CN108930518A

CN108930518A - 一种异型结构pdc钻头

Info

Publication number: CN108930518A
Application number: CN201810667503.2A
Authority: CN
Inventors: 倪红坚; 张恒; 刘书斌
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2018-12-04

Abstract

本发明属于地质勘探钻具技术领域，涉及一种异型结构PDC钻头，切削翼与稳定翼沿周向相互间隔均匀分布，稳定翼出露钻头本体部分短于切削翼，切削翼的冠部设有PDC切削齿和球形稳定齿，切削翼与稳定翼的侧面均设有钻头保颈，钻头保颈上镶有PDC侧向切削齿和球形抗磨齿，钻头本体开有流体通道，联接丝扣设置在钻头的顶部，切削翼、稳定翼上均布置有PDC切削齿，PDC侧向切削齿同时布置在切削翼、稳定翼的根部，球形稳定齿布置在钻头保颈上，其结构简单，使用安全方便，在减少切削刀翼、降低布齿密度、提高单齿压强、实现有效吃入地层破碎岩石的同时，能够在井底稳定工作，钻头破岩效率高，使用寿命长，保证了井身质量。

Description

一种异型结构PDC钻头

技术领域：

本发明属于地质勘探钻具技术领域，涉及一种石油、天然气等地下矿物钻探钻头，特别是一种适用于石油、天然气或其他矿产钻探用的异型结构PDC钻头。

背景技术：

地层钻探本质上就是钻头和地层的直接对话，钻头性能的好坏直接影响钻井速度及经济效益。目前，钻探过程中主要涉及的钻头类型包括刮刀钻头、牙轮钻头、PDC钻头及金刚石钻头，其中以牙轮钻头与PDC钻头应用较为普遍，特别是在石油、天然气领域钻井施工中，因与牙轮钻头相比，PDC钻头具有结构简单、寿命长的优点，适合钻进长井段，因此，PDC钻头更加普遍。PDC钻头主要以刮切方式破碎岩石，因此，钻进时PDC齿能够有效吃入地层并破碎岩石，是PDC钻头高效钻进的保证。现有全面钻进PDC钻头的刀翼全部为切削翼，因此，在施加钻压时，压力均匀分布在PDC钻头的每一个切削齿上，PDC钻头的切削翼越多，切削齿密度越大，相同钻压下，单体切削齿上分布的压强就越小，导致PDC钻头吃入地层深度越浅，特别是钻遇强塑性地层时，不能对地层岩石形成有效破碎，造成严重的“粘滑”效应，机械钻速极度下降；而且盲目增大钻压，亦或减少刀翼数量，又会容易导致井斜、钻头涡动、井下钻具疲劳等不良工况。因此，迫切需要开发一种可以保证PDC钻头稳定钻进并有效破碎地层岩石的异型结构PDC钻头，有效提高钻井速度，增加经济效益。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种适用于石油、天然气或其他矿产钻探用的异型结构PDC钻头，在相同钻压下，增加单体切削齿上分布的压强，使钻头PDC切削齿能有效吃入地层并破碎岩石；同时保证钻头在井底稳定工作，有效避免因与地层接触的切削翼数量减少导致的钻头有害振动、涡动，以及井斜等问题，高效钻进的同时，延长钻头寿命，保证井身质量。

为了实现上述目的，本发明所述异型结构PDC钻头的主体结构包括切削翼、稳定翼、PDC切削齿、球形稳定齿、钻头保颈、PDC侧向切削齿、球形抗磨齿、流体通道和联接丝扣，切削翼与稳定翼沿周向相互间隔均匀分布，稳定翼出露钻头本体部分短于切削翼，保证异型结构PDC钻头钻进时仅切削翼接触地层并破碎岩石；切削翼的冠部烧结、镶装或粘结有PDC切削齿和球形稳定齿，PDC切削齿用于切削地层岩石，球形稳定齿用于防止钻进过程中脆性PDC切削齿因切削不均匀引起的振动/涡动，避免PDC切削齿崩断损坏；切削翼与稳定翼的侧面均设有钻头保颈，钻头保颈上镶有PDC侧向切削齿和球形抗磨齿，保证钻头在井底能够稳定工作，有效缓解因异型结构PDC钻头与地层接触的切削翼数量减少而导致的钻头有害振动、涡动，以及井斜等问题，在实现高效破岩快速钻井的同时，延长钻头寿命，保证钻头行程钻速；钻头本体开有若干圆形、矩形、椭圆形或其他闭合曲线形成的流体通道用于及时清除钻屑，流体通道的数量根据实际需求确定，联接丝扣设置在钻头的顶部，用于连接外接的使用钻头的设备；切削翼、稳定翼上均布置有PDC切削齿，PDC切削齿的密度及大小根据所钻地层的硬度和研磨性确定，在较软地层采用16mm～19mm的切削齿，在研磨性较强、硬度较高的地层采用13mm的切削齿，并提高布齿密度；PDC侧向切削齿同时布置在切削翼、稳定翼的根部，球形稳定齿布置在钻头保颈上，侧向切削齿、球形稳定齿直径大小均与PDC切削齿相同，PDC侧向切削齿、球型稳定齿布齿间距分别小于其直径；切削翼、稳定翼的数量及布置方式根据不同尺寸及要求的钻头力平衡设计确定。

