一種新型加強(qiáng)型pdc鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其結(jié)構(gòu)合理，制造成本低，鉆頭運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長。包括鉆頭本體及固定在鉆頭本體上的刀翼、噴嘴、切屑齒以及刀翼之間設(shè)置的排屑槽，還包括保徑塊，保徑塊包括環(huán)繞鉆頭本體外壁并與刀翼連接的上保徑和位于上保徑下方與上保徑錯(cuò)位周向交錯(cuò)布置的下保徑；排屑槽表面設(shè)置有凹陷的槽口，槽口兩端從排屑槽延伸到刀翼的前后端面上；噴嘴由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，其中，外層結(jié)構(gòu)為抗斷層，內(nèi)層結(jié)構(gòu)為耐沖蝕層；刀翼上設(shè)有多個(gè)依次排列的切削齒；切削齒為金剛石復(fù)合片；刀翼上背對(duì)切削齒的部位鑲嵌一組楔形鉆進(jìn)尖齒；楔形鉆進(jìn)尖齒為聚晶金剛石；楔形鉆進(jìn)尖齒的高度大于切削齒的高度。
【專利說明】
一種新型加強(qiáng)型PDC鉆頭
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型加強(qiáng)型PDC鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]鉆井是石油天然氣等地下資源勘探開發(fā)的基本手段，也是資金和技術(shù)密集型專業(yè)工程。先進(jìn)的鉆井技術(shù)，在加快油氣等資源勘探開發(fā)速度等方面發(fā)揮了不可替代的重要作用。因此，開展鉆井技術(shù)和鉆井工具研究，對(duì)提高我國油氣等地下資源的勘探開發(fā)效率以及參與世界技術(shù)市場競爭等都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。在鉆井時(shí)如何實(shí)現(xiàn)高效防斜是鉆井現(xiàn)場經(jīng)常碰到的技術(shù)難題之一。如果井斜過大，會(huì)使井眼偏離地下設(shè)計(jì)目標(biāo)，打亂油氣田開發(fā)的布局。對(duì)于勘探工作來說，井斜大了會(huì)使井深發(fā)生誤差，得到的地質(zhì)資料不真實(shí)，甚至偏離勘探目標(biāo)。井打斜了，也給鉆井工程本身增加了困難，甚至造成嚴(yán)重的井下事故。對(duì)采油工作來說，井斜過大會(huì)直接影響井下的分層開采、注水工作的正常進(jìn)行，對(duì)抽油井也常引起抽油桿的磨損和折斷。所以，井斜過大對(duì)油氣田的勘探與開發(fā)都有很大的危害。
[0003]隨著roc鉆頭技術(shù)的發(fā)展，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越來越明顯，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)越來越明顯，1998年以來在川西地區(qū)使用roc鉆頭與牙輪鉆頭相比，單只鉆頭進(jìn)尺和機(jī)械鉆速都成倍增長，鉆井周期縮短了50%以上，每米鉆井成本大幅度降低，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是，在應(yīng)用roc鉆頭鉆井時(shí)，由于地質(zhì)情況、鉆具結(jié)構(gòu)以及鉆井施工的原因造成鉆井偏斜的情況不時(shí)發(fā)生，這種井斜會(huì)影響鉆井偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，導(dǎo)致在鉆井工程中會(huì)降低鉆井質(zhì)量，甚至造成油氣井報(bào)廢。為防止井斜或糾斜，鉆井工程中可采取一些措施。如傳統(tǒng)的防斜打直技術(shù)，無論是底部鉆具組合本身還是地層的自然造斜特征均要求限制鉆壓的大小，甚至要求“輕壓吊打”從而嚴(yán)重降低了鉆井的效率?，F(xiàn)有的普通PDC鉆頭，每一條刀翼下連著一條保徑，保徑長度一般為50-120mm。鉆井時(shí)，保徑是貼在鉆頭已切肩好的井壁上，起扶正鉆頭，防止震動(dòng)，同時(shí)也有一定的防井斜的作用，但是由于保徑長度有限，因此防斜能力較差，需要對(duì)現(xiàn)有的roc鉆頭進(jìn)行改進(jìn)，以克服其防斜能力差的問題。
