适用于泥岩地层的PDC钻头的制作方法

本实用新型是关于一种PDC钻头，尤其涉及一种油田钻探领域中应用的适用于泥岩地层的PDC钻头。

背景技术：

随着油气田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，钻井难度越来越大，为了降低钻井综合成本，对钻头的质量提出了更高的要求。自PDC钻头(Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金刚石复合片钻头)上世纪八十年代问世以来，因具有平均机械钻速高、进尺多、寿命长等特点，已逐渐成为石油、天然气工业广泛推广应用的一种高效破岩工具，随着人们对新一代PDC钻头认识的不断深入，它的生产技术也不断提高，使用量逐年增加。

PDC(Polycrystalline diamond compact)是一种将人造聚晶金刚石与碳化钨基座高温高压下焊接在一起的切削元件，以此为主要切削元件的PDC钻头自问世以来，设计技术与加工工艺不断进步，现在国外大公司已经形成从钻头设计到基体的数控加工程序全部由计算机完成。而国内至今无此能力，国内的钻头制造技术基本还停留在起步阶段，靠的是作坊式的手工制作，无法适应现代生产的需要。随着国内PDC产业的发展，先进的设计、制造技术及完善的质量保证体系将是在市场竞争中取胜的关键因素。

上世纪七十年代初，美国正式发明成功PDC钻头，此后该钻头在世界范围内得到了非常普遍的应用。后来，国内许多科研院校、石油企业厂矿、石油工具厂先后投入了大量的人力物力，进行PDC钻头的设计、研究、试验、开发，从上世纪八十年代中期开始，有多个厂家的不同PDC钻头产品在国内各大油田得到试验和应用。

目前的PDC钻头的切削齿为圆柱形切削齿复合片，这些复合片在刀翼上以单 行排列为主，在钻遇软地层时，钻速较快，而一旦遇到坚硬地层时，对复合片会产生直接作用，造成圆柱形切削齿顶部磨损，复合片高度逐渐减低，最终导致PDC钻头寿命缩短、钻头效率下降，只能更换钻头，影响效率。

另外，目前还有一种双排齿PDC钻头，刀翼上具有前后两排圆柱形切削齿复合片，后排切削齿复合片的高度低于前排切削齿复合片的高度1mm～2mm，当前排切削齿复合片磨损到一定程度后，前后切削齿复合片同时作用于地层。这种PDC钻头较上面的单排齿PDC钻头来说，其寿命得到了一定程度的延长，但仍属于被动的磨损地层，效率仍然较低。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种新型的PDC钻头，以克服现有技术的缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种适用于泥岩地层的PDC钻头，其后排齿在接触地层后能够转动，避免了单面冲击岩石，使后排齿每个面都能均匀的切削岩石，延长钻头寿命。

本实用新型的目的是这样实现的，一种适用于泥岩地层的PDC钻头，所述适用于泥岩地层的PDC钻头包括：

钻头本体，其内沿轴向设有注水腔，所述钻头本体的底部设有多个水嘴，多个所述水嘴与所述注水腔相连通；

多个刀翼，其沿圆周方向等间隔连接在所述钻头本体的端部，所述刀翼的一侧并排设有多个前排切削齿，所述刀翼的顶面设有多个后排切削齿，所述后排切削齿的高度高于所述前排切削齿的高度；所述后排切削齿的形状为正棱柱体，其转动连接在所述刀翼的顶面，所述后排切削齿的转动轴线为其轴向中心线，所述转动轴线与所述刀翼的顶面平行。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述后排切削齿的高度比所述前排切削齿的高度高2mm～3mm。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述前排切削齿与所述后排切削齿之间的距离为1.5mm～2mm。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述刀翼的顶面设有两两相对的多个凸 起部；所述后排切削齿的转动轴线处设有轴向通孔，所述轴向通孔内穿设转轴，所述转轴的两端分别固定在对应的所述凸起部上。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述后排切削齿的形状为正五棱柱体。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述转动轴线的方向与所述前排切削齿的排列方向一致。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述后排切削齿的轴向长度为3mm～5mm。

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述前排切削齿的高度为h，刀翼常数为N，地层可钻极值为k，所述后排切削齿的钢材抗压强度为σ，所述PDC钻头的直径为R，所述钻头本体的转速为Φ，所述后排切削齿的转速为r，所述后排切削齿的中点到所述PDC钻头的中心的距离为L，所述后排切削齿的高度H为：

