一种五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头本体、连接接头、刀翼、主切削齿和喷嘴；按与所述钻头中心线的垂直距离由小到大、将主切削齿顺序编号为a1、a2、a3、……；从an号开始的主切削齿依次顺序布置在所有五个刀翼上，设定包含an号主切削齿的刀翼为B1号刀翼，并将其余刀翼按钻头旋转方向的反方向依次顺序编号为B2、B3、B4、B5号刀翼；则从所述an号开始的主切削齿分布规律如下：an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿循环依次布置在B1、B3、B5、B2、B4、B1……号刀翼上。本实用新型降低主切削齿的切削面积，缩短主切削齿和地层接触摩擦的切削刃边，减小侧向受力；具有扭矩小，切削效率高，稳定性好，使用寿命长的技术优势。
【专利说明】一种五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种石油天然气钻井行业，具体是一种具有高效切削结构的五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头。
【背景技术】
[0002]由于世界能源日趋紧张，石油天然气钻井活动不断增加，所以对石油天然气钻井钻头的需求量也越来越大。石油天然气钻井聚晶金刚石复合片(PDC)钻头由于钻井速度高和使用寿命长，因此得到了极其广泛的应用。
[0003]聚晶金刚石复合片(PDC)钻头按照钻头刀翼数量分为三刀翼、四刀翼、五刀翼、六刀翼、七刀翼和八刀翼PDC钻头等，其中五刀翼PDC钻头的钻井速度和使用寿命适中，适应地层范围广，在石油天然气钻井活动中被广泛使用。
[0004]以现有五刀翼PDC钻头为例，分析现有PDC钻头的切削结构:
[0005]如图1所不，聚晶金刚石复合片(PDC)钻头王要由钻头本体4、连接接头5、刀翼2、主切削齿I和喷嘴3组成。聚晶金刚石复合片(roc)钻头有5个刀翼2和多个主切削齿I(聚晶金刚石复合片)，不同位置的主切削齿I按照特定的切削规律布置在各个刀翼2上，构成PDC钻头的切削结构。
[0006]如图2~图4所示，为现有PDC钻头的切削结构示意图，图2所示为现有PDC钻头的主切削齿I (聚晶金 刚石复合片)布齿覆盖图，图3所示为Z向视图，表示不同位置的主切削齿I在各个刀翼2上的分布情况，图4为现有PDC钻头单个主切削齿I (聚晶金刚石复合片)的切削面积和切削刃边示意图。标记CEN为PDC钻头中心线，标记V为PDC钻头钻进地层时的旋转方向，坐标系Z轴和PDC钻头中心线重合并且指向PDC钻头的钻进方向。
[0007]一般现有技术所采用的五刀翼PDC钻头具有2根长刀翼和3根短刀翼，若干个主切削齿I分布在长刀翼和短刀翼的前刀翼面上。将五根刀翼2沿钻头旋转方向的反方向(负V方向)依次顺序定义为B1、B2、B3、B4和B5号刀翼2，其中:B1和B4号刀翼2为长刀翼、B2、B3和B5号刀翼2为短刀翼。再按靠近所述钻头中心线(Z轴)垂直距离由小到大、将主切削齿I顺序编号为ap a2、a3、……，an号之前的主切削齿&1、a2……Blri依次交替布置在长刀翼BI和B4上；从an号开始,主切削齿I的分布规律如下循环:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿I依次布置在B1、B2、B3、B4、B5、B1……号刀翼2上。如此，依上述规律构成整个现有PDC钻头的切削结构，完成主切削齿I切削该区域地层的完整覆盖。
[0008]定义上述切削结构为正向(按刀翼号由小到大的顺序)顺序切削结构，同理现有PDC钻头还有反向(按刀翼号由大到小的顺序)顺序切削结构。反向顺序切削结构由于其它原因，在实际应用中很少被采用。因反向顺序切削结构的切削原理和正向顺序切削结构相类似，后面所述不再单独提及反向顺序切削结构。
[0009]如图2所示，第an号主切削齿I靠PDC钻头外侧的区域为PDC钻头的主切削齿全覆盖区，第an号主切削齿I (聚晶金刚石复合片)靠PDC钻头内侧的区域为PDC钻头的主切削齿非全覆盖区。由此可见，在现有PDC钻头的主切削齿全覆盖区，其切削结构完全遵循正向顺序切削规律；在主切削齿非全覆盖区，其切削结构部分遵循正向顺序切削规律。
