CN206769814U - 一种大岩屑、低功耗金刚石钻头 - Google Patents

Abstract

一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体的固定刀翼、刀翼之间的水道、水孔或者喷嘴等，在固定刀翼的前端设置有第一组切削元件，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，在环形空白带区域内不设置第一组切削元件，其特征在于：在环形空白带两侧具有至少由环形空白带分隔开的一对独立刀翼，且独立刀翼的周向位置相互错开。能显著增大破碎岩屑的尺寸，降低钻头破岩功耗，提高钻头的机械钻速及破岩效率，同时增强钻头钻进稳定性。

Description

一种大岩屑、低功耗金刚石钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种大岩屑、低功耗金刚石钻头。

背景技术

金刚石钻头是钻井工程中其中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具，根据其切削元件的不同，主要包括PDC钻头和孕镶金刚石钻头。

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

PDC齿虽然硬度高，但抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨性地层、严重不均质地层（软硬交错夹层、含砾岩层等）钻进时，很容易导致复合片的快速磨损失效，而最典型的失效形式之一就是复合片金刚石层的冲击崩损，复合片的崩损使钻头的切削效率和工作寿命均大大降低。复合片崩损的主要原因是来自井底岩石的冲击力，除了岩石不均质带来的冲击以外，在更多的情况下，切削齿承受的冲击力来自钻头的振动，特别是横向振动。通常，钻头上最容易发生复合片崩损的位置是钻头上切削速度比较高的冠顶以及冠顶以外的径向区域。钻头上局部径向区域内切削齿的过度磨损后会在刀翼本体上产生环槽，环槽一旦出现，钻头的切削能力即基本丧失。

除了PDC钻头以外，孕镶金刚石钻头也是一种重要的钻头种类，这种钻头以孕含在胎体式刀翼体或切削齿中的大量金刚石微小颗粒（即金刚石微切削刃）形成的基本切削刃构成切削元件，钻头的破岩原理与砂轮的磨削原理相仿，即暴露在钻头表面的金刚石微粒以磨削或微切削的方式切削井底岩石，并伴随着金刚石微粒的逐渐“磨钝”、脱落以及其支撑材料的不断磨蚀，新的金刚石磨粒不断出刃继续工作。孕镶金刚石钻头的这种“磨削”原理，决定了它的应用对象主要为高硬度、强研磨性等不适宜用PDC钻头的难钻甚至极难钻地层，且一般在高转速下才能达到相对较好的破岩效果。将金刚石微粒孕含在胎体式刀翼体中所形成的切削元件称为刀翼孕镶体或刀翼孕镶块（简称孕镶体或孕镶块），孕含在切削齿中所形成的切削元件则称为孕镶切削齿（简称孕镶齿）。孕镶体自身构成了孕镶金刚石钻头刀翼体的一部分，属于孕镶钻头基本的切削结构，而孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构。孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结。在刀翼孕镶体上增设孕镶齿，既有助于改善孕镶钻头在钻遇软地层时的适应性，更能显著增加孕镶金刚石钻头切削结构的工作寿命。孕镶体、孕镶齿以及孕镶体与孕镶齿的各种组合，均可形成钻头的孕镶切削元件，钻头上所有的孕镶切削元件构成了钻头的孕镶切削结构。在难钻甚至极难钻地层条件下，其它各种类的钻头都存在牙齿寿命短的问题，而孕镶钻头切削元件的耐磨性极强，能达到相对较长的工作寿命。由于孕镶钻头的工作转速往往很高，所以，保持钻头在工作过程中的运动稳定性，尽量减小钻头的振动（特别是横向振动），对于保障钻头的工作寿命十分重要。

冠部轮廓形状是金刚石钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。金刚石钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶（鼻部）、外锥、肩部和保径五部分。当外部载荷使钻头有发生水平平移的趋势时，钻头中心区域的内锥或外锥的岩壁对钻头施加以与其水平移动方向相反的作用力，以抑制钻头的横向移动,有益于提高钻头稳定性。

