[发明专利]一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头

说明书

本发明公开了一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，包括钻头体以及设置在钻头体上的刀翼、切削齿和水眼，刀翼设置在钻头体冠部，每个刀翼均有保径区，部分刀翼有切削区，刀翼位于钻头体上端面所在平面以上的部分为切削区，平面以下的部分为保径区，切削区数量少于刀翼数量，保径区数量等于刀翼数量。本发明的适合软地层定向钻进的PDC钻头，采用切削区和保径区分离式结构设计，可以根据地层特点和定向钻进需要，单独调整切削区和保径区的数量，可极大的提高PDC钻头在中浅层定向井钻进的能力。

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探用钻头领域，具体是一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头。

背景技术

随着钻井技术的不断发展，中浅层定向井钻井技术日趋成熟，通常采用直井段-增斜段-稳斜段的三段制轨道设计模式。直井段钻进通常采用复合钻进；定向段钻进则采用滑动钻进和复合钻进相结合的方式来实现井眼轨迹的控制，其中滑动钻进主要用于定向造斜段的轨迹控制，确保实钻轨迹达到设计要求的井斜和方位，复合钻进主要用于优化增斜段井眼轨迹以及稳斜段轨迹控制，确保实钻轨迹能够按设计轨道延伸并中靶。而传统PDC钻头并不能同时满足在直井段快速钻进以及在定向段具有较高的机械钻速和较强的定向性能。

在中浅层定向井钻进过中，传统PDC钻头设计和选用存在以下矛盾，即钻头钻进能力和定向能力的矛盾。一方面为了保证直井段获得较高的机械钻速，传统PDC钻头往往采取增大切削齿直径、减少刀翼数量的方式。而对于定向段，较大的切削齿直径使得钻头吃入地层的深度更加难以控制，造成扭矩波动进一步增大；较少的刀翼数量意味着保径数量的减少，使得钻头侧向切削能力减弱，造成钻头在定向施工时的稳定性差，工具面不稳，影响定向效果，增加轨迹控制的难度。另一方面为了保证PDC钻头的定向性能，现场往往选用刀翼数量较多的PDC钻头，以获得较好的工具面，保证造斜率；但在中浅层定向井钻进过程中，较多的刀翼往往降低了钻头的攻击性，影响钻井效率。

长期以来，国内外学者为解决上述矛盾进行了积极的探索，提出了多种改进方法。例如优化冠部轮廓；优化布齿设计；优化保径长度；采用高度抛光切削齿等方面提高钻头钻进能力和定向能力。

这些方法对PDC钻头技术的发展起到了积极推动作用，也一定程度上缓解了上述矛盾，但都不能从根本上解决浅井、定向井PDC钻头钻进能力和定向能力的矛盾问题。因此，突破传统思维方式和定式，从新的角度对钻头各项结构和参数进行研究，研制出一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头是钻头技术发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适合中浅层定向井钻进的PDC钻头，包括钻头本体以及设置在钻头体上的刀翼、切削齿和水眼，刀翼设置在钻头体冠部，每个刀翼均有保径区，部分刀翼有切削区，刀翼位于钻头体上端面所在平面以上的部分为切削区，平面以下的部分为保径区，切削区数量少于刀翼数量，保径区数量等于刀翼数量，刀翼与钻头本体采用焊接加工而成，水眼与钻头本体采用螺纹装配而成。

作为本发明进一步的方案：所述切削区设置有前后两排PDC切削齿，所述切削区前后两排PDC切削齿呈同心圆分布，所述切削区前排齿端部朝向钻头旋转方向，切削区后排齿端面朝上，所述切削区前排齿在钻头旋转面上的高度高于切削区后排齿端面高度，前排PDC切削齿起切削岩石作用，后排PDC切削齿低于前排切削齿，当钻压处于合理范围内时，不参与切削岩石，没有增加切削区的布齿密度，没有降低单齿的轴向受力，保证了机械钻速，后排PDC切削齿端面朝上，当钻压过大时，切削齿与地层呈面接触，可以有效分解前排齿的轴向受力，维持扭矩稳定，同时避免前排PDC切削齿的过载损坏。