[0010]如图4所示，图中阴影部分为现有PDC钻头正向顺序切削结构中第an+1号主切削齿I (聚晶金刚石复合片)的切削面积，图中阴影部分和主切削齿I切削刃边的相交部分为主切削齿I切削地层的切削刃边。由此可知，该主切削齿I的切削面积过大，切削刃边过长，必然导致整个现有PDC钻头存在以下缺陷:
[0011]1.切削面积过大:导致钻头工作扭矩增大，能源消耗高，降低切削效率。
[0012]2.切削刃边过长:导致主切削齿I切削刃边和地层的摩擦发热增大，降低主切削齿I的使用寿命，同时降低整个PDC钻头的使用寿命。 [0013]3.切削刃边往钻头侧向(外侧)倾斜(如图4所示):导致PDC钻头侧向受力加大，降低PDC钻头的稳定性。
【发明内容】
[0014]针对现有PDC钻头切削结构存在的缺陷，提供一种具有高效切削结构的五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头。
[0015]本实用新型所采用的技术方案是:
[0016]一种五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头本体、连接接头、刀翼、主切削齿和喷嘴，所述刀翼的外端延伸至钻头本体的外周面上、内端到钻头中心线距离不同；主切削齿是若干个分布在刀翼的前刀翼面上的聚晶金刚石复合片；按与所述钻头中心线的垂直距离由小到大、将主切削齿顺序编号为％、a2、a3、……；从an号开始的主切削齿依次顺序布置在所有五个刀翼上，设定包含an号主切削齿的刀翼为BI号刀翼，并将其余刀翼按钻头旋转方向的反方向依次顺序编号为B2、B3、B4、B5号刀翼；则从所述an号开始的主切削齿分布规律如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿循环依次布置在B1、B3、B5、B2、B4、B1......号刀翼上。
[0017]从所述an号开始的王切削齿分布规律还可以如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5......号主切削齿循环依次布置在B1、B4、B2、B5、B3、BI……号刀翼上。
[0018]本实用新型所产生的有益效果是:
[0019]本实用新型五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，不同位置上的主切削齿按照特定的规律布置，构成特有的切削结构；降低主切削齿的切削面积，缩短主切削齿和地层接触摩擦的切削刃边，减小侧向受力；具有扭矩小，切削效率高，稳定性好，使用寿命长的技术优势。
[0020]本实用新型和现有PDC钻头比较(在其它相同条件下)，其有益效果在于:
[0021]1.较小的单个主切削齿切削面积，降低钻头工作扭矩，提高钻头切削效率。
[0022]2.较短的单个主切削齿切削刃边，降低主切削齿切削刃边和地层的摩擦发热，提高主切削齿的使用寿命，从而提高整个PDC钻头的使用寿命。
[0023]3.降低单个主切削齿切削刃边往钻头侧向(外侧)的倾斜趋势，减小钻头侧向受力，增加钻头的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为五刀翼roc钻头的结构示意图。
[0025]图2为现有技术中PDC钻头的主切削齿布齿覆盖示意图。[0026]图3为图2的Z向视图的示意图。
[0027]图4为现有技术中PDC钻头单个主切削齿的切削面积和切削刃边示意图。
[0028]图5为本实用新型五刀翼PDC钻头的主切削齿布齿覆盖示意图。
[0029]图6为图5的Z向PDC钻头的主切削齿布齿覆盖示意图。
[0030]图7为本实用新型五刀翼PDC钻头单个主切削齿的切削面积和切削刃边示意图。
[0031]图中标号表示:1-主切削齿，2-刀翼，3-喷嘴，4-钻头本体，5-连接接头；&1、a2、a3、……为主切削齿的编号，BI~B5为刀翼的编号；Z为坐标系z轴，CEN为钻头中心线，V为钻头钻进地层时的旋转方向。
【具体实施方式】
