CN116104421A - 适用于坚硬破碎地层取心的pdc混镶钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，属于石油钻探工具技术领域，PDC混镶钻头包括钻头基体，钻头基体内设置有防钻井液冲蚀挡板，防钻井液冲蚀挡板与取心工具卡箍座相配合；钻头基体的上端面设置有圆环结构的隔水挡板，隔水挡板的外周外壁上环向设置有多个刀翼，相邻两个刀翼之间设置有排屑槽，每个排屑槽内设置有向外倾斜的水眼孔；每个刀翼上至少有两种切削元件混合布置；切削元件的种类包括PDC异型齿、孕镶齿、圆锥形齿和角锥型复合齿。PDC混镶钻头能够解决现目前深层坚硬破碎地层取心钻头使用寿命短、机械钻速低以及所取岩心质量差、收获率低的情况。

Description

适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头

技术领域

本发明属于石油钻探工具技术领域，特别是涉及适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头。

背景技术

随着各大油田勘探的不断深入，浅层油藏开发潜力逐年下降，深层油气资源的战略地位日趋重要。加快对深层油气的勘探开发是增产增储的重要途径。由于对深层油气的勘探开发的认识还比较肤浅，需要进行大量取心工作获取完整的岩心样本，以便对岩石力学性能及开采价值进行评估。

深部地层发育有泥页岩、灰岩、白云岩、角砾岩、硅质灰岩、花岗岩、混合花岗岩等等。目前，在坚硬破碎地层取心时通常使用高耐磨性的孕镶钻头或表镶金刚石取心钻头。虽然这两种钻头使用寿命较长，但是由于它们上边镶嵌的切削元件为金刚石，其粒度很小，只能对地层进行研磨，所以切削效率很低，导致破碎的岩心在井底长时间被研磨的可能性大，容易造成堵心的现象、收获率低。常规PDC取心钻头虽然切削效率高，但是切削齿容易崩损，表现出进尺少，导致频繁起下钻；没有采取低冲蚀喷嘴设计，容易造成破碎岩心不完整，收获率低，耽误钻井周期和增加钻井成本。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供了适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，解决了现目前深层坚硬破碎地层取心钻头所取岩心质量差和收获率低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供了适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其包括钻头基体，钻头基体为中空结构，钻头基体内设置有防钻井液冲蚀挡板，防钻井液冲蚀挡板与取心工具卡箍座相配合；

钻头基体的上端面中间位置设置有圆环结构的隔水挡板，隔水挡板的外周外壁上环向设置有多个刀翼，相邻两个刀翼之间设置有排屑槽，每个排屑槽内设置有向外倾斜的水眼孔，每个水眼孔上设置有喷嘴堵头；每个刀翼上至少有两种切削元件混合布置；切削元件的种类包括PDC异型齿、孕镶齿、圆锥形齿和角锥型复合齿。

进一步地，刀翼的数量为6~10个；水眼孔的中心轴线与钻头基体轴线之间的夹角α为3°~10°。

进一步地，PDC异型齿包括四芒星眉毛齿和三角镖齿。

进一步地，四芒星眉毛齿包括第一齿座，第一齿座的顶部中间设置为球面结构，球面结构外侧环向均匀设置有4个三角形脊，每个三角形脊的夹角为δ，夹角δ的取值范围为120°~145°，每个三角形脊与水平面之间的夹角为θ，夹角θ的取值范围为0°~3°。

进一步地，三角镖齿包括第二齿座，第二齿座的顶部环向均匀设置有三条宽棱，相邻两条宽棱之间设置有锥面；每条宽棱的宽度为d，宽度d的取值范围为1.5mm~3mm；每个锥面与水平面之间的夹角为2°~5°。

进一步地，孕镶齿的顶部为尖端朝上的锲形结构，锲形结构的夹角为β，夹角β的取值范围为120°~150°，锲形结构的顶部倒圆角处理，锲形结构的圆角半径为R1，R1的取值范围为1mm~2mm；

孕镶齿由天然金刚石、不同粒度铸造WC和粘接金属热压合成；

天然金刚石的浓度为100-125%，天然金刚石包括粒度标记为18/20和25/30的金刚石颗粒；18/20金刚石颗粒的质量占比为40-50%，25/30金刚石颗粒的质量占比为50-60%。