[0004]另外，現(xiàn)有的PDC鉆頭一般通過優(yōu)化水力結(jié)構(gòu)來防止巖石泥包鉆頭，鉆井液通過噴嘴噴射出來對(duì)切削齒進(jìn)行清洗和冷卻，鉆井液攜帶巖肩通過排肩槽排出井底。當(dāng)roc鉆頭在軟泥地層、易吸水膨脹的地層，巖肩容易粘附在鉆頭表面，同時(shí)在鉆頭上刀翼附近容易形成渦旋，讓巖肩長時(shí)間停留在鉆頭附近，形成泥包，堵塞流道和排肩槽。一旦鉆頭泥包，容易造成鉆頭在井底重復(fù)切削，其切削能力大大降低，巖肩不能及時(shí)排除井底，容易堵塞噴嘴，發(fā)生事故，需要起下鉆重新更換鉆頭，增加鉆井成本。
[0005]再有，目前，石油鉆井領(lǐng)域中的噴嘴主要用于清除金剛石鉆頭中的巖肩以及冷卻、潤滑切削齒。現(xiàn)有技術(shù)中，在石油鉆井中應(yīng)用最廣泛的噴嘴由單層結(jié)構(gòu)制成，因硬質(zhì)合金材料具有高硬度和耐磨性的特點(diǎn)，所以，目前的單層結(jié)構(gòu)噴嘴多采用硬質(zhì)合金層制造。但是，單層硬質(zhì)合金層結(jié)構(gòu)的噴嘴在應(yīng)用時(shí)，存在以下缺陷:一方面，由硬質(zhì)合金層制成的噴嘴韌性差，在裝卸噴嘴過程中極易斷裂，進(jìn)而造成噴嘴先期失效、斷裂、掉入井底等問題，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量；另一方面，井底液流長期沖蝕噴嘴，而硬質(zhì)合金層耐沖蝕性差，進(jìn)而導(dǎo)致單層硬質(zhì)合金層的噴嘴使用壽命縮短，使用效果降低。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，本實(shí)用新型提供了一種新型加強(qiáng)型roc鉆頭，其結(jié)構(gòu)合理，制造成本低，鉆頭運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案:
[0008]一種新型加強(qiáng)型roc鉆頭，包括鉆頭本體及固定在鉆頭本體上的刀翼、噴嘴以及刀翼之間設(shè)置的排肩槽，還包括保徑塊，所述保徑塊包括環(huán)繞鉆頭本體外壁并與刀翼連接的上保徑和位于上保徑下方與上保徑錯(cuò)位周向交錯(cuò)布置的下保徑;所述排肩槽表面設(shè)置有凹陷的槽口，槽口兩端從排肩槽延伸到刀翼的前后端面上;所述噴嘴由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，其中，外層結(jié)構(gòu)為抗斷層，內(nèi)層結(jié)構(gòu)為耐沖蝕層;所述刀翼上設(shè)有多個(gè)依次排列的切削齒;所述切削齒為金剛石復(fù)合片;所述刀翼上背對(duì)切削齒的部位鑲嵌一組楔形鉆進(jìn)尖齒;所述楔形鉆進(jìn)尖齒為聚晶金剛石;所述楔形鉆進(jìn)尖齒的高度大于所述切削齒的高度。
[0009]具體地，所述楔形鉆進(jìn)尖齒與所述切削齒的高度差在3?5_之間。
[0010]進(jìn)一步地，所述楔形鉆進(jìn)尖齒的前側(cè)面和后側(cè)面分別為等邊三角形結(jié)構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步地，所述上保徑和下保徑側(cè)面均為豎向布置的等腰梯形，且長邊為底面邊線，短邊為上表面的邊線，所述長邊所在的底面與鉆頭本體的外壁連接。
[0012]進(jìn)一步地，所述槽口凹陷于排肩槽表面的深度為2?4mm。
