能在软硬互层岩石中快速钻进的PDC钻头的制作方法

本发明涉及一种pdc钻头，尤其涉及一种能在软硬互层岩石中快速钻进的pdc钻头。

背景技术：

pdc钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，是地质钻探行业常用的一种钻井工具，是从金刚钻演变来的，因其钻头体上设有pdc而称为pdc钻头。pdc对应的英文是：polycrystallinediamondcompactbit，即聚晶金刚石复合片。

pdc钻头属于切削型钻头。根据岩石力学性质，要求切削型钻头的抗拉强度最低，剪切强度次之，而抗压强度最高，抗压强度往往比剪切强度高数倍乃至十多倍。因此，利用剪切或切削方式的工具破碎岩石，必然会是一种高效的方式和工具。以往镶齿的刮刀钻头对岩石的破碎虽然称为剪切或切削型钻头，但由于硬质合金不耐磨，加之钻压的限制，致使钻头切削刃很快磨损而不能有效破碎岩石，实际上在钻进的大部分时间内不是处于切削而是处于刮削状态。而pdc钻头的切削齿由于具有金刚石耐磨层，尽管厚度很薄(1～2mm)，但硬度高，一般比碳化钨硬质合金的硬度高100倍以上，因而pdc钻头在切削过程中，其刃口能自锐，锐利的刃口切入岩石，在扭矩的作用下向前移动，剪切岩石，充分利用了岩石剪切强度低的弱点，发挥了pdc钻头具有高速切削岩石的优势。

然而，传统的pdc钻头也存在以下几个缺陷：首先由于pdc钻头在孔底接触面积小，比压高，加之pdc耐磨，且能自锐，刃口锋利，因而时效高，岩屑(或岩粉)多，及时清除孔底岩屑就显得十分重要，但是在一些胶粘性地层，由于其岩屑有很强的附着力，传统pdc钻头往往容易堵塞并粘着在切削齿前面而形成泥包或糊钻，钻进速率较慢；其次传统pdc钻头的耐冲蚀性和钻头钢体的耐磨性比较差，钻头寿命比较短；再次pdc是一种复合型的超硬材料，性能是硬而且耐磨，但耐温能力很差，所以在使用中温度不能超过650℃，因此对钻头的及时充分冷却提出来较高的要求，但传统pdc钻头的冷却效果不尽如意；最后pdc比较硬而脆，应该避免冲击，否则就要脱片和崩齿，但传统pdc钻头的受到冲击较大，有时会脱片和崩齿。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能在软硬互层岩石中快速钻进的pdc钻头。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种能在软硬互层岩石中快速钻进的pdc钻头，包括钻头体和接头刚体，所述钻头体设于所述接头刚体的上端，所述接头刚体的下端用于连接钻杆，所述钻头体的外周均匀设有三个外侧刀翼，所述钻头体的中部设有两个中心刀翼，所述中心刀翼的顶部低于所述外侧刀翼的顶部，每个所述外侧刀翼的一侧上部和每个所述中心刀翼的一侧上部均设有一个圆柱形pdc，所述外侧刀翼上的圆柱形pdc的顶部高于所述外侧刀翼的顶部，所述中心刀翼上的圆柱形pdc的顶部高于所述中心刀翼的顶部，每个所述圆柱形pdc的一个端面与对应的所述外侧刀翼或所述中心刀翼的一侧连接，每个所述圆柱形pdc的负前角为13°～18°，每个所述圆柱形pdc的旁通角为3°～5°，每个所述圆柱形pdc的出露高度为10.9～11.2mm。

上述结构中，三个较高的外侧刀翼及其对应的圆柱形pdc承担主要的切削任务，两个较低的中心刀翼及其对应的圆柱形pdc承担次要的切削任务；圆柱形pdc所在对应刀翼的一侧为钻头钻进时首先与岩石接触的一侧，这样确保圆柱形pdc首先与岩石接触，实现快速切削功能；圆柱形pdc的负前角(即圆柱形pdc向后的倾角，也称为后倾角，是一种行业通用名词)的设计用于防止在切削岩石过程中圆柱形pdc和岩石正面硬碰硬而导致圆柱形pdc崩齿，负前角优选为13°～18°是经过试验验证效果优良的设计；圆柱形pdc的旁通角(是一种行业通用名词，即圆柱形pdc在圆周方向的侧向夹角)的设计用于使切削下的岩石顺着这个侧向角迅速排除到钻头体以外，避免形成岩粉垫造成重复破碎，旁通角优选为3°～5°是经过试验验证效果优良的设计；圆柱形pdc的出露高度(是一种行业通用名词，即圆柱形pdc高于对应刀翼的高度)的设计用于合理分配出露高度与排屑空间之间的矛盾，在最大限度上优化两者之间的配比，实现最佳的钻进速率及排屑速率，出露高度设计为10.9～11.2mm是经过试验验证效果优良的设计。

进一步，为了防止钻头在钻进中切削岩石时对外侧刀翼的旋进侧产生磨损，每个所述外侧刀翼的一侧中下部均设有一个半圆柱形pdc，每个所述半圆柱形pdc的一个端面与对应的所述外侧刀翼的一侧连接，每一个所述半圆柱形pdc与对应的所述圆柱形pdc位于所述外侧刀翼的同一侧。

进一步，为了防止钻头在钻进过程中外侧刀翼缩径以保证钻头的长效使用，每个所述外侧刀翼的外侧表面均设有长条形pdc，所述长条形pdc的上表面和外表面分别突出于对应的外侧刀翼的上表面和外表面，所述长条形pdc的上表面低于对应的所述圆柱形pdc的上表面。

进一步，为了使钻头在钻进过程中水流顺利从中心向外流动以迅速带走岩屑，所述钻头体的中心位置的水道的孔径小于所述钻头体的边缘位置的水道的孔径且两者孔径的变化为渐进式变化。

本发明的有益效果在于：

本发明通过设计较高的三个外侧刀翼和较低的两个中心刀翼，并在每个刀翼上安装圆柱形pdc，并对圆柱形pdc进行负前角、旁通角和出露高度的优化设计，能够防止钻头在切削过程中因圆柱形pdc与岩石正面硬碰硬而导致崩齿的问题，并能够使切削后的岩粉迅速排除到钻头体以外以避免形成岩粉垫造成重复破碎，还在最大限度上优化了出露高度与排屑空间之间的配比以实现最佳的钻进速率及排屑速率；通过在外侧刀翼上设计半圆柱形pdc，能够防止钻头在钻进中切削岩石时对外侧刀翼的旋进侧产生磨损；通过在外侧刀翼上设计长条形pdc，能够防止钻头在钻进过程中外侧刀翼缩径以保证钻头的长效使用；通过将中心位置的水道和边缘位置的水道的孔径设计为渐变结构，能够使钻头在钻进过程中水流顺利从中心向外流动以迅速带走岩屑；通过上述所有优化设计，整体上显著提高了pdc钻头的钻进速度并延长了钻头寿命，使其能在软硬互层岩石中快速钻进。

附图说明

图1是本发明所述能在软硬互层岩石中快速钻进的pdc钻头的立体结构图；

图2是本发明所述圆柱形pdc的负前角的