由其破岩原理所决定，各类金刚石钻头都有一个共同的弱点，即钻井过程中破碎井底岩石后形成的岩屑尺寸很细小，其中孕镶金刚石钻头的岩屑更是极细，基本呈粉末状。这个弱点在一定程度上限制了金刚石钻头的应用。因为地下岩层复杂多变，钻井过程中常常需要通过井下上返的岩屑来分析、判断地层的岩性信息，过于细小的岩屑将使这种分析和判断的准确性受到严重影响。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线。

在孕镶金刚石钻头中，如果切削元件全为刀翼孕镶体（西瓜皮式孕镶钻头），将刀翼孕镶体轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有刀翼孕镶体的轴面轮廓线包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，这样孕镶钻头的切削轮廓线与钻头本体轮廓线基本一致，为同一曲线；如果切削单元包括刀翼孕镶体、孕镶块（孕镶齿），孕镶齿则通常为固结在刀翼孕镶体上的附加切削结构，孕镶齿固结在刀翼孕镶体上的方式一般有立式、卧式和立卧组合式三种，通常采用烧结和钎焊实现固结，将刀翼孕镶体、孕镶齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为孕镶切削单元的轴面轮廓线，将所有刀翼孕镶体、孕镶齿的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有孕镶齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为孕镶钻头切削轮廓线，做一条所有刀翼孕镶体的包络曲线，被称为孕镶钻头的本体轮廓线。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，能显著增大破碎岩屑的尺寸，降低钻头破岩功耗，提高钻头的机械钻速及破岩效率，同时增强钻头钻进稳定性。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体的固定刀翼、刀翼之间的水道、水孔或者喷嘴等，在固定刀翼的前端设置有第一组切削元件，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，在环形空白带区域内不设置第一组切削元件，其特征在于：在环形空白带两侧具有至少由环形空白带分隔开的一对独立刀翼，且独立刀翼的周向位置相互错开。

独立刀翼：在通常情况下，刀翼局部下沉形成凹槽，当凹槽的深度未达到刀翼根部，此时刀翼在凹槽内侧、外侧的两个部分仍属于同一个刀翼体。但当刀翼凹槽的深度达到极限，即凹槽底面与水道槽表面重合时（也即刀翼局部下沉至刀翼根部，与水道槽表面齐平时），位于凹槽内侧、外侧的刀翼的两个部分就各自变成了一个独立刀翼，相当于较长的刀翼被环形空白带分成了一对彼此独立的短刀翼。此外，对于凹槽底面的深度未达到刀翼根部的刀翼，可以将凹槽的一个侧面作为分离面，或在两侧面之间选择一个分离面，以分离面为界将刀翼分成两个部分——一对独立的短刀翼。因为一对独立的短刀翼之间已不再在周向位置、刀翼形状等方面具有相互的几何约束关系，故而可以各自独立设计。当一对独立刀翼周向位置不完全错开时，将形成一个封闭的U型空间（如图10、11标志241），当一对对立刀翼周向位置完全错开时，将原有较封闭的U型凹槽空间转变成开放的L型空间（如图10、12标注242）。

刀翼侧面：独立刀翼被环形空白带分隔开的面，如图1标注27所示。独立刀翼靠近环形空白带外边界的面为刀翼内侧面，如图1标注271。独立刀翼靠近环形空白带内边界的面为刀翼外侧面，如图1标注272所示。

前角：过环形空白带区域的固定切削元件定位点做一条与钻头轴线平行的定位轴线，固定切削齿轴线与定位轴线的夹角θ为切削元件的前角，如图13所示，且规定前角与钻头旋转方向一致为正，反之为负。

具有曲面齿冠的牙齿：这种牙齿的主要齿形特征是牙齿的工作端具有外凸的曲面齿冠，牙齿具有较高的耐压、耐冲击强度。在此类齿中，又可以分为具有曲面冠部的金刚石复合齿和具有曲面冠部的硬质合金齿。在具有曲面冠部的金刚石复合齿中，具有锥形齿冠的金刚石复合齿是一种典型结构，如金刚石复合锥形尖齿等。具有曲面冠部的硬质合金齿主要有锥形齿、楔形齿、勺形齿、球形齿等。

