一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头制造技术

本发明专利技术提供了一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，包括上接头和钻头基体，上接头连接上部钻井工具，钻头基体布局水眼、刀翼和牙齿，钻头采用周向40

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头


[0001]本专利技术涉及石油钻井领域，具体涉及一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头。

技术介绍

[0002]钻头是石油钻井中用来破碎岩石以形成井眼的工具。石油钻井中常用钻头主要为孕镶金刚石钻头、刮刀钻头、牙轮钻头和聚晶金刚石复合片钻头。聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石层和基体复合而成，聚晶金刚石复合片(也称PDC齿、复合片、切削齿或齿)因其具有优异的力学和化学性能，如强度高、韧性好及抗腐蚀性能好，而被广泛用来制造超硬刀具、地质深井及太空钻头上。
[0003]随着切削齿材料技术和钻头设计技术的不断进步，其独特的钻井安全性、结构形式的灵活性以及剪切破岩的高效切削性，使PDC钻头在油气钻井工程中的地层适应范围越来越广，据统计目前在世界范围内钻井总进尺数的70%都是由PDC钻头完成的，占有绝对的重要地位。PDC钻头的使用范围逐渐从软、中硬地层，逐渐扩展到硬地层、含有夹层的以及含砾石的复杂地层。
[0004]但当前面对复杂难钻地层，常规PDC钻头进尺慢，寿命短，从而频繁的起下钻作业，严重影响钻井周期。目前常规PDC钻头，为加强钻头攻击性，多为5、6刀翼双排齿，齿形单一布齿简单，钻头本体也不耐磨，极易造成钻头损坏及缩径。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，以解决现有技术中的切削部位磨损严重、进齿慢和布齿不合理的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，包括上接头、钻头基体、主刀翼、副刀翼和短刀翼，所述上接头通过螺纹连接钻头基体，钻头基体为九刀翼结构，钻头基体上均布设置有多个主刀翼、副刀翼和短刀翼，多个所述主刀翼、副刀翼和短刀翼沿周向40
°
均匀排布在钻头基体上，主刀翼、副刀翼和短刀翼上设置有多个切削齿结构，所述主刀翼为直线型结构，主刀翼垂直于钻头基体的法面，所述副刀翼和短刀翼采用微螺旋结构，钻头基体的相邻刀翼之间设有排屑槽，钻头基体的内部设有钻井液流道和水眼通道。
[0007]进一步的，主刀翼、副刀翼和短刀翼的结构分为保径端和切削翼，所述保径端设置在切削翼的上端，保径端为靠近上接头的一端，保证了井壁直径尺寸以及井壁光滑，所述保径端上设置有防卡齿和规径齿；钻头的切削翼分为第一切削区、第二切削区和第三切削区，钻头基体从边缘到中心依次为第一切削区、第二切削区和第三切削区，所述第一切削区负责破碎钻头中心的岩石，安放有倒锥齿、PDC主齿和PDC副齿，所述第二切削区为钻头主要切削区负责钻进和破碎新的岩层，安放有喙形PDC主齿和PDC副齿，所述第三切削区为扩径区负责扩大井眼的直径，安放有PDC主齿和合金齿。
[0008]进一步的，钻头基体设计为九刀翼结构，九刀翼结构的喙形PDC主齿安放在不同圆
周上，主刀翼、副刀翼和短刀翼之间的喙形PDC主齿错位布齿，使得第二切削区上喙形PDC主齿均匀分布，增加喙形PDC主齿的利用率，提高钻头的破岩效率；所述第二切削区前后排齿之间设有高度差，同排相邻牙齿也设有高度差，高度差皆为0.5
‑
1mm，前后排齿安放与地层齿倾角为8
