一種預(yù)破碎混合布齒的pdc鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油鉆探設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]目前在石油天然氣鉆井中主要是用三牙輪鉆頭和PDC鉆頭。PDC鉆頭的破巖機(jī)理為刮削破巖，三牙輪鉆頭的破巖機(jī)理為沖擊壓碎。由于巖石的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，所以PDC鉆頭的破巖效率和破巖速度遠(yuǎn)大于三牙輪鉆頭。但是PDC鉆頭又有其顯著的缺點(diǎn)，即不能適應(yīng)硬地層、軟硬交錯(cuò)的夾層地層和含礫石的地層。
[0003]如何解決roc鉆頭在這些地層中鉆井效率低、壽命短的問題，已經(jīng)成為了 PDC鉆頭技術(shù)的一大難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的PDC鉆頭在硬地層、軟硬交錯(cuò)的夾層和含礫石的地層中的適應(yīng)性差，鉆井效率低、壽命短的問題。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，
[0006]第一種，一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，包括鉆頭主體，在鉆頭主體端頭均布五組PDC刀翼，在每組PDC刀翼上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒和對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒，每個(gè)roc切削齒工作面的前方布置有對(duì)應(yīng)同軌的預(yù)破碎齒，并且對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒與PDC切削齒位于同定位半徑和同定位高度；在鉆頭主體上還布置有五組噴嘴，五組噴嘴與五組PDC刀翼依次間隔分布。
[0007]第二種，一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，包括鉆頭主體，在鉆頭主體端頭均布五組PDC刀翼，在每組PDC刀翼上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒和預(yù)破碎齒，預(yù)破碎齒與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒布置在相鄰的PDC刀翼上；并且對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒與PDC切削齒位于同定位半徑和同定位高度；在鉆頭主體上還布置有五組噴嘴，五組噴嘴與五組PDC刀翼依次間隔分布。
[0008]本發(fā)明的預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，其特征還在于:
[0009]預(yù)破碎齒的形狀選用錐球齒、楔形齒、勺形齒、球形齒、錐臺(tái)齒、菱錐齒、圓柱齒之
O
[0010]預(yù)破碎齒的后傾角α范圍為-45°彡α彡45°。
[0011]本發(fā)明的有益效果是，通過鉆頭刀翼上預(yù)破碎齒預(yù)先破碎巖石，并在井底形成連續(xù)的圓環(huán)形齒坑，降低巖石強(qiáng)度，PDC切削齒利用之前形成的齒坑能夠更容易地吃入地層，提尚其破巖效率。主要包括以下特點(diǎn):
[0012]I)提高破巖效率和機(jī)械鉆速:由于通過鉆頭刀翼上預(yù)破碎齒預(yù)先地破碎巖石，并在井底形成連續(xù)的圓環(huán)形齒坑，降低巖石強(qiáng)度，PDC切削齒利用之前形成的齒坑能夠更容易地吃入地層，從而提高破巖效率和機(jī)械鉆速。
[0013]2)減少PDC切削齒熱磨損現(xiàn)象:由于預(yù)破碎齒已經(jīng)預(yù)先地破碎了部分巖石，能夠有效地減少PDC切削齒與巖石的接觸面積和切削體積，能大幅度地減少PDC切削齒的熱磨損和熱能集中的現(xiàn)象。
[0014]3)提高鉆頭壽命:由于每一顆PDC切削齒的切削軌跡上都對(duì)應(yīng)了有預(yù)破碎齒，同時(shí)PDC切削齒熱磨損現(xiàn)象的減少，因而可以大幅提高PDC切削齒的工作壽命和鉆頭的壽命。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的布齒俯視圖；
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的布齒周向位置圖；
[0018]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6工作的主視圖；
[0019]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6工作的俯視圖；
[0020]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6的混合布齒井底覆蓋圖；
[0021]圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的I號(hào)刀翼的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6的混合布齒井底覆蓋圖；