[0013]進(jìn)一步地，所述槽口的寬度為5?8mm。
[0014]進(jìn)一步地，所述相鄰兩個(gè)刀翼之間的排肩槽表面與鉆頭本體軸線的夾角為3°?18。。
[0015]進(jìn)一步地，所述耐沖蝕層為金剛石層。
[0016]進(jìn)一步地，所述金剛石層的厚度為0.1mm?0.5mm。
[0017]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0018]I)在鉆頭本體上設(shè)置上保徑和下保徑，增長了保徑與井壁接觸的弧長，這也使保徑寬度之和與鉆頭外圓周長之比值增加，大大提高了鉆井穩(wěn)定性。同時(shí)大大提高了鉆頭的扶正防斜作用，且對(duì)泥漿的流動(dòng)不會(huì)有影響。
[0019]2)在鉆頭上形成向內(nèi)凹陷的槽口，可以減小巖肩與鉆頭表面的接觸面積，從而降低巖肩與鉆頭的粘附力，同時(shí)凹槽內(nèi)可以儲(chǔ)存鉆井液，也能夠起潤滑作用，排肩槽面與鉆頭本體軸線有一定夾角，這樣可以利于巖肩迅速的通過排肩槽，當(dāng)在鉆頭刀翼橫截面附近形成渦流時(shí)，因?yàn)橛袏A角在排肩槽附近的巖肩被槽口阻擋不能重新回到井底，減小巖肩堵塞鉆頭的幾率，從而能夠有效防止鉆頭泥包。
[0020]3)結(jié)構(gòu)合理，制造成本低，鉆頭運(yùn)行平穩(wěn)。
[0021]4)本實(shí)用新型打破了目前石油鉆井領(lǐng)域中應(yīng)用的噴嘴單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將噴嘴設(shè)計(jì)為兩層結(jié)構(gòu)，通過合金鋼層和金剛石層復(fù)合而成，利用合金鋼良好的韌性，使得噴嘴裝卸更便利，在裝卸過程中不易斷裂;另一方面，本實(shí)用新型采用的人造金剛石層作為噴嘴的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，其耐沖蝕性能極佳，可有效地克服井底液流的沖蝕，從而避免了噴嘴先期失效，以及在使用或裝卸過程中斷裂，掉落井底，保證施工安全，提高了井底清潔效率，進(jìn)而提高了機(jī)械鉆速。
[0022]5)由于其設(shè)置了比切削齒高的楔形鉆進(jìn)尖齒，所以在鉆探研磨性適中并且?guī)в幸欢ㄋ苄缘挠驳貙訒r(shí)，先由楔形鉆進(jìn)尖齒對(duì)該硬地層進(jìn)行劃口破壞，再由切削齒進(jìn)行剪切破碎，不但機(jī)械鉆速快，而且十分容易吃入該硬地層，大大地降低了對(duì)切削齒的磨損，延長了鉆頭的使用壽命。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2本實(shí)用新型中嗔嘴的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0025]圖3為實(shí)用新型中另一結(jié)構(gòu)不意圖；
[0026]圖4本實(shí)用新型中圖1的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型中的技術(shù)方案進(jìn)一步說明。
[0028]如圖1至圖4所述，本實(shí)用新型提出了一種新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，包括鉆頭本體I及固定在鉆頭本體I上的刀翼2，所述刀翼2上設(shè)有6-8個(gè)依次排列的切削齒3;所述切削齒3為金剛石復(fù)合片;所述刀翼2上背對(duì)切削齒3的部位鑲嵌一組楔形鉆進(jìn)尖齒9;所述楔形鉆進(jìn)尖齒9為聚晶金剛石;所述楔形鉆進(jìn)尖齒9的高度大于所述切削齒3的高度;所述楔形鉆進(jìn)尖齒9與所述切削齒3的高度差4mm，所述楔形鉆進(jìn)尖齒9的前側(cè)面和后側(cè)面分別為等邊三角形結(jié)構(gòu)。由于其設(shè)置了比切削齒3高的楔形鉆進(jìn)尖齒9，所以，在鉆探研磨性適中并且?guī)в幸欢ㄋ苄缘挠驳貙訒r(shí)，先由楔形鉆進(jìn)尖齒9對(duì)該硬地層進(jìn)行劃口破壞，再由切削齒3進(jìn)行剪切破碎，不但機(jī)械鉆速快，而且十分容易吃入該硬地層，大大地降低了對(duì)切削齒3的磨損，延長了鉆頭的使用壽命。