‑
10
°
，通过设置合理的高度差和齿倾角降低钻头一次性吃入量，防止发生牙齿崩坏和掉落，增加钻头的使用寿命。
[0009]进一步的，喙形PDC主齿由PDC彖形片和球柱合金基座组成，PDC彖形片为圆柱彖形结构，球柱合金基座为圆柱半球结构；球柱合金基座一端设有阶梯状的第一表面，PDC彖形片设有与第一表面相反的阶梯状的第二表面，第二表面与第一表面相配合；阶梯状设计局部增加了PDC彖形片切削部位的厚度，防止在切削过程中因受力不均发生脆断，提高PDC彖形片的使用寿命。
[0010]进一步的，PDC彖形片还设有远离第二表面的第三表面和最下端的第四表面，第三表面和第四表面之间相交设置，第三表面和第四表面为锥形流线结构，锥形流线结构的设置优化了牙齿在破岩时的受力方式以及切削面积；所述第三表面上有第一曲线、第二曲线、第三曲线、第一脊线、第二脊线、切削刃Ⅰ和切削刃Ⅱ，所述第四表面上有切削刃Ⅲ、过度曲面、切平面、第四曲线和第五曲线。
[0011]进一步的，第一脊线与PDC彖形片轴线夹角为90
°
，第一脊线和第二曲线之间形成导屑面Ⅰ，导屑面Ⅰ为曲面结构；所述第二脊线为曲线，第二脊线的一端与第一脊线相切，第二脊线一端往下延伸与第五曲线相交，第二脊线与第一曲线之间形成导屑面Ⅱ，导屑面Ⅱ为曲面结构；第二脊线上有上端点和下端点，上端点和下端点之间水平间距为2mm，导屑面Ⅰ和导屑面Ⅱ之间平滑相切，导屑面Ⅰ与导屑面Ⅱ沿切削刃Ⅰ和切削刃Ⅱ对称分布在PDC彖形片两边；第四曲线右端与圆柱表面相切，第四曲线左端与第五曲线相交，过度曲面由第四曲线绕圆柱中心旋转形成；第五曲线位于PDC彖形片最下端，第五曲线突出圆柱距离为3mm，切平面与圆柱表面及第五曲线相切，切平面沿第五曲线对称分布；切削刃Ⅱ和切削刃Ⅲ在钻压下相交形成的尖锥首先刺入岩石，钻头旋转带动喙形PDC主齿旋转，切削刃Ⅱ和切削刃Ⅲ周向切开岩石，凹曲形的导屑面Ⅰ与导屑面Ⅱ将切削后的岩石铲除，并且不断岩屑从牙齿底部翻转破碎，最后钻井液携带翻转破碎后岩石离开破岩区域。
[0012]进一步的，PDC主齿由PDC主齿三刃片和半球合金基座组成，PDC主齿三刃片和半球合金基座之间设置了用于防止脱落、滑移的三角形配合槽一，PDC主齿三刃片和半球合金基座通过烧结的方式连接；所述PDC副齿由PDC副齿三刃片和圆柱合金基座组成，PDC副齿三刃片和圆柱合金基座之间设置了用于防止脱落、滑移的三角形配合槽二，PDC副齿三刃片和圆柱合金基座通过烧结的方式连接。
[0013]进一步的，排屑槽内均匀设置有水眼通道，水眼通道由主水眼和副水眼组成，主水眼直径为28mm，数量为三个，副水眼直径为24mm，数量为九个；所述主水眼分布在钻头基体中心，副水眼分布在钻头基体边缘。
[0014]基于上述技术方案，本专利技术可以产生如下有益效果：1、新型喙形PDC主齿的设计。通过设计具有彖刃和导屑面的喙形PDC主齿，与传统PDC齿以切削剪切岩石相比，喙形PDC主齿从根本上转变了PDC牙齿破岩方式，使的钻头所需要的扭矩大幅度降低，提高了牙齿的破岩效率。
[0015]2、刀翼设计及布局。采用九刀翼的设计，且相互沿钻头基体周向40
°
均匀间隔分布
在钻头基体上。九刀翼设计平衡了井底岩石
‑
刀翼的受力分布，降低单位时间牙齿磨损量，提高钻头耐磨抗碰的能力和使用寿命。
[0016]3、齿形的优选以及布局。选择优质三刃PDC齿、硬质合金平面齿和倒锥齿，根据各类牙齿的特性的混合布局。刀翼上喙形PDC主齿安放在不同圆周上，其主刀翼、副刀翼及短刀翼之间错位布齿，使得喙形PDC主齿分布均匀，增加喙形PDC主齿的利用率，提高钻头的切削破岩效率。