本专利中，独立刀翼的益处为固定刀翼的形状、尺寸的设计更加灵活多变，为钻头个性化设计提供基础，且钻头体中没有凹槽特征，能彻底避免岩屑卡在凹槽现象的发生。且钻头在井底工作时，在空白带的下沉区域形成环形岩脊（图2中虚线区域），岩脊两侧原本受到的岩石的约束得以解除，因此岩脊自身的强度显著下降，相当于孤立的“墙体”,无论是采用压碎、刮切（剪切）、犁削、还是冲击破碎方式，其所需的破碎能耗都将大幅度降低，而且其破碎方式更趋向于体积性的破碎，从而提高钻头的破岩效率。

作为选择，在环形空白带区域设置基座，在基座上设置第二组切削元件，第二组切削元件为固定切削元件，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件，运动切削元件上具有一个或多个切削齿。

上述方案中，第二组切削元件为固定切削齿，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件，运动切削元件上具有一个或多个切削齿，采用动、静复合方式破碎凸起的岩脊，降低破碎能耗，从而提高钻头的钻进效率。固定切削元件包括PDC复合片，硬质合金或金刚石复合锥形齿、楔形齿，以及孕镶金刚石切削元件（包括孕镶刀翼体、孕镶竖齿、孕镶卧齿），运动切削元件包括牙轮、冲头、冲击齿。

作为选择，在至少一个环形空白带的两侧具有至少一对独立刀翼的周向位置不完全错开，形成U型凹槽空间。

上述方案中，一对独立刀翼一对独立刀翼的周向位置不完全错开，能够增加排屑槽的周向空间，能有效解决因水力因素引起的涡流现象的发生。

作为选择，至少存在一组环形空白带分隔开的独立刀翼完全错开，形成L型空间。

上述方案中，由环形空白带分隔开的相邻两独立刀翼不能形成U型空间，能有效的避免岩屑卡在凹槽的现象存在。

作为选择，刀翼上设置的第一组切削元件部分或全部为孕镶切削元件。

上述方案中，这样的钻头能在高研磨性、高硬度地层中钻进，拓宽钻头适用范围。

作为选择，钻头上设置有一个或若干个牙轮，其中至少1个牙轮的牙齿覆盖区域在环形空白带区域内，且至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分环形空白带以外的区域。

上述方案中，优选至少一个牙轮上部分或全部齿圈位置一一对应各周向凹槽区域，牙轮切削齿以交替作用的方式破碎凸起环形岩脊，有益于切削齿的冷却，提高切削齿的寿命，同时以滚动代替滑动，降低钻头扭矩，提高钻头钻进稳定性，特别是在定向井中钻头的降扭效果更为明显。

作为选择，至少有一个设置有第二组切削元件的刀翼或水道槽所对应的排屑槽为封闭式结构。

上述方案中，增加钻头刀翼的强度，增强钻头的可靠性，在钻头中存在依靠冲击或者挤压的方式产生的体积破碎，岩屑颗粒较大，有可能让钻头憋卡，采用这种封闭式排屑槽有效减小钻头憋卡现象的发生。

作为选择，至少有一个设置有第二组切削元件的水道槽的深度大于未设置第二组切削元件的水道槽。

上述方案中，深水道槽的存在，能够有效减小大岩屑憋卡在钻头的保径与井壁处，使得大岩屑能顺利的返回井上。

作为选择，环形空白带区域固定切削元件为具有曲面齿冠的牙齿，且前角θ取值范围为0^o≤θ≤90^o。

上述方案中，固定切削元件的前角取值范围限定在一定范围内，根据不同的地层条件和钻井条件来选择不同的前角来犁削岩石，从而拓宽钻头的使用范围。

作为选择，钻头中至少设置有一个横跨环形空白带的扁长水孔和/或扁长喷嘴，水孔出口在环形空白带的内外两侧均有露出。

上述方案，上述方案中，凸起岩脊的存在会导致钻头岩脊以外的区域出现水力不足甚至没有泥浆的情况，扁长水孔在钻头径向方向贯通环形空白带，能够有益于钻头岩脊以外的切削齿的冷却与岩屑快速离开井底。