[0022]圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖9是本發(fā)明實(shí)施例2的布齒俯視圖；
[0024]圖10是本發(fā)明的預(yù)破碎齒6的后傾角布置的表示圖。
[0025]圖中，1.鉆頭主體，2.接頭，3.PDC刀翼，4.噴嘴，5.PDC切削齒，6.預(yù)破碎齒，7.預(yù)破碎齒坑，8.切削齒坑，9.井底輪廓。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是，包括鉆頭主體1，鉆頭主體I與接頭2連接為一個(gè)整體，在鉆頭主體I端頭均布五組PDC刀翼3 (即五組PDC刀翼3半包圍均布在鉆頭主體I端頭)，在每組PDC刀翼3上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒5及對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒6，每個(gè)PDC切削齒5工作面的前方布置有對(duì)應(yīng)同軌的預(yù)破碎齒6，并且預(yù)破碎齒6與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒5位于同定位半徑和同定位高度；鉆頭主體I上還布置有五組噴嘴4，五組噴嘴4與五組roc刀翼3依次間隔分布，用于清洗五組PDC刀翼3的鉆頭流道；
[0028]參照?qǐng)D2，羅馬數(shù)字1、I1、II1、IV、V分別代表鉆頭的1-5組PDC刀翼3，每組TOC刀翼3上的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6對(duì)應(yīng)布置。
[0029]預(yù)破碎齒6的形狀選用錐球齒、楔形齒、勺形齒、球形齒、錐臺(tái)齒、菱錐齒、圓柱齒之一；預(yù)破碎齒6的材料選用硬質(zhì)合金、聚晶金剛石復(fù)合體、熱穩(wěn)定聚晶金剛石、孕鑲金剛石、天然金剛石、立方氮化硼、硬質(zhì)合金、金剛石或立方氮化硼的切削齒。
[0030]預(yù)破碎齒6的后傾角α范圍為-45°彡α彡45°。
[0031]根據(jù)需要，預(yù)破碎齒6與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒5可以布置在同一個(gè)PDC刀翼3上，或者布置在相鄰的PDC刀翼3上。
[0032]實(shí)施例1
[0033]參照?qǐng)D1-圖2，是實(shí)施例1的PDC鉆頭結(jié)構(gòu)，每一顆預(yù)破碎齒6同軌(同定位半徑和同定位高度)地布置在每組PDC刀翼3上對(duì)應(yīng)的PDC切削齒5工作面的前方；預(yù)破碎齒6的軸向定位高度與PDC切削齒5相等。
[0034]參照?qǐng)D3、圖4、圖5，每組PDC刀翼3上的PDC切削齒5與對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒6都位于相同的定位半徑上，且順著鉆頭旋轉(zhuǎn)方向，預(yù)破碎齒6布置在PDC切削齒5工作面的前方，能夠比PDC切削齒5預(yù)先破碎巖石。
[0035]預(yù)破碎齒6的形狀采用的是錐球齒，其中錐頂位置的球面半徑為R2，其材料為硬質(zhì)合金。
[0036]預(yù)破碎齒6的后傾角為15°，該角度的軸向力最小，同時(shí)吃入地層能力最強(qiáng)。
[0037]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6的混合布齒井底覆蓋圖(所有的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6投影到同一平面上)，通過該方法布齒，形成了井底輪廓9。
[0038]圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的第一組PDC刀翼3的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6的混合布齒井底覆蓋圖(第一組PDC刀翼3上的PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6投影到同一平面上)，PDC切削齒5與預(yù)破碎齒6布置在鉆頭的刀翼3上，形成了井底輪廓9。
[0039]實(shí)施例2
[0040]參照?qǐng)D8、圖9，實(shí)施例2與實(shí)施例1主體結(jié)構(gòu)基本相同，其區(qū)別在于，其預(yù)破碎齒6與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒5布置在相鄰的PDC刀翼3上。
[0041]具體設(shè)置是，如圖9中羅馬數(shù)字1、I1、II1、IV、V分別代表鉆頭的第1-5組PDC刀翼3，設(shè)置在I組PDC刀翼3上的PDC切削齒5所對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒6布置在II組PDC刀翼3上，設(shè)置在II組PDC刀翼3上的PDC切削齒5所對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒6布置在III組PDC刀翼3上，依次類推；預(yù)破碎齒6與roc切削齒5同定位半徑和同定位高度，順著鉆頭旋轉(zhuǎn)方向，預(yù)破碎齒6布置在PDC切削齒5工作面的前方，能夠比PDC切削齒5預(yù)先破碎巖石。
[0042]預(yù)破碎齒6的形狀選用楔形齒，其材料為聚晶金剛石復(fù)合體。