[0029]圖3所示，所述噴嘴8由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，其中，外層結(jié)構(gòu)為抗斷層8-1，內(nèi)層結(jié)構(gòu)為耐沖蝕層8-2;而成，具體的說，噴嘴8的外層結(jié)構(gòu)即為由合金鋼制成的合金鋼層，通過外層的合金鋼層增加了噴嘴8外部的柔韌性，從而使得裝卸噴嘴8過程中，噴嘴8不易斷裂，本實(shí)施例中，作為一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，合金鋼層由不銹鋼制成，其具有高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能;本實(shí)施例中新型噴嘴8的內(nèi)層結(jié)構(gòu)即主要為噴嘴8內(nèi)孔(通孔)的內(nèi)壁部分，該內(nèi)壁部分直接與井底液流接觸，為了提高噴嘴8內(nèi)孔的耐沖蝕性，其由耐沖蝕性材料制成。需要說明的是，在技術(shù)條件允許的前提下，也可通過覆層法強(qiáng)化合金鋼層表面的耐沖蝕性來實(shí)現(xiàn)噴嘴8內(nèi)層結(jié)構(gòu)的加工。
[0030]耐沖蝕性材料的選擇較多，如:纖維強(qiáng)化型和粒子強(qiáng)化型材料，本實(shí)施例中內(nèi)層結(jié)構(gòu)為金剛石層，作為一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該金剛石層由人造金剛石制成在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，金剛石層通過壓制成型，金剛石層有一定厚度，本實(shí)施例中金剛石層的范圍值在0.1mm?
0.5mm之間，如:0.1、0.2、0.3、0.4、0.5等值，金剛石層的取值范圍由實(shí)際生產(chǎn)噴嘴8的規(guī)格大小而定，金剛石層選擇適宜的厚度，可使得新型噴嘴8的實(shí)現(xiàn)更加方便。在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，金剛石層通過壓制成型，從而得到新型噴嘴8。
[0031]圖1所示，刀翼2之間設(shè)置的排肩槽6，所述排肩槽6表面設(shè)置有凹陷的槽口7，槽口 7兩端從排肩槽6延伸到刀翼2的前后端面上;所述槽口 7凹陷于排肩槽6表面的深度為3mm。所述槽口7的寬度為6.5mm，所述相鄰兩個(gè)刀翼2之間的排肩槽6表面與鉆頭本體I軸線的夾角10°、12°、15°。在鉆頭表面的凹凸不平的槽內(nèi)可以減小巖肩與鉆頭表面的接觸面積，從而降低巖肩與鉆頭的粘附力，同時(shí)槽內(nèi)可以儲(chǔ)存鉆井液，也能夠起潤滑作用，排肩槽6面與鉆頭軸線有一定夾角，這樣可以利于巖肩迅速的通過排肩槽6，當(dāng)在鉆頭刀翼2橫截面附近形成渦流時(shí)，因?yàn)橛袏A角在排肩槽6附近的巖肩被槽口 7阻擋不能重新回到井底，減小巖肩堵塞鉆頭的幾率，從而能夠有效防止鉆頭泥包。
[0032]圖1所示，還包括保徑塊，所述保徑塊包括環(huán)繞鉆頭本體I外壁并與刀翼2連接的上保徑4和位于上保徑4下方與上保徑4錯(cuò)位周向交錯(cuò)布置的下保徑5;所述上保徑4和下保徑5側(cè)面均為豎向布置的等腰梯形，且長邊為底面邊線，短邊為上表面的邊線，所述長邊所在的底面與鉆頭本體I的外壁連接?，F(xiàn)有的普通PDC鉆頭，每一條刀翼2下連著一條保徑，保徑長度一般為50-120mm。由于長度有限，防斜能力差，本實(shí)用新型設(shè)置下保徑5，且上保徑4和下保徑5交錯(cuò)設(shè)置，鉆井時(shí)上保徑4和下保徑5均貼在井壁上，大大提高了鉆頭的防斜作用。