[0032]如图5~7所示，本实用新型是一种五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头本体4、连接接头5、刀翼2、主切削齿I和喷嘴3。钻头本体4上沿轴向布置刀翼2，刀翼2在钻头本体4 外周面上等分或不等分布置。刀翼2的外端延伸至钻头本体4的外周面上、内端到钻头中心线CEN的距离不同，主切削齿I是若干个分布在刀翼2的前刀翼面上的聚晶金刚石复合片。所有刀翼2和所有主切削齿I (聚晶金刚石复合片露出部分)构成本实用新型的五刀翼聚晶金刚石复合片钻头的切削结构。
[0033]钻头本体4可以使用合金钢通过铣床加工而成，即将本实用新型的五刀翼聚晶金刚石复合片钻头加工成钢体PDC钻头；钻头本体4也可以使用碳化钨粉、镍粉、铜合金按照一定的比例高温烧结而成，即加工成胎体PDC钻头。
[0034]刀翼2的刃口处、沿钻头周向设置有安装主切削齿I的凹槽，聚晶金刚石复合片通过钎焊或类似钎焊的连接方式固定在刀翼2刃口处的凹槽内。主切削齿I (聚晶金刚石复合片)包括硬质合金基体和聚晶金刚石层，聚晶金刚石层的端面对应刀翼2的前刀翼面设置。
[0035]在此，对刀翼2的形状和结构不做限定，因为刀翼2的形状可以采用螺旋型设计或直线型设计，刀翼2沿轴向的高度根据设计要求可深可浅，刀翼2的长度可以全部相同、或者有长有短。对主切削齿I的形状和结构不不做限定，因为主切削齿I可以为各种尺寸和各种形状，其横截面可以是圆形、椭圆、多边形等等。
[0036]坐标系Z轴和PDC钻头中心线CEN重合并且指向本实用新型五刀翼聚晶金刚石复合片钻头的钻进。
[0037]按与所述钻头中心线CEN的垂直距离由小到大、将主切削齿I顺序编号为％、a2、
a3>......;Wan号开始的主切削齿I依次顺序布置在所有五个刀翼2上，即an、an+1、an+2、
an+3、an+4号主切削齿I依次分别布置在五个刀翼2上，余下的主切削齿I依此循环布置。设定包含Bn号主切削齿I的刀翼2为BI号刀翼2，并将其余刀翼2按钻头旋转方向的反方向(反V方向)依次顺序编号为B2、B3、B4、B5号刀翼2 ;则从所述an号开始的主切削齿I分布规律如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿I循环依次布置在B1、B3、B5、B2、B4、B1……号刀翼2上。以此规律循环构成本实用新型五刀翼PDC钻头的切削结构。(O
[0038]从an号开始的主切削齿I的分布规律还可以如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿I循环依次布置在B1、B4、B2、B5、B3、BI……号刀翼2上。以此规律循环构成本实用新型五刀翼PDC钻头的切削结构。(Ii)
[0039]定义主切削齿全覆盖区:
[0040]在本实用新型五刀翼PDC钻头任意一个刀翼2上任意两颗相邻的主切削齿I之间的切削空白处，由余下的全部刀翼2相应位置上各一颗主切削齿I来覆盖切削此空白处，该刀翼2上两颗相邻的区域即为主切削齿全覆盖区。
[0041]也就是说:钻头本体4端面上:an号主切削齿I靠外侧的圆环状区域为本实用新型五刀翼PDC钻头的主切削齿全覆盖区，an号主切削齿I靠内侧的圆形区域为本实用新型五刀翼PDC钻头的主切削齿非全覆盖区。
[0042]在本实用新型五刀翼PDC钻头的主切削齿全覆盖区，其切削结构完全遵循上述的布置规律i或ii。在本实用新型五刀翼PDC钻头主切削齿非全覆盖区，其切削结构部分遵循上述的布置规律i或ii。
[0043]这里对本实用新型五刀翼PDC钻头主切削齿非全覆盖区不做限定，因为该区域靠近钻头心部，由于结构原因可以做成两个刀翼覆盖切削，也可以做成三个刀翼或四个刀翼覆盖切削，也可以做成两个刀翼、三个刀翼和四个刀翼的混合覆盖切削。
[0044]实施例一
[0045]如图5~图7所示，为本【具体实施方式】五刀翼PDC钻头的切削结构示意图。图5所示为本实用新型五刀翼PDC钻头的主切削齿I布齿覆盖图，图6所示为本实用新型五刀翼PDC钻头Z向示意图，表示不同位置的主切削齿I在各个刀翼2上的布置情况。标记CEN为PDC钻头中心线，标 记V为PDC钻头钻进地层时的旋转方向，坐标系Z轴和PDC钻头中心线重合并且指向PDC钻头的钻进方向。
