[发明专利]一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，特别是涉及一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头。

背景技术

PDC钻头是一种利用聚晶金刚石复合片（即PDC 齿，亦简称切削齿或齿）对岩石产生刮切或剪切作用破岩的钻头，是现今钻井工程中使用的主要破岩工具之一，特别是在中软地层的钻进中PDC钻头使用得最多。为了使钻头的切削结构和水力结构达到更好的工作效果，在设计、制造钻头时，通常按照一定的规律将PDC齿分成若干组，同组的PDC 齿固结在同一个齿座上，每个齿座以及分布于其上的PDC齿构成一个切削结构单元，此单元称为刀翼（齿座为刀翼体）。刀翼之间的沟槽就形成了钻头的流道槽。流道槽主要是便于钻井流体携带岩屑从井底排出。流道上假设理想流向线，所谓理想流向线，是指钻头在井底工作时，钻井液流体从钻头喷嘴喷出后，在井底、井壁岩石与钻头流道之间流动时主流流体的流动方向。

PDC钻头在较快钻进或快速钻进时，特别是在遇到软泥岩地层、易吸水膨胀的地层或软硬交错的地层时，岩屑量较大，岩屑容易粘附并逐渐聚结在钻头的流道表面，阻塞流道，形成泥包。钻头泥包会使钻头的钻岩能力显著下降，而且使切削齿难以有效冷却，齿的磨损速度加剧，导致钻速降低，钻头使用寿命缩短。泥包严重时，钻头基本无钻进能力，无法形成明显进尺，此时需起下钻更换钻头，这将明显降低钻井效率，增加钻井成本。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术的不足之处，提供一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，解决了PDC钻头的泥包问题，提高钻井效率，降低钻井成本。

本发明的目的通过下述技术方案来实现： 

一种流道表面具有凹坑的抗泥包PDC钻头，包括钻头本体，该钻头本体下部设有联接钻杆的螺纹接头，上部设有若干刀翼，刀翼之间的沟槽形成钻头的流道槽，所述流道槽表面设有至少两个凹坑，该凹坑由凹坑底面和凹坑侧面构成，该凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面。

作为优选，所述凹坑底面的坡度角α≤40°；所述凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积S1与凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积S2的比值的范围为S1：S2≤1:3。

凹坑底面的坡度角α是指凹坑底面与流道槽表面之间的夹角。在本发明中坡度角规定为：凹坑底面最深点或凹坑底面最深处的几何中心点与交线一（凹坑底面与流道槽表面的交线）的中点之间的连线，此连线与凹坑所在位置的原始流道槽表面的切平面之间的夹角。原始流道槽表面的切平面，是指原始流道槽表面在凹坑坑口几何中心处的切平面。

本发明的思路来源于生活在土壤中或者栖息于地洞中的动物的降阻抗粘附的体表。为了减少泥土的粘附，某些动物的体表从宏观上呈现几何非光滑的体表特征，如蜣螂、蝼蛄、穿山甲等动物的非光滑体表。这些动物在黏湿土壤中具有降阻抗粘附的体表，其体表呈现出典型的非光滑特征，这些动物体表的降阻抗粘附效果非常明显。

钻头钻进时，钻井液流体携带岩屑从流道槽表面运移，岩屑与流道槽表面接触。如果流道槽表面为光滑表面，岩屑量较大时，运移任务量大，岩屑易于粘附在流道槽表面，形成岩屑团，使流道不畅通，岩屑运移困难，甚至堵塞流道，形成泥包。

本发明钻头的流道槽表面设有凹坑，凹坑底面从坑底直接延伸到流道槽表面，凹坑底面的坡度角α≤40°，凹坑底面所占的流道区域（凹坑底面向流道槽原始表面的投影面积）相对凹坑侧面所占的流道区域（凹坑侧面向流道槽原始表面的投影面积）的比例明显要大，凹坑底面与流道槽表面夹角为较小的锐角，过渡平缓，而侧面与流道槽表面夹角较陡。流道槽表面具有凹坑，使得表面不光滑，表面类似于动物体表的鳞片，此种表面结构能产生防岩屑粘附的效果，其原因在于：

1.流道槽表面的凹坑能减少岩屑与流道槽接触的面积，从而减少岩屑在流道槽表面的粘附。

2.凹坑内能储存润滑液（钻井液），其能对从流道槽表面流过的岩屑起润滑作用，使岩屑与流道槽表面的粘附力和摩擦力大大下降。