在本实用新型的一较佳实施方式中，所述刀翼的个数为六个，所述刀翼常数N为0.0015；所述后排切削齿的转速为r为：

由上所述，本实用新型的PDC钻头在每个刀翼上均设置有两排切削齿，前排切削齿为常规圆柱形切削齿，后排切削齿设计为正棱柱体形状，例如正五棱柱体，且后排切削齿的高度比前排切削齿的高度高2mm～3mm。因此，在使用本实用新型的PDC钻头钻井的过程中，后排切削齿首先在钻岩上划出多道破裂纹，降低岩石的强度，减小前排切削齿切削地层的阻力，提高了钻井效率。同时，当后排齿在接触地层后能够转动，避免了单面冲击岩石，使后排齿每个面都能均匀的切削岩石，延长钻头寿命。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1：为本实用新型适用于泥岩地层的PDC钻头的主视剖视示意图。

图2：为本实用新型适用于泥岩地层的PDC钻头的仰视示意图。

图3：为图2中的A-A向剖视图。

图4：为后排切削齿的横截面示意图。

图5：为后排切削齿的转动连接结构示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种适用于泥岩地层的PDC钻头，其包括钻头本体1和多个刀翼2，其中：钻头本体1内沿轴向设有注水腔11，所述钻头本体1的底部设有多个水嘴12，多个所述水嘴12与所述注水腔11相连通；多个刀翼2沿圆周方向等间隔连接在所述钻头本体1的端部，所述刀翼2的一侧并排设有多个前排切削齿21，所述刀翼的顶面设有多个后排切削齿22，所述后排切削齿22的高度H高于所述前排切削齿21的高度h。参见图4和图5，所述后排切削齿22的形状为正棱柱体，其转动连接在所述刀翼2的顶面，所述后排切削齿22的转动轴线为其轴向中心线，所述转动轴线与所述刀翼2的顶面平行。

具体是，钻头本体1大体呈圆柱体形，其内沿轴向设有注水腔11，钻头本体1的底部设有多个水嘴12，多个水嘴12与注水腔11相连通，钻井液注入注水腔11后，通过多个水嘴12喷出钻头本体1。在本实施例中，钻头本体1具有三个水嘴12(图1中仅示意性绘制出两个水嘴12)，当然，在其他的实施例中，水嘴12的数量并不以此为限，水嘴12的数量可根据钻头本体1的直径大小以及实际开采需要进行选择。钻头本体1的一端形成有连接头13，该连接头13用于将钻头本体1连接在井下钻具上。

请配合参阅图2所示，多个刀翼2沿圆周方向等间隔地连接在钻头本体1远离其连接头13的一端，在本实用新型中，在钻头本体1的端部连接有六个刀翼2，其包含三个主刀翼23和三个副刀翼24，两两相邻的两个主刀翼23之间设有一个副刀翼24，也即，主刀翼23和副刀翼24交错设置，三个主刀翼23沿钻头本体1的径向设置在钻头本体1的端部，主刀翼23的横截面沿钻头本体1的径向向内的方向由大端至小端逐渐收缩，三个主刀翼23的小端在钻头本体1的中心处汇聚，三个副刀翼24位于钻头本体1端部的肩部处；水嘴12分布在钻头本体1的端部中心处，两个相邻的主刀翼23之间设有一个水嘴12，注入注水腔11中的钻 井液通过多个水嘴12喷出，为该PDC钻头在钻进的过程中，提供钻进所需的压力，同时清洁刀翼2上的多个前排切削齿21和多个后排切削齿22，防止泥岩包住前排切削齿21和后排切削齿22的情况发生；另一方面，自多个水嘴12喷出的钻井液，也可对PDC钻头钻遇泥岩后产生的岩屑进行排除，使岩屑在水压的作用下，自PDC钻头的周侧与井筒内壁之间的环空中排出。

当然，在其他的实施例中，钻头本体1端部的多个刀翼2也可不区分主刀翼和副刀翼，该PDC钻头可为常规钻头，也即PDC钻头的每个刀翼2的形状大小一致，多个刀翼2沿钻头本体1的端部的圆周方向等间隔设置，每个刀翼2的横截面沿钻头本体1的径向向内的方向由大端至小端逐渐收缩，且多个刀翼2的小端在钻头本体1的中心处汇聚。