[0046]本【具体实施方式】中，五刀翼PDC钻头上的5根刀翼2由3根短刀翼和2根长刀翼构成，其不同位置的主切削齿I按特定的规律布置在刀翼2上，具体如下:
[0047]按靠近钻头中心线CEN垂直距离由小到大、将主切削齿I顺序编号为&1、a2、
&3、......、an、an+l、an+2、an+3、an+4、an+5、......，且从^可王切削 IAl I 开女口，an、an+1、an+2、an+3、an+4
号主切削齿I分别布置在五个刀翼2上，余下的主切削齿I依此循环布置。设定包含an号主切削齿I的刀翼2为BI号刀翼2、并将其余刀翼2按钻头旋转方向的反方向(反V方向)依次顺序编号为B2、B3、B4、B5号刀翼2。本【具体实施方式】中，an号主切削齿I布置在长刀翼BI上、则其他刀翼2沿反V方向分别为:短刀翼B2、短刀翼B3、长刀翼B4和短刀翼B5。则:
[0048]Wan号开始的王切削齿I的分布规律如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5......号王切
削齿I循环依次布置在B1、B3、B5、B2、B4、BI……号刀翼2上。以此规律循环构成本实用新型五刀翼PDC钻头的切削结构。依此规律循环，最终构成主切削齿I切削该区域地层的完整覆盖。
[0049]实施例二
[0050]本【具体实施方式】中，五刀翼PDC钻头上的5根刀翼2由3根短刀翼和2根长刀翼构成，其不同位置的主切削齿I按特定的规律布置在刀翼2上，具体如下:
[0051]按靠近钻头中心线CEN垂直距离由小到大、将主切削齿I顺序编号为a1、a2、&3、......、an、an+l、an+2、an+3、an+4、an+5、......，且从^可王切削 IAl I 开女口，an、an+1、an+2、an+3、an+4号主切削齿I分别布置在五个刀翼2上，余下的主切削齿I依此循环布置。设定包含an号主切削齿I的刀翼2为BI号刀翼2、并将其余刀翼2按钻头旋转方向的反方向(反V方向)依次顺序编号为B2、B3、B4、B5号刀翼2。则:
[0052]Wan号开始的王切削齿1的分布规律如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5......号王切
削齿I循环依次布置在B1、B4、B2、B5、B3、BI……号刀翼2上。以此规律循环构成本实用新型五刀翼PDC钻头的切削结构。依此规律循环，最终构成主切削齿I切削该区域地层的
完整覆盖。
【权利要求】
1.一种五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头本体、连接接头、刀翼、主切削齿和喷嘴，所述刀翼的外端延伸至钻头本体的外周面上、内端到钻头中心线距离不同；主切削齿是若干个分布在刀翼的前刀翼面上的聚晶金刚石复合片；其特征在于:按与所述钻头中心线的垂直距离由小到大、将主切削齿顺序编号为ap a2、a3、……；从&11号开始的主切削齿依次顺序布置在所有五个刀翼上，设定包含an号主切削齿的刀翼为BI号刀翼，并将其余刀翼按钻头旋转方向的反方向依次顺序编号为B2、B3、B4、B5号刀翼；则从所述811号开始的主切削齿分布规律如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿循环依次布置在B1、B3、B5、B2、B4、B1......号刀翼上。
2.根据权 利要求1所述的五刀翼的聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于:从所述an号开始的主切削齿分布规律还可以如下:an、an+1、an+2、an+3、an+4、an+5……号主切削齿循环依次布置在則、84、82、85、83、81......号刀翼上。
【文档编号】E21B10/43GK203742459SQ201420093733
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】饶秀兴 申请人:饶秀兴