[0017]4、牙齿高差齿倾角设计。前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，其特征在于，包括上接头（1）、钻头基体（2）、主刀翼（3）、副刀翼（4）和短刀翼（5），所述上接头（1）通过螺纹连接钻头基体（2），钻头基体（2）为九刀翼结构，钻头基体（2）上均布设置有多个主刀翼（3）、副刀翼（4）和短刀翼（5），多个所述主刀翼（3）、副刀翼（4）和短刀翼（5）沿周向40
°
均匀排布在钻头基体（2）上，主刀翼（3）、副刀翼（4）和短刀翼（5）上设置有多个切削齿结构，所述主刀翼（3）为直线型结构，主刀翼（3）垂直于钻头基体（2）的法面，所述副刀翼（4）和短刀翼（5）采用微螺旋结构，钻头基体（2）的相邻刀翼之间设有排屑槽（6），钻头基体（2）的内部设有钻井液流道（7）和水眼通道（8）。2.根据权利要求1所述的一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，其特征在于，所述主刀翼（3）、副刀翼（4）和短刀翼（5）的结构分为保径端和切削翼，所述保径端设置在切削翼的上端，保径端为靠近上接头（1）的一端，保证了井壁直径尺寸以及井壁光滑，所述保径端上设置有防卡齿（9）和规径齿（10）；钻头的切削翼分为第一切削区（16）、第二切削区（17）和第三切削区（18），钻头基体（2）从边缘到中心依次为第一切削区（16）、第二切削区（17）和第三切削区（18），所述第一切削区（16）负责破碎钻头中心的岩石，安放有倒锥齿（11）、PDC主齿（12）和PDC副齿（13），所述第二切削区（17）为钻头主要切削区负责钻进和破碎新的岩层，安放有喙形PDC主齿（14）和PDC副齿（13），所述第三切削区（18）为扩径区负责扩大井眼的直径，安放有PDC主齿（12）和合金齿（15）。3.根据权利要求1所述的一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，其特征在于，所述钻头基体（2）设计为九刀翼结构，九刀翼结构的喙形PDC主齿（14）安放在不同圆周上，主刀翼（3）、副刀翼（4）和短刀翼（5）之间的喙形PDC主齿（14）错位布齿，使得第二切削区（17）上喙形PDC主齿（14）均匀分布，增加喙形PDC主齿（14）的利用率，提高钻头的破岩效率；所述第二切削区（17）前后排齿之间设有高度差，同排相邻牙齿也设有高度差，高度差皆为0.5
‑
1mm，前后排齿安放与地层齿倾角为8
‑
10
°
，通过设置合理的高度差和齿倾角降低钻头一次性吃入量，防止发生牙齿崩坏和掉落，增加钻头的使用寿命。4.根据权利要求3所述的一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，其特征在于，所述喙形PDC主齿（14）由PDC彖形片(101)和球柱合金基座（102）组成，PDC彖形片(101)为圆柱彖形结构，球柱合金基座（102）为圆柱半球结构；球柱合金基座（102）一端设有阶梯状的第一表面（103），PDC彖形片(101)设有与第一表面（103）相反的阶梯状的第二表面（104），第二表面（104）与第一表面（103）相配合；阶梯状设计局部增加了PDC彖形片(101)切削部位的厚度，防止在切削过程中因受力不均发生脆断，提高PDC彖形片(101)的使用寿命。5.根据权利要求4所述的一种耐磨抗碰的新型喙形齿多刀翼PDC钻头，其特征在于，所述PDC彖形片(101)还设有远离第二表面（104）的第三表面（106）和最下端的第四表面（105）...

【专利技术属性】
技术研发人员：林铁军，杨程淞，于浩，郭建华，聂家昌，王雪刚，张强，余成秀，韩浩，曾馨，温晓松，刘朕，王磊，朱泽林，沈瑞奇，余文乐，兰含悦，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
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