该PDC钻头的每个刀翼2的一侧外缘上均焊接有多个前排切削齿21，且每一刀翼2的顶面上还设有多个后排切削齿22，该些后排切削齿22位于前排切削齿21的背刀面侧，且均位于钻头本体1端部的肩部处，该些前排切削齿21和该些后排切削齿22均由聚晶金刚石材料制成，在本实施例中，前排切削齿21与后排切削齿22之间的距离为1.5mm～2mm。

如图3所示，在本实用新型中，后排切削齿22的高度H高于前排切削齿21的高度h，该后排切削齿22的高度H和前排切削齿21的高度h是相对刀翼2顶面而言的，也即，自刀翼2顶面向上露出的前排切削齿21的高度为h，自刀翼2顶面向上露出的后排切削齿22的高度为H。本实用新型将后排切削齿22的高度H设计为高于前排切削齿21的高度h，这样设计的好处是，通过该PDC钻头钻井的过程中，后排切削齿22首先在钻岩上划出多道破裂纹，以减小前排切削齿21切削地层的阻力，提高钻井效率。在本实用新型的一具体实施例中，该后排切削齿22的高度H比前排切削齿21的高度h高2mm～3mm，即高度H与高度h的差值为2mm～3mm。

进一步的，所述刀翼2的顶面一体形成有两两相对的多个凸起部(图中未示出)用来固定所述后排切削齿22。这些凸起部的位置与每个后排切削齿22的位置一一对应；所述后排切削齿22的转动轴线处设有轴向通孔，所述轴向通孔内穿设转轴221，所述转轴221的两端分别固定在对应的所述凸起部上。当后排切削齿22接触到地层后，后排切削齿22能够相对转轴221产生转动，从而使各个 工作面能够均匀工作，避免单一工作面磨损加剧。在本实施方式中所述后排切削齿22的形状为正五棱柱体。所述转动轴线的方向与所述前排切削齿21的排列方向一致。所述后排切削齿的轴向长度为3mm～5mm。本实用新型将后排切削齿22设计为正五棱柱体的形状，且能够绕其轴向转动，避免了单一工作面磨损加剧，延长了钻头的使用寿命。

根据本实用新型的一个实施方式，该前排切削齿21的高度为h，单位mm；刀翼常数为N；地层可钻极值为k；该后排切削齿22的钢材抗压强度为σ，单位kg/cm²；该PDC钻头的直径为R，单位mm；所述钻头本体的转速为Φ，单位为r/min；所述后排切削齿的转速为r，单位为r/min；该后排切削齿22的中点到PDC钻头的中心的距离为L，单位mm；该后排切削齿的高度H(单位mm)为：

其中，当刀翼2的个数为六个时，该刀翼常数N为0.0015，且对于泥岩地层，地层可钻极值k为5～6。所述后排切削齿的转速为r为：

因PDC钻头的半径越大，其切削开的岩层体积越大，需要的后排切削齿22的切削力越大，因此，在设计时后排切削齿22的高度H应随着其在钻头本体1上的位置不同而变化，从而达到充分切削钻岩的作用。

本实用新型的适用于泥岩地层的PDC钻头，在每个刀翼2上均设置两排切削齿，前排切削齿21为常规圆柱形切削齿，后排切削齿22设计为正五棱柱体形状，后排切削齿22的高度比前排切削齿21的高度高2mm～3mm，且后排切削齿22能够相对于转轴221转动，因此，在使用本实用新型的PDC钻头钻井的过程中，首先用后排切削齿22在钻岩上划出多道破裂纹，降低岩石的强度，减小前排切削齿21切削地层的阻力，提高了钻井效率。同时，当后排切削齿22在接触地层后能够转动，避免了单一工作面冲击岩石，使后排切削齿22每个工作面都能均匀的切削岩石，延长钻头寿命。

在本实用新型的一具体实施例中，例如在井眼直径为215.9mm的井眼中，六刀翼的后排切削齿22的高度H与前排切削齿21的高度h的差值如下(自钻头本 体1的边部位置向钻头本体1的中心方向)：

现有的钻头在青海油田某区块应用中，钻至3000m硬脆性地层，由于地层强度高，单排齿钻头钻速下降，单只钻头的进尺仅为289m；换成本实用新型的PDC钻头后，机械钻速基本保持不变，单只钻头进尺延长到410m，单只钻头的使用寿命提高了41.8％。同时由于钻头破碎岩石的效率提高，钻井的钻速能达到3.4m/h，提高了70％。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。