本发明的有益效果：

1、钻头在井底工作时，在环形空白带区域形成环形岩脊，岩脊失去原有的支撑，使得其两侧的应力被释放，导致岩脊的强度下降，所以在破碎岩脊是所需要的破碎能耗将大幅下降，节省能量，提高钻头的破岩效率，环形空白带区域以外的切削元件将分配到更多的钻压，有助于提升钻头吃入地层的能力，通过岩屑分析获取地层信息、判断地质层位，凸起的岩脊抑制钻头的横向移动，从而减小钻头的横向振动，提高钻头的稳定性，有效减少钻头切削齿的冲击和偏磨失效。

2、若将第二组切削元件设置在刀翼环槽之内，则环形空白带岩脊碎裂后的岩屑容易拥塞在刀翼凹槽中，从而造成凹槽内泥包，降低钻头的破岩效率。

3、第二组切削元件采用运动切削结构，好处是采用冲击或者准静压的方式破碎凸起的岩脊，降低破碎能耗，从而提高钻头的钻进效率。

4、独立刀翼的益处为固定刀翼的形状、尺寸的设计更加灵活多变，为钻头个性化设计提供基础，且钻头体中没有凹槽特征，能彻底避免岩屑卡在凹槽现象的发生。

5、扁长水孔在钻头径向方向贯通环形空白带，能够有益于钻头岩脊以外的切削齿的冷却与岩屑快速离开井底。

6、深水道的益处是能够有效减小大岩屑憋卡在钻头的保径与井壁处，使得大岩屑能顺利的返回井上。

7、封闭式结构的排屑槽的好处为增加钻头刀翼的强度，增强钻头的可靠性，在钻头中存在依靠冲击或者挤压的方式产生的体积破碎，岩屑颗粒较大，有可能让钻头憋卡，采用这种封闭式排屑槽有效减小钻头憋卡现象的发生。

附图说明

图1为本发明金刚石钻头示意图

图2为金刚石钻头俯视图

图3为本发明金刚石钻头覆盖图

图4为连续保径的金刚石钻头示意图

图5为图4的俯视图

图6为具有独立刀翼的牙轮-PDC复合钻头示意图

图7为具有凹槽的孕镶钻头覆盖图

图8为具有冲击齿的金刚石钻头覆盖图

图9为深水道排屑槽剖视图连续保径的金刚石钻头示意图

图10为具有不完全错开和完全错开的独立刀翼的金刚石钻头俯视图

图11为图10中不完全错开独立刀翼的剖视图A-A

图12为图10中完全错开独立刀翼的剖视图B-B

图13为环形空白带区域内固定切削元件前角示意图

图14为环形空白区域的切削元件为牙轮的钻头俯视图

图中标识：

1-钻头体；

2-固定刀翼；21独立刀翼；211-完全错开独立刀翼；212-不完全部错开独立刀翼；22第一组切削元件；221-PDC齿；222-孕镶切削元件；2221-孕镶竖齿；2221-孕镶卧齿；23-保径块；231-连续保径； 241-U型空间；242-L型空间； 25-刀翼轮廓线； 6刀翼布齿面； 27-刀翼侧面；271-刀翼内侧面；272-刀翼外侧面

3-水道槽；31-深水道槽；32-封闭式排屑槽；

4-第二组切削元件；41-固定切削元件；411-PDC齿；412-锥形齿；413-折断齿；42-运动切削元件；421-牙轮；4211-牙轮牙齿；422-冲头；423-冲击齿；

5-基座；

6-水眼或喷嘴；61-扁长水孔或喷嘴；

7-岩石；71-岩脊；

8-环形空白带区域；81-环形空白带内边界；82-环形空白带外边界。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

如图1、2、3所示，一种具有独立刀翼的金刚石钻头，包括钻头体1、延伸自钻头体的固定刀翼2、刀翼之间的水道3、水孔或者喷嘴6等，在固定刀翼的前端设置有第一组切削元件21，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带8，在环形空白带区域内不设置第一组切削元件，其特征在于：在环形空白带8两侧具有至少由环形空白带分隔开的一对独立刀翼21，且独立刀翼的周向位置相互错开。

作为优选，在环形空白带8区域内设置基座5，基座上设置有第二组切削元件4，且第二组切削元件为固定切削元件41，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件42，运动切削元件上具有一个或多个切削齿。如图1、2、8、10所示。