本发明所述PDC切削齿、球形稳定齿和钻头保颈均采用人造金刚石复合片制成。

本发明采用所述异型结构PDC钻头钻进时，施加钻压于所述异形结构PDC钻头上，由于仅钻头切削翼与钻遇地层保持接触，因此，钻压通过钻头作用于切削翼上所布置的PDC切削齿；而且由于所设计的异形结构PDC钻头与常规全面钻进PDC钻头相比，切削翼数量少，PDC切削齿布置密度小，因此，作用在单体PDC切削齿上的钻压大大增加；在钻压作用下，PDC切削齿结构能够有效吃入地层，伴随着异形PDC钻头的周向转动，PDC切削齿开始刮削地层岩石，形成有效进尺。

本发明与现有技术相比，其结构简单，使用安全方便，在减少切削刀翼、降低布齿密度、提高单齿压强、实现有效吃入地层破碎岩石的同时，能够在井底稳定工作，钻头破岩效率高，使用寿命长，保证了井身质量。

附图说明：

图1为本发明的主体结构俯视图。

图2为本发明的主体结构剖视图。

图3为本发明的三维斜视结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例所述异型结构PDC钻头的主体结构包括切削翼1、稳定翼2、PDC切削齿3、球形稳定齿4、钻头保颈5、PDC侧向切削齿6、球形抗磨齿7、流体通道8和联接丝扣9，切削翼1与稳定翼2沿周向相互间隔均匀分布，稳定翼2出露钻头本体部分短于切削翼1，保证异型结构PDC钻头钻进时仅切削翼接触地层并破碎岩石；切削翼1冠部烧结、镶装或粘结有PDC切削齿3和球形稳定齿4，PDC切削齿3用于切削地层岩石，球形稳定齿4用于防止钻进过程中脆性PDC切削齿因切削不均匀引起的振动/涡动，避免PDC切削齿3崩断损坏；切削翼1与稳定翼2的侧面均设有钻头保颈5，钻头保颈5上镶有PDC侧向切削齿6和球形抗磨齿7，保证钻头在井底能够稳定工作，有效缓解因异型结构PDC钻头与地层接触的切削翼1数量减少而导致的钻头有害振动、涡动，以及井斜等问题，在实现高效破岩快速钻井的同时，延长钻头寿命，保证钻头行程钻速；钻头本体开有若干圆形、矩形、椭圆形或其他闭合曲线形成的流体通道8用于及时清除钻屑，流体通道8的数量根据实际需求确定，联接丝扣9设置在钻头的顶部，用于连接外接的使用钻头的设备；切削翼1、稳定翼2上均布置有PDC切削齿3，PDC切削齿3D密度及大小根据所钻地层的硬度和研磨性确定，在较软地层采用16mm～19mm的切削齿，在研磨性较强、硬度较高的地层采用13mm的切削齿，并提高布齿密度；PDC侧向切削齿6同时布置在切削翼1、稳定翼2的根部，球型稳定齿7布置在钻头保颈5上，侧向切削齿6、球形稳定齿7直径大小均与PDC切削齿3相同，PDC侧向切削齿6、球形稳定齿7布齿间距分别小于其直径；切削翼1、稳定翼2的数量及布置方式根据不同尺寸及要求的钻头力平衡设计确定，本实施例选用三切削翼1、三稳定翼2间隔均匀分布的六刀翼异形PDC钻头。

本实施例所述PDC切削齿3、球形稳定齿4和钻头保颈5均采用人造金刚石复合片制成。

本实施例采用所述异型结构PDC钻头钻进时，施加钻压于所述异形结构PDC钻头上，由于仅钻头切削翼1与钻遇地层保持接触，因此，钻压通过钻头作用于切削翼1上所布置的PDC切削齿3；而且由于所设计的异形结构PDC钻头与常规全面钻进PDC钻头相比，切削翼1数量少，PDC切削齿3布置密度小，因此，作用在单体PDC切削齿3上的钻压大大增加；在钻压作用下，PDC切削齿3结构能够有效吃入地层，伴随着异形PDC钻头的周向转动，PDC切削齿3开始刮削地层岩石，形成有效进尺。

