具有模块切削齿的PDC钻头的制作方法

本发明涉及一种油气田钻井作业领域井下工具钻头，特别是具有模块切削齿的PDC钻头。

背景技术：

在钻井的过程中，总进尺是衡量钻头钻进性能的指标，包括机械钻速和钻头的使用寿命。在钻头钻进的过程中，初期钻进与岩石接触的有效切削刃长较短，比压较大，机械钻速较高；在钻头不停的钻进时，钻头的磨损量和有效切削刃长增加，比压减小，导致机械钻速降低。例如切削单元为圆形复合片为例，在钻进的过程切削刃长不断增加，导致比压下降较快，会急剧降低岩石破碎效率和钻进效率。同时，切削单元的有效磨损体积和钻头的使用使命相对应，导致钻头的使用寿命降低。

在目前国内外研究中，为了提高钻头的机械钻速和钻头使用寿命，该领域的相关专家和学者进行了大量的研究，但是大部分的研究都是通过优化钻头的结构参数和提高钻头的材料性能来改变，或者是结合井下共同产生的振动进行加速破岩，但是这些方法在本质上没能对提高钻头的机械钻速和使用寿命上进行较大的突破和改变。

因此，设计一种具有比压可控制功能的模块切削齿PDC钻头，通过模块化布齿实现PDC钻头，在考虑钻头的磨损和有效切削刃长增加的情况下，分析不同磨损阶段常规布齿和模块布齿的有效切削刃长对比，优化钻头的有效切削刃长，保证了切削单元的钻进比压，从而提高了钻头的机械钻速和钻头的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种即可保持较高的钻进速度又具有较长的使用寿命的具有模块切削齿的PDC钻头，特别适用于复杂及研磨性地层的钻井作业。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：具有模块切削齿的PDC钻头，包括钻头体和设置于钻头体一端的钻头接头，钻头体的另一端间隔布设有多个主刀翼和多个副刀翼，主刀翼和副刀翼的鼻部和侧面上分别设置有多颗主切削齿，所述的主切削齿包括耐磨型模块切削齿和抗冲型模块切削齿，耐磨型模块切削齿和抗冲型模块切削齿均为圆柱体结构，耐磨型模块切削齿由基座A和复合片A组成，复合片A嵌合于基座A的侧面上，抗冲型模块切削齿由基座B和复合片B组成，复合片B嵌合于基座B的一个端面上。

所述的PDC钻头还包括可更换喷嘴和固定喷嘴，可更换喷嘴和固定喷嘴位于主刀翼和副刀翼之间。

所述的基座A的侧面开有通槽A，且基座A的横截面为U形结构，复合片A嵌于通槽A内。

所述的通槽A的横截面为三角形、外矩形、外梯形、外椭圆形或外圆锥形。

所述的基座B的一个端面开有通槽B，复合片B嵌于通槽B内。

所述的通槽B为三角形、外矩形、外梯形、外椭圆形、外燕尾形、外腰鼓形或外圆锥形。

本发明具有以下优点：

（1）保证了钻头的有效钻进，控制了有效切削刃对地层的覆盖的冗余，保证了钻头机械钻速的提高；

（2）高性能的异性复合片，通过切削齿的全出刃设计，实现延长钻头使用寿命，提高钻井进尺的目的；

（3）采用高强度的胎体材料，满足钻头子高转速、大扭矩、长寿命的工作条件；

（4）独特的模块切削齿，有助于异性复合片对地层的有效吃入。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为钻头体的剖视结构示意图；

图3 为耐磨型模块切削齿的侧面结构示意图；

图4 为图3的仰视结构示意图；

图5 为抗冲型模块切削齿的侧面结构示意图；

图6 为图5的俯视结构示意图；

图中：1-钻头体，2-钻头接头，3-主刀翼，4-副刀翼，5-可更换喷嘴，6-固定喷嘴，7-耐磨型模块切削齿，8-抗冲型模块切削齿，9-基座A，10-复合片A，11-基座B，12-复合片B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1和图2所示，具有模块切削齿的PDC钻头，包括钻头体1和设置于钻头体1一端的钻头接头2，钻头体1的另一端间隔布设有多个主刀翼3和多个副刀翼4，主刀翼3和副刀翼4的鼻部和侧面上分别设置有多颗主切削齿，主切削的直径至少为100mm，刀翼数至少为3，所述的主切削齿包括耐磨型模块切削齿7和抗冲型模块切削齿8，如图3和图4所示，耐磨型模块切削齿7和抗冲型模块切削齿8均为圆柱体结构，耐磨型模块切削齿7由基座A9和复合片A10组成，复合片A10嵌合于基座A9的侧面上，如图5和图6所示，抗冲型模块切削齿8由基座B11和复合片B12组成，复合片B12嵌合于基座B11的一个端面上。复合片宽度在基座直径的1/3到1/2之间，模块出刃高度至少是1/2基座直径，耐磨型模块切削齿7的基座A9为半圆周向型，抗冲型模块切削齿8的基座B11为半圆径向型。

进一步地，如图1所示，所述的PDC钻头还包括可更换喷嘴5和固定喷嘴6，可更换喷嘴5和固定喷嘴6位于主刀翼3和副刀翼4之间。

进一步地，如图3和图4所示，所述的基座A9的侧面开有通槽A，且基座A9的横截面为U形结构，复合片A10嵌于通槽A内。所述的通槽A的横截面为三角形、外矩形、外梯形、外椭圆形或外圆锥形。

进一步地，如图5和图6所示，所述的基座B11的一个端面开有通槽B，复合片B12嵌于通槽B内。：所述的通槽B为三角形、外矩形、外梯形、外椭圆形、外燕尾形、外腰鼓形或外圆锥形。

基座A9和基座B11分别高强度低耐磨的特殊材料，有助于复合片对地层的有效吃入。随着模块切削齿的不断磨损，其复合片受其宽度的限制，因此对岩石的压强不会有大的改变，从而能够维持钻头机械钻速直至切削齿磨损失效。复合片的宽度需要综合地层岩性、钻井设计及钻头选型等诸多因素确定。既要保证钻头能够有效钻进，又要控制切削刃对地层覆盖的冗余，从而保证钻头机械钻速的提高。结合不同的模块基座形式，并采用切削齿的全出刃设计，能够比现有PDC钻头复合片的使用效能提高两倍以上，从而实现延长钻头使用寿命。

在工作的过程中，钻头开始钻进时，切削齿接触岩层，有效切削刃长较短，比压较大，机械钻速较高，在逐渐钻进的过程中，切削齿与岩层产生磨损，使切削齿发生消耗，此刻对于耐磨型切削齿，在发生消耗后，其切削齿中的复合片宽度也随之发生变化，从而有效切削刃的长度变化也较之常规切削齿变化不太大，因此比压变化也不会太大，因此钻头的机械钻速不会降低很多，钻头磨损性也不会很大。

当钻头采用抗冲型切削齿时，此刻在逐渐钻进的过程中，钻头与岩层发生冲击时，由于复合片贯穿整个切削齿，因此在冲击过程中，具有缓冲的作用，从而保护了钻头的钻齿，延长了钻头的使用寿命。

在钻头钻进的整个过程中，有效切削刃长会随着钻头切削齿的磨损而发生改变，使钻头的比压保持在一定的限度范围内，从而保证了钻头的机械钻速，提高了钻进的效率，保证了钻头的使用寿命，降低了钻进的成本。