作为优选，至少存在一组环形空白带分隔开的独立刀翼完全错开，形成L型空间。如图1、2、4、5、10、12所示。

作为优选，至少存在一组环形空白带分隔开的独立刀翼且周向位置不完全错开，形成U型空间。如图所示10、11所示。

作为优选，钻头1上设置有一个或若干个牙轮421，其中至少1个牙轮的牙齿4211覆盖区域在环形空白带内8区域内，且至少1个牙轮的牙齿4211覆盖区域包含部分环形空白带8以外的区域，如图6所示。

作为优选，刀翼上设置的第一组切削元件22部分或全部为孕镶切削元件222，如图7所示。

作为优选，至少有一个设置有第二组切削元件4的刀翼或水道槽所对应的排屑槽为封闭式结构32，水道槽前后两个刀翼上的保径块合二为一，成为连续保径块231，如图4、5所示。

作为优选，至少有一个设置有第二组切削元件的水道槽的深度大于未设置第二组切削元件的水道槽31，如图9所示。

作为优选，为第二组切削元件为具有曲面齿冠的牙齿，其前角θ取值范围为0^o≤θ≤90^o，如图13所示。

作为优选，钻头中至少设置有一个横跨环形空白带的圆水孔或扁水孔61，水孔出口在环形空白带的内外两侧均有露出，以避免岩脊过高时塞阻水道液流，如图2所示。

作为优选，钻头上第二组切削元件为牙轮421，且牙轮移轴，产生移轴距S，从而使得牙轮牙齿在破碎岩脊时产生滑移，有利于通过折断或挤压来破碎岩脊，实现体积破碎，如图14所示。

作为优选，在环形空白带区域独立刀翼的内侧面271和/或外侧面272设置有基座5，且在基座上设置有固定切削元件413通过折断或者挤压的方式破坏岩脊，如图1、2所示。

作为优选，在环形空白带区域，基座5的布齿面与水道3平齐，且在基座布齿面设置第二组切削元件4，如图4、5所示。

作为优选，钻头的刀翼不均匀分布，且在相邻刀翼之间夹角较大的水道中设置第二组切削齿42，一方面增加钻头的横向不平衡力，促使空白带处的岩脊发生断裂或破坏，同时也可使岩脊在第二组切削齿42作用下破碎的大尺寸岩屑不易在水道中拥塞，如图4、5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，包括钻头体、延伸自钻头体的固定刀翼、刀翼之间的水道、水孔或者喷嘴等，在固定刀翼的前端设置有第一组切削元件，钻头上具有至少一个围绕钻头中心的环形空白带，在环形空白带区域内不设置第一组切削元件，其特征在于：在环形空白带两侧具有至少由环形空白带分隔开的一对独立刀翼，且独立刀翼的周向位置相互错开。

2.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：在环形空白带区域内设置基座，基座上设置有第二组切削元件，且第二组切削元件为固定切削元件，和/或能与钻头本体发生相对运动的运动切削元件，运动切削元件上具有一个或多个切削齿。

3.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：至少存在一组环形空白带分隔开的独立刀翼且周向位置完全错开，形成L型空间。

4.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：至少存在一组环形空白带分隔开的独立刀翼且周向位置不完全错开，形成U型空间。

5.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：刀翼上设置的第一组切削元件部分或全部为孕镶切削元件。

6.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：钻头上设置有一个或若干个牙轮，其中至少1个牙轮的牙齿覆盖区域在环形空白带区域内，且至少1个牙轮的牙齿覆盖区域包含部分环形空白带以外的区域。

7.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：至少有一个设置有第二组切削元件的刀翼或水道槽所对应的排屑槽为封闭式结构。

8.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：至少有一个设置有第二组切削元件的水道槽的深度大于未设置第二组切削元件的水道槽。

9.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：环形空白带区域固定切削元件为具有曲面齿冠的牙齿，且前角θ取值范围为0^o≤θ≤90^o。

10.如权利要求1所述的一种大岩屑、低功耗金刚石钻头，其特征在于：钻头中至少设置有一个横跨环形空白带的扁长水孔和/或扁长喷嘴，水孔出口在环形空白带的内外两侧均有露出。