本实施例以Φ311.2井眼1500m～4000m钻进施工为例，钻遇地层岩性主要以泥岩、砂岩、粉砂质泥岩为主，地层强度偏软，依钻具组合设计，所述异形PDC钻头通过联接丝扣9联结井下动力钻具入井，利用现有的双稳定器钻具结构，加强底部钻具组合刚度，防止井斜，同时利用MWD随钻测量，监视井斜，具体设计为“Φ311.2mm异形PDC钻头+Φ244.5mm螺杆钻具+Φ229mm转换接头+Φ203.2mm螺旋钻铤×1根+Φ308mm稳定器+Φ203.2mm无磁钻铤×1根+Φ308mm稳定器+Φ203.2mm螺旋钻铤×2根+Φ177.8mm螺旋钻铤×15根+转换接头+Φ139.7mm加重钻杆×16根+Φ139.7mm斜坡钻杆”，泥浆密度为1.1g/cm³～1.4g/cm³，排量为45L～50L，钻压为40～100kN，地面钻盘转速为60～80r/min，钻头水眼配置为W22*6；下钻到底后，逐渐增加排量，采取小钻压钻进，磨合钻头并进行井底造型，而后缓慢增加钻压至设计范围正常钻进，并根据井斜控制情况及机械钻速，合理施加调整钻井参数，若出现严重憋、跳钻情况时，应及时判断井下情况；由于施工过程中，动力钻具转速高，且异形PDC钻头单齿压强高，采取较小钻压钻进，在提高机械钻速的同时，保证井身质量，实现优快钻进。

Claims

1.一种异型结构PDC钻头，其特征在于主体结构包括切削翼、稳定翼、PDC切削齿、球形稳定齿、钻头保颈、PDC侧向切削齿、球形抗磨齿、流体通道和联接丝扣，切削翼与稳定翼沿周向相互间隔均匀分布，稳定翼出露钻头本体部分短于切削翼，保证异型结构PDC钻头钻进时仅切削翼接触地层并破碎岩石；切削翼的冠部烧结、镶装或粘结有PDC切削齿和球形稳定齿，PDC切削齿用于切削地层岩石，球形稳定齿用于防止钻进过程中脆性PDC切削齿因切削不均匀引起的振动/涡动，避免PDC切削齿崩断损坏；切削翼与稳定翼的侧面均设有钻头保颈，钻头保颈上镶有PDC侧向切削齿和球形抗磨齿，保证钻头在井底能够稳定工作，有效缓解因异型结构PDC钻头与地层接触的切削翼数量减少而导致的钻头有害振动、涡动，以及井斜问题，在实现高效破岩快速钻井的同时，延长钻头寿命，保证钻头行程钻速；钻头本体开有若干圆形、矩形、椭圆形或其他闭合曲线形成的流体通道用于及时清除钻屑，流体通道的数量根据实际需求确定，联接丝扣设置在钻头的顶部，用于连接外接的使用钻头的设备；切削翼、稳定翼上均布置有PDC切削齿，PDC切削齿的密度及大小根据所钻地层的硬度和研磨性确定，在较软地层采用16mm～19mm的切削齿，在研磨性较强、硬度较高的地层采用13mm的切削齿，并提高布齿密度；PDC侧向切削齿同时布置在切削翼、稳定翼的根部，球形稳定齿布置在钻头保颈上，侧向切削齿、球形稳定齿直径大小均与PDC切削齿相同，PDC侧向切削齿、球型稳定齿布齿间距分别小于其直径；切削翼、稳定翼的数量及布置方式根据不同尺寸及要求的钻头力平衡设计确定。

2.根据权利要求1所述异型结构PDC钻头，其特征在于所述PDC切削齿、球形稳定齿和钻头保颈均采用人造金刚石复合片制成。

3.根据权利要求1所述异型结构PDC钻头，其特征在于采用所述异型结构PDC钻头钻进时，施加钻压于所述异形结构PDC钻头上，仅钻头切削翼与钻遇地层保持接触，钻压通过钻头作用于切削翼上所布置的PDC切削齿；而且异形结构PDC钻头，切削翼数量少，PDC切削齿布置密度小，作用在单体PDC切削齿上的钻压大大增加；在钻压作用下，PDC切削齿结构能够有效吃入地层，伴随着异形PDC钻头的周向转动，PDC切削齿开始刮削地层岩石，形成有效进尺。