如圖3所述，本實(shí)用新型中上保徑4和下保徑5的外表面還可為圓錐形，結(jié)構(gòu)合理，制造成本低，鉆頭運(yùn)行平穩(wěn)。鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)通常是靠螺桿鉆具和鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的，常規(guī)roc鉆頭因其保徑是圓柱狀的，在鉆頭工作的時(shí)候常會(huì)使保徑與井壁摩擦，很容易造成鉆頭扭轉(zhuǎn)時(shí)的抖動(dòng)，本實(shí)用新型采用保徑下端的直徑最大向上逐漸變小，這種漸變的結(jié)構(gòu)使得鉆頭工作時(shí)，即使鉆頭中心軸與鉆井中心軸發(fā)生些偏移，上保徑4和下保徑5的上部也不會(huì)與井壁摩擦造成鉆頭的抖動(dòng)。
[0033]最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，包括鉆頭本體及固定在鉆頭本體上的刀翼、噴嘴以及刀翼之間設(shè)置的排肩槽，其特征在于:還包括保徑塊，所述保徑塊包括環(huán)繞鉆頭本體外壁并與刀翼連接的上保徑和位于上保徑下方與上保徑錯(cuò)位周向交錯(cuò)布置的下保徑； 所述排肩槽表面設(shè)置有凹陷的槽口，槽口兩端從排肩槽延伸到刀翼的前后端面上； 所述噴嘴由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)復(fù)合而成，其中，外層結(jié)構(gòu)為抗斷層，內(nèi)層結(jié)構(gòu)為耐沖蝕層； 所述刀翼上設(shè)有多個(gè)依次排列的切削齒；所述切削齒為金剛石復(fù)合片；所述刀翼上背對(duì)切削齒的部位鑲嵌一組楔形鉆進(jìn)尖齒;所述楔形鉆進(jìn)尖齒為聚晶金剛石;所述楔形鉆進(jìn)尖齒的高度大于所述切削齒的高度。2.如權(quán)利要求1所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述楔形鉆進(jìn)尖齒與所述切削齒的高度差在3?5mm之間。3.如權(quán)利要求1或2所述的新型加強(qiáng)型roc鉆頭，其特征在于:所述楔形鉆進(jìn)尖齒的前側(cè)面和后側(cè)面分別為等邊三角形結(jié)構(gòu)。4.如權(quán)利要求1或2所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述上保徑和下保徑側(cè)面均為豎向布置的等腰梯形，且長邊為底面邊線，短邊為上表面的邊線，所述長邊所在的底面與鉆頭本體的外壁連接。5.如權(quán)利要求4所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述槽口凹陷于排肩槽表面的深度為2?4mm。6.如權(quán)利要求5所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述槽口的寬度為5?8_。7.如權(quán)利要求1所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述相鄰兩個(gè)刀翼之間的排肩槽表面與鉆頭本體軸線的夾角為3°?18°。8.如權(quán)利要求7所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述耐沖蝕層為金剛石層。9.如權(quán)利要求8所述的新型加強(qiáng)型PDC鉆頭，其特征在于:所述金剛石層的厚度為0.1mm?0.5mmο
【文檔編號(hào)】E21B10/26GK205591837SQ201620387581
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】張翼, 付正兵, 劉文彬, 傅紅兵, 饒豪, 杜楊
【申請(qǐng)人】宜昌神達(dá)石油機(jī)械有限公司