进一步地，切削元件包括多个PDC异型齿和孕镶齿；

多个PDC异型齿间隔均匀纵向布置于刀翼的前排，多个孕镶齿同轨迹布置于多个PDC异型齿的后方，孕镶齿的出刃高度比PDC异型齿的出刃高度低0.5mm~1mm。

进一步地，切削元件包括多个PDC异型齿和孕镶齿；

多个孕镶齿纵向布置在刀翼前排，多个PDC异型齿同轨迹布置于多个孕镶齿的后方，PDC异型齿和孕镶齿的出刃高度相同。

进一步地，切削元件包括多个PDC异型齿和孕镶齿；

多个孕镶齿纵向布置在刀翼前排，多个PDC异型齿同轨迹布置于多个孕镶齿的后方，PDC异型齿和孕镶齿的出刃高度相同。

进一步地，，切削元件为多个PDC异型齿和圆锥形齿混合布置或者为多个PDC异型齿和角锥型复合齿混合布置；

多个PDC异型齿和圆锥形齿混合布置时，多个PDC异型齿布置于刀翼前排，多个圆锥齿布置在后排，单个圆锥齿所处半径位于前排两颗齿之间；

多个PDC异型齿和角锥型复合齿混合布置时，多个PDC异型齿布置于刀翼前排，多个角锥型复合齿布置在后排，单个角锥型复合齿所处半径位于前排两颗齿之间；

圆锥齿和角锥型复合齿的出刃高度均比PDC异型齿的出刃高度高0mm~0.5mm；角锥型复合齿设置有前倾角ε，前倾角ε的取值范围为10°~15°。

本发明的有益效果为：1、本发明中适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，采用低冲蚀喷射方式，在钻头基体上设置有水眼孔以及在水眼孔上设置有喷嘴堵头，钻井液通过喷嘴堵头直接进入到钻头外侧，喷嘴堵头可以减少泥浆对岩心的冲蚀，保证岩心的完整性。通过设置防钻井液冲蚀挡板和隔水挡板，能够有效减小并防止钻井液冲蚀岩心，保证岩心的完整性，使之更容易进入取心筒，这样能够提高收获率和取心效率，并且还能够减少钻井液对岩心的污染。

2、本发明中适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，通过在每个刀翼上混合布置至少两种切削元件，如PDC异型齿和孕镶齿混合布置、异型齿和圆锥形齿混合布置、PDC异型齿和角锥型复合齿混合布置；可以根据使用需求进行灵活组合，适配不同情况的地层。

附图说明

图1为适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头的三维结构示意图。

图2为钻头基体的内部结构示意图。

图3为孕镶齿的结构示意图。

图4为四芒星眉毛齿的放大结构示意图。

图5为三角镖齿的结构示意图。

图6为圆锥形齿的结构示意图。

图7为喷嘴堵头的结构示意图。

图8为角锥型复合齿在刀翼上的前倾角示意图。

图9 为PDC异型齿设置在刀翼前排，孕镶齿设置在PDC异型齿后的结构示意图。

图10为孕镶齿设置在刀翼前排，PDC异型齿设置在孕镶齿后的结构示意图。

图11为孕镶齿和PDC异型齿在前后排交错布置的结构示意图。

图12为PDC异型齿和圆锥形齿、角锥型复合齿混合布置的结构示意图。

其中，1、钻头基体；2、防钻井液冲蚀挡板；3、卡箍座；4、隔水挡板；5、刀翼；6、排屑槽；7、水眼孔；8、喷嘴堵头；9、PDC异型齿；10、孕镶齿；11、圆锥形齿；12、角锥型复合齿；13、四芒星眉毛齿；14、三角镖齿；15、第一齿座；16、三角形脊；17、第二齿座；18、宽棱；19、锥面；20、天然金刚石；21、不同粒度铸造WC；22、粘接金属。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1~图2所示，本发明提供了适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其包括钻头基体1，钻头基体1为中空结构，钻头基体1内设置有防钻井液冲蚀挡板2，防钻井液冲蚀挡板2与取心工具卡箍座3相配合。

钻头基体1的上端面中间位置设置有圆环结构的隔水挡板4，隔水挡板4的外周外壁上环向设置有多个刀翼5，相邻两个刀翼5之间设置有排屑槽6，每个排屑槽6内设置有向外倾斜的水眼孔7，每个水眼孔7上设置有喷嘴堵头8，喷嘴堵头8的具体结构如图7所示；每个刀翼5上至少有两种切削元件混合布置；切削元件的种类包括PDC异型齿9、孕镶齿10、圆锥形齿11和角锥型复合齿12。

本发明中适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，采用低冲蚀喷射方式，在钻头基体1上设置有水眼孔7以及在水眼孔7上设置有喷嘴堵头8，钻井液通过喷嘴堵头8直接进入到钻头外侧，喷嘴堵头8可以减少泥浆对岩心的冲蚀，保证岩心的完整性。通过设置防钻井液冲蚀挡板2和隔水挡板4，能够有效减小并防止钻井液冲蚀岩心，保证岩心的完整性，使之更容易进入取心筒，这样能够提高收获率和取心效率，并且还能够减少钻井液对岩心的污染。