[0043]圖10是本發(fā)明的預(yù)破碎齒6的后傾角布置的表示方法，α為預(yù)破碎齒的軸線與井底輪廓9的法線的夾角。沿著鉆頭旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)a ^O0時(shí)，為正后傾角，當(dāng)α = 0°時(shí)，為零后傾角，當(dāng)α ^Ξ0ο時(shí)，為負(fù)后傾角。
[0044]實(shí)施例2中的各個(gè)預(yù)破碎齒6的后傾角為0°。
[0045]本發(fā)明的預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，其工作原理是，
[0046]參照?qǐng)D5、圖6、圖7和圖10，通過PDC刀翼3上的預(yù)破碎齒6預(yù)先破碎巖石，并在井底形成連續(xù)的圓環(huán)形預(yù)破碎齒坑7，降低巖石強(qiáng)度；然后，PDC切削齒5利用之前形成的預(yù)破碎齒坑7能夠更容易地吃入地層，刮切破巖形成切削齒坑8，得到井底輪廓9，提高其破巖效率。
[0047]本發(fā)明的裝置，與常規(guī)的PDC鉆頭相比，采用預(yù)破碎混合布齒方式，能使PDC切削齒更容易吃入地層，提高鉆頭的破巖效率和機(jī)械鉆速；同時(shí)類似于“雙排齒”的布齒方法，能顯著提高鉆頭的壽命。本發(fā)明的預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭增強(qiáng)了 PDC鉆頭在硬地層、軟硬交錯(cuò)的夾層和含礫石地層中的適應(yīng)性，防止鉆頭因受到強(qiáng)烈的沖擊載荷造成PDC切削齒5失效，解決現(xiàn)有PDC鉆頭在這些地層中鉆井效率低，壽命短的問題。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，其特征在于:包括鉆頭主體(I)，在鉆頭主體(I)端頭均布五組PDC刀翼(3)，在每組PDC刀翼(3)上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒(5)和對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒(6)，每個(gè)PDC切削齒(5)工作面的前方布置有對(duì)應(yīng)同軌的預(yù)破碎齒(6)，并且對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒(6)與PDC切削齒(5)位于同定位半徑和同定位高度； 在鉆頭主體(I)上還布置有五組噴嘴(4)，五組噴嘴(4)與五組PDC刀翼(3)依次間隔分布O2.一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，其特征在于:包括鉆頭主體(I)，在鉆頭主體(I)端頭均布五組PDC刀翼(3)，在每組PDC刀翼(3)上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒(5)和預(yù)破碎齒(6)，預(yù)破碎齒(6)與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒(5)布置在相鄰的PDC刀翼(3)上；并且對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒(6)與PDC切削齒(5)位于同定位半徑和同定位高度； 在鉆頭主體(I)上還布置有五組噴嘴(4)，五組噴嘴(4)與五組PDC刀翼(3)依次間隔分布O3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，其特征在于:所述的預(yù)破碎齒￠)的形狀選用錐球齒、楔形齒、勺形齒、球形齒、錐臺(tái)齒、菱錐齒、圓柱齒之一。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，其特征在于:所述的預(yù)破碎齒(6)的后傾角α范圍為-45°彡α彡45°。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，包括鉆頭主體，在鉆頭主體端頭均布五組PDC刀翼，在每組PDC刀翼上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒和預(yù)破碎齒，每個(gè)PDC切削齒工作面的前方對(duì)應(yīng)布置有同軌的預(yù)破碎齒，或者預(yù)破碎齒與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒布置在相鄰的PDC刀翼上，并且對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒與PDC切削齒位于同定位半徑和同定位高度；鉆頭主體上還布置有五組噴嘴，五組噴嘴與五組PDC刀翼依次間隔分布。本發(fā)明的裝置，增強(qiáng)PDC鉆頭在硬地層、軟硬交錯(cuò)的夾層和含礫石地層中的適應(yīng)性，鉆井效率高，顯著提高鉆頭的壽命。
【IPC分類】E21B10/60, E21B10/43, E21B10/55
【公開號(hào)】CN105134084
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510504226
【發(fā)明人】石擎天, 鄧寶, 閻永宏, 閆靜, 劉曉旭
【申請(qǐng)人】寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年8月17日