[发明专利]一种渐变径式高效破岩锥形PDC钻头

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气PDC钻头技术领域，具体涉及一种渐变径式高效破岩锥形PDC钻头。

背景技术

石油天然气钻井作业中，通过钻头破碎地层岩石来钻成油气的连接通道，该通道被称为井眼，通过井眼实现地面与地下油气资源的连通，从而将地下油气资源采出地面。其中，钻头是直接破碎岩石形成井眼的工具，钻头的性能会直接影响钻井速度。钻头按结构分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头和取心钻头四大类。其中，聚晶金刚石复合片钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bits)被简称为PDC钻头，是金刚石钻头的一种，通过PDC钻头表面固定的切削齿来破碎岩石，切削齿的主要成分是聚晶金刚石复合片，因其特殊组成成分，破碎岩石效率较高，因此，PDC钻头具有杰出的性能和优势，目前，PDC钻头在世界油气钻井市场中的钻井进尺比例己达钻井总进尺的90％左右。

随着油气资源的减少，钻井的环境不断恶化，钻井深度不断加深，对钻头提出了较高的要求，尤其是对使用量极大的PDC钻头提出了更高的要求。随着钻井深度的加深，地下的岩石强度和研磨性也随之增加，钻井过程中，PDC钻头的切削齿磨损程度更加严重，破碎岩石的效率下降明显，PDC钻头使用寿命减少，降低了钻进速度，增加了钻井成本。

深井硬地层、超硬地层和高研磨性地层钻井，到目前为止还是世界性的难题。在这种地层钻井，会出现机械钻速慢、蹩钻跳钻严重、直井防斜和纠斜困难，钻具事故多，钻头、扶正器磨损严重等诸多问题。针对这些挑战，国内外许多油气服务公司推出了诸多解决方案，例如国际油气服务商斯伦贝谢公司推出的AxeBlade新型斧式脊形齿PDC钻头、世界石油天然气行业井下工具领导者美国国民油井公司推出的SpeedDrill^TM同心双直径固定切削齿钻头等。

基于国内外油气服务公司的钻头设计经验，本发明设计了一种渐变径式高效破岩锥形 PDC钻头，本钻头主要包括钻头体、钻头体冠部的外表面上分布的多条刀翼、每条刀翼上安装的主切削齿和副切削齿、相邻两条刀翼间的排屑槽，以及排屑槽内设置的安装在钻头体上的喷嘴水眼。沿钻头轴线方向自上而下，将钻头直径逐渐扩大，形成锥形结构，旨在通过该特殊的钻头结构来降低破岩过程中钻头所需克服的硬地层岩石应力，从而达到硬地层高效破岩的目的。该渐变径式高效破岩锥形PDC钻头克服了常规PDC钻头未考虑破岩过程中岩石应力降低的不足，在钻进过程中，先利用钻头前端小直径钻头体破岩，有效释放并降低岩石应力，再利用后端逐步扩径的钻头体切削低应力的岩石，从而有效降低了机械比能，提高机械钻速。另外，由于在钻进过程中钻头能够始终与井壁保持连续接触，钻头的稳定性也得到了提高，同时能够形成光滑的井壁，提高后期下套管效率和固井效率。

发明内容

本发明的目的在于设计一种渐变径式高效破岩锥形PDC钻头，旨在通过该钻头特殊的结构来降低破岩过程中钻头所需克服的硬地层岩石应力，从而达到硬地层高效破岩以及提高钻头稳定性的目的。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明涉及一种渐变径式高效破岩锥形PDC钻头，主要包括钻头体，在钻头体冠部的外表面上分布有多条刀翼，每条刀翼上均安装有主切削齿和副切削齿；相邻两条刀翼之间形成排屑槽，排屑槽内设置有安装在钻头体上的喷嘴水眼。沿钻头轴线方向自上而下，将钻头直径逐渐扩大，形成锥形结构，在实际钻井过程中，先利用钻头前端小直径钻头体破岩，有效释放并降低岩石应力，再利用后端逐步扩径的钻头体切削低应力的岩石，从而有效降低了机械比能，提高机械钻速。此外，由于在钻进过程中钻头能够始终与井壁保持连续接触，钻头的稳定性也得到了提高，同时能够形成光滑的井壁，提高后期下套管效率和固井效率。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.渐变径式高效破岩锥形PDC钻头特有的锥形结构能在钻井过程中，利用钻头前端小直径钻头体破岩，从而有效释放并降低岩石应力，再利用后端逐步扩径的钻头体切削低应力的岩石，达到降低机械比能，提高机械钻速的目的。

2.渐变径式高效破岩锥形PDC钻头在钻进过程中始终与井壁保持连续接触，钻头稳定性得到提高，同时能够形成光滑的井壁，提高后期下套管效率和固井效率。

附图说明

附图1为渐变径式高效破岩锥形PDC钻头冠部结构示意图；

附图2为渐变径式高效破岩锥形PDC钻头的钻头整体结构示意图；

图中标号：1钻头体、2刀翼、3主切削齿、4副切削齿、5排屑槽、6喷嘴水眼

具体实施方式