优选地，刀翼5的数量为6~10个；针对坚硬的地层所设计的取心钻头需要采用双排齿设计，故其刀翼5厚度较宽，因此，一般刀翼5数量取6～10个，刀翼5数低于6个，会导致布齿密度低，钻头的使用寿命短，刀翼5数大于10个，会导致排屑槽6空间很窄，不利于切削齿冷却和岩屑的运移。

水眼孔7的中心轴线与钻头基体1轴线之间的夹角α为3°~10°，在本实施例中，水眼孔7的直径取值10mm，水眼孔7的中心轴线与钻头基体1轴线之间的夹角α取值5°。

具体地，PDC异型齿9包括四芒星眉毛齿13和三角镖齿14。如图4所示，当地层抗压强度高且中间含砾夹层时，PDC异型齿9优选四芒星眉毛齿13，四芒星眉毛齿13包括第一齿座15，第一齿座15的顶部中间设置为球面结构，球面结构外侧环向均匀设置有4个三角形脊16，每个三角形脊16的夹角为δ，夹角δ的取值范围为120°~145°，每个三角形脊16与水平面之间的夹角为θ，夹角θ的取值范围为0°~3°。

三角形脊16形状使之与地层接触面积小，具有强的攻击性，加上球面结构使该齿具有高的抗冲击性能。

如图5所示，当地层可钻性相对较好时，PDC异型齿9优选三角镖齿14，具体地，三角镖齿14包括第二齿座17，第二齿座17的顶部环向均匀设置有三条宽棱18，相邻两条宽棱18之间设置有锥面19；每条宽棱18的宽度为d，宽度d的取值范围为1.5mm~3mm；每个锥面19与水平面之间的夹角为2°~5°。

如图3所示，作为孕镶齿10具体实施方式，孕镶齿10的顶部为尖端朝上的锲形结构，锲形结构的夹角为β，夹角β的取值范围为120°~150°，锲形结构的顶部倒圆角处理，锲形结构的圆角半径为R1，R1的取值范围为1mm~2mm。

孕镶齿10由天然金刚石20、不同粒度铸造WC21和粘接金属22热压合成。天然金刚石20的浓度为100-125%，天然金刚石20包括粒度标记为18/20和25/30的金刚石颗粒。18/20金刚石颗粒的质量占比为40-50%，25/30金刚石颗粒的质量占比为50-60%，能够兼顾抗冲击性和耐磨性，优选地，孕镶齿10所用金刚石进行镀层处理以保护金刚石不易被烧损。

每个刀翼5上混合布置至少两种切削元件，如PDC异型齿9和孕镶齿10混合布置、异型齿和圆锥形齿11混合布置、PDC异型齿9和角锥型复合齿12混合布置；可以根据使用需求进行灵活组合，适配不同情况的地层。

具体地，如图9所示，切削元件采用PDC异型齿9和孕镶齿10混合布置时，包括多个PDC异型齿9和孕镶齿10；多个PDC异型齿9间隔均匀纵向布置于刀翼5的前排，多个孕镶齿10同轨迹布置于多个PDC异型齿9的后方，孕镶齿10的出刃高度比PDC异型齿9的出刃高度低0.5mm~1mm，当PDC异型齿9有一定磨损后，孕镶齿10开始接触地层，起到辅助破岩的作用,保证钻头进一步维持高的切削效率，保证取心进尺。

如图10所示，作为PDC异型齿9和孕镶齿10混合布置的第二种实施方式，多个孕镶齿10纵向布置在刀翼5前排，多个PDC异型齿9同轨迹布置于多个孕镶齿10的后方，PDC异型齿9和孕镶齿10的出刃高度相同。孕镶齿10设计成楔形结构，其独特的结构使之具有高的切削效率的同时还具有较强的抗冲击能力，能够对地层进行预破碎，释放地层应力，为紧随其后的PDC异型齿9破岩提供便利。

如图11所示，作为PDC异型齿9和孕镶齿10混合布置的第三种实施方式，切削元件包括多个前后排交错布置的PDC异型齿9和孕镶齿10；前排孕镶齿10横向布置在刀翼5上，其后面同轨迹布置PDC异型齿9，前排PDC异型齿9的后面同轨迹布置孕镶齿10，PDC异型齿9和孕镶齿10的出刃高度相同，采取这种混合布置的方式能够充分发挥PDC异型齿9高切削效率和孕镶齿10高耐磨的优势，两者结合能够让钻头兼顾切削效率和使用寿命。

如图12所示，切削元件为多个PDC异型齿9和圆锥形齿11混合布置或者为多个PDC异型齿9和角锥型复合齿12混合布置；

多个PDC异型齿9和圆锥形齿11混合布置时，多个PDC异型齿9布置于刀翼5前排，多个圆锥齿布置在后排，单个圆锥齿所处半径位于前排两颗齿之间；

多个PDC异型齿9和角锥型复合齿12混合布置时，多个PDC异型齿9布置于刀翼5前排，多个角锥型复合齿12布置在后排，单个角锥型复合齿12所处半径位于前排两颗齿之间；角锥型复合齿12的结构如图6所示。

