一种适用于硬地层的PDC钻头，包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，第一刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于第一刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面；在PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个第一切削齿上的凹槽互不重叠。通过在PDC齿上设置凹槽，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压，吃入能力能够得到保证，同时能够形成岩脊。岩脊形成后，岩脊本身受到了较大的应力，且两侧缺少支撑岩体，更容易被破坏，进一步有利于钻速的提高。另外，在岩脊形成后，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向振动。而在PDC钻头的井底覆盖布齿图上，各个第一切削齿的凹槽互不重叠，使得各个第一切削齿的凹槽形成的轨迹互不干涉，有利于形成较大的岩脊。井底覆盖布齿图，是指过钻头中心线的任意轴面内，切削齿的切削轮廓绕钻头中心线旋转，并与该轴面形成交线，该交线即为切削轮廓线，将所有切削齿的切削轮廓线汇集在一起，就形成了井底覆盖布齿图。井底覆盖布齿图直接反映了切削齿的定位半径、定位高度等重要参数。作为本专利技术的优选方案，凹槽中设有填充体，填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，填充体与凹槽的侧壁固定相连。通过设置填充体，使第一切削齿的整体形状呈现为圆柱结构或椭圆柱结构。作为本专利技术的优选方案，填充体为由碳化钨和/或硬质合金制作而成的结构体。作为一种优选，填充体与凹槽的侧壁通过高温高压粘结相连。通过上述结构，在软地层中钻进时，填充体用于与金刚石层一起参与切削岩石，从而能够获得较高的钻速，使得该PDC钻头也能够适用于软地层中的钻进。在硬地层中钻进时，由于填充体的耐磨性相对较弱，因此，填充体的磨损速度快于金刚石层，使得填充体逐渐被磨损，而重新在第一切削齿上形成凹槽，使得该PDC钻头在硬地层中钻进时也能够获得较高的钻速。作为本专利技术的优选方案，凹槽另一端贯通至第一切削齿的侧面，沿PDC齿的前工作面指向PDC齿的后工作面的方向，凹槽的横截面尺寸逐渐减小。PDC齿的前工作面，是指PDC齿的金刚石层的上表面，后工作面与前工作面相对设置。现有技术中，PDC齿与刀翼之间连接往往是这样实现的：PDC齿的侧面上靠近后工作面的一端与刀翼通过粘结相连。因此，通过本专利技术提供的上述结构，PDC齿的后工作面及附近的侧面能够保持完整的柱体形状，从而有利于保证PDC齿与第一刀翼之间的粘结稳定性。作为本专利技术的优选方案，凹槽另一端贯通至第一切削齿的后工作面。通过这种结构，有利于降低凹槽的加工难度。作为本专利技术的优选方案，第一刀翼上还设有第二切削齿，同一第一刀翼上的第一切削齿和第二切削齿之间的相对位置被构造为：在钻头的转动所形成的圆周方向上，第二切削齿设置于第一切削齿的后方。通过这种结构，提高了钻头的布齿密度，有利于减缓钻头的磨损。作为本专利技术的优选方案，第二切削齿与PDC钻头的轴线之间的距离大于PDC钻头半径的二分之一。作为本专利技术的优选方案，还包括第二刀翼，在PDC钻头的圆周方向上，第二刀翼与第一刀翼交替呈间隔地设置，第二刀翼与钻头本体相连，第二刀翼上设有第二切削齿。通过上述结构，第二切削齿既可以设置于第一刀翼上，也可以设置于第二刀翼上，还可以同时设置于第一刀翼和第二刀翼上。作为本专利技术的优选方案，第二切削齿在PDC钻头上的位置被构造为：对于每一个第二切削齿，都与至少一个第一切削齿同轨道设置。所述同轨道设置，是指在井底覆盖布齿图中，同轨道设置的两个切削齿，具有相同的定位半径，即在理想钻进条件下，两颗切削齿的特征点的运动轨迹相同。作为本专利技术的优选方案，第二切削齿为锥形齿或斧型齿，或第二切削齿与第一切削齿同结构设置。当第二切削齿设置为锥孔齿或斧型齿时，第二切削齿的形状能够更好的与岩脊的形状匹配，从而针对第一切削齿形成的岩脊进行破坏。当第二切削齿与第一切削齿同结构设置时，有利于减缓第一切削齿的磨损速度。作为本专利技术的优选方案，第二切削齿与PDC钻头的轴线之间的距离大于PDC钻头半径的二分之一。作为本专利技术的优选方案，第二切削齿的出刃高度小于或等于第一切削齿的出刃高度。通过上述结构，第二切削齿对同轨道的前位第一切削齿形成的岩脊具有更强的针对性。作为本专利技术的优选方案，凹槽的横截面包括锥形、椭圆形或矩形。本专利技术至少包括以下有益效果：1.通过对第一切削齿上设置凹槽和对布齿方案的设计，使得PDC钻头能够在硬地层中获得较高的钻速；2.在硬地层钻进中，各个第一切削齿的凹槽互不重叠，因此，第一切削齿形成的岩脊互不干涉，通过第二切削齿对同轨道的前位第一切削齿形成的岩脊进行破坏，更容易产生更多、更大的体积破碎，机械钻速能大幅提高；3.在硬地层钻进时在井底形成岩脊，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向震动；4.当钻头发生磨损后，本专利技术结构相比于现有技术，仍具有较高的钻进比压，具有很强的持续、高效钻进能力。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是本专利技术第一实施例提供的PDC钻头的结构示意图。图2是本专利技术第一实施例提供的PDC钻头在另一视角下的结构示意图。图3是本专利技术第一实施例提供的PDC钻头的第一切削齿的结构示意图。图4是本专利技术第一实施例提供的PDC钻头上的井底覆盖布齿图。图5是本专利技术第一实施例提供的PDC钻头切削井底形成岩脊的示意图。图6是本专利技术第一实施例提供的PDC钻头在第一切削齿已磨损的状态下，切削井底形成岩脊的示意图。图7是本专利技术第二实施例提供的PDC钻头的第一切削齿的结构示意图。图8是本专利技术第三实施例提供的PDC钻头本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于硬地层的PDC钻头，包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，所述第一切削齿为聚晶金刚复合片，所述第一刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，所述第一切削齿设于所述第一刀翼上，其特征在于，所述第一切削齿上设有凹槽，所述凹槽一端贯通至所述第一切削齿的前工作面；在所述PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个所述第一切削齿上的所述凹槽互不重叠。

【技术特征摘要】
1.一种适用于硬地层的PDC钻头，包括钻头本体、第一刀翼和第一切削齿，所述第一切削齿为聚晶金刚复合片，所述第一刀翼与所述钻头本体固定相连或一体成型，所述第一切削齿设于所述第一刀翼上，其特征在于，所述第一切削齿上设有凹槽，所述凹槽一端贯通至所述第一切削齿的前工作面；在所述PDC钻头的井底覆盖布齿图中，各个所述第一切削齿上的所述凹槽互不重叠。2.根据权利要求1所述的PDC钻头，其特征在于，所述凹槽中设有填充体，所述填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，所述填充体与所述凹槽的侧壁固定相连。3.根据权利要求1所述的PDC钻头，其特征在于，所述填充体为由碳化钨和/或硬质合金制作而成的结构体。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的PDC钻头，其特征在于，所述凹槽另一端贯通至所述第一切削齿的侧面，沿所述PDC齿的前工作面指向所述PDC齿的后工作面的方向，所述凹槽的横截面尺寸逐渐减小。5.根据权利要求1-3中任意一项所述的PDC钻头，其特征在于，所述凹槽另一端贯...

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