圆锥齿和角锥型复合齿12的出刃高度均比PDC异型齿9的出刃高度高0mm~0.5mm；如图8所示，角锥型复合齿12设置有前倾角ε，前倾角ε的取值范围为10°~15°。在钻进时，角锥型复合齿12的锥尖能够对地层进行预破碎，释放地层应力，为PDC异型齿9破岩提供有力条件。

采用上述方案中的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头能够解决现目前深层坚硬破碎地层取心钻头使用寿命短、机械钻速低以及所取岩心质量差、收获率低的情况。

Claims (10)

1.适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，包括钻头基体，所述钻头基体为中空结构，钻头基体内设置有防钻井液冲蚀挡板，所述防钻井液冲蚀挡板与取心工具卡箍座相配合；

钻头基体的上端面中间位置设置有圆环结构的隔水挡板，所述隔水挡板的外周外壁上环向设置有多个刀翼，相邻两个刀翼之间设置有排屑槽，每个所述排屑槽内设置有向外倾斜的水眼孔，每个所述水眼孔上设置有喷嘴堵头；每个刀翼上至少有两种切削元件混合布置；所述切削元件的种类包括PDC异型齿、孕镶齿、圆锥形齿和角锥型复合齿。

2.根据权利要求1所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述刀翼的数量为6~10个；所述水眼孔的中心轴线与所述钻头基体轴线之间的夹角α为3°~10°。

3.根据权利要求1所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述PDC异型齿包括四芒星眉毛齿和三角镖齿。

4.根据权利要求3所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述四芒星眉毛齿包括第一齿座，所述第一齿座的顶部中间设置为球面结构，球面结构外侧环向均匀设置有4个三角形脊，每个所述三角形脊的夹角为δ，夹角δ的取值范围为120°~145°，每个三角形脊与水平面之间的夹角为θ，夹角θ的取值范围为0°~3°。

5.根据权利要求3所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述三角镖齿包括第二齿座，所述第二齿座的顶部环向均匀设置有三条宽棱，相邻两条所述宽棱之间设置有锥面；每条宽棱的宽度为d，宽度d的取值范围为1.5mm~3mm；每个所述锥面与水平面之间的夹角为2°~5°。

6.根据权利要求1所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述孕镶齿的顶部为尖端朝上的锲形结构，锲形结构的夹角为β，夹角β的取值范围为120°~150°，锲形结构的顶部倒圆角处理，锲形结构的圆角半径为R1，R1的取值范围为1mm~2mm；

孕镶齿由天然金刚石、不同粒度铸造WC和粘接金属热压合成；

所述天然金刚石的浓度为100-125%，天然金刚石包括粒度标记为18/20和25/30的金刚石颗粒；18/20金刚石颗粒的质量占比为40-50%，25/30金刚石颗粒的质量占比为50-60%。

7.根据权利要求1所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述切削元件包括多个PDC异型齿和孕镶齿；

多个PDC异型齿间隔均匀纵向布置于刀翼的前排，多个孕镶齿同轨迹布置于多个PDC异型齿的后方，孕镶齿的出刃高度比PDC异型齿的出刃高度低0.5mm~1mm。

8.根据权利要求6所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述切削元件包括多个PDC异型齿和孕镶齿；

多个孕镶齿纵向布置在所述刀翼前排，多个PDC异型齿同轨迹布置于多个孕镶齿的后方，PDC异型齿和孕镶齿的出刃高度相同。

9.根据权利要求1所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述切削元件包括多个前后排交错布置的PDC异型齿和孕镶齿；前排孕镶齿横向布置在刀翼上，其后面同轨迹布置PDC异型齿，前排PDC异型齿的后面同轨迹布置孕镶齿，PDC异型齿和孕镶齿的出刃高度相同。

10.根据权利要求1所述的适用于坚硬破碎地层取心的PDC混镶钻头，其特征在于，所述切削元件为多个PDC异型齿和圆锥形齿混合布置或者为多个PDC异型齿和角锥型复合齿混合布置；

多个PDC异型齿和圆锥形齿混合布置时，多个PDC异型齿布置于所述刀翼前排，多个圆锥齿布置在后排，单个圆锥齿所处半径位于前排两颗齿之间；

多个PDC异型齿和角锥型复合齿混合布置时，多个PDC异型齿布置于所述刀翼前排，多个角锥型复合齿布置在后排，单个角锥型复合齿所处半径位于前排两颗齿之间；

圆锥齿和角锥型复合齿的出刃高度均比PDC异型齿的出刃高度高0mm~0.5mm；角锥型复合齿设置有前倾角ε，前倾角ε的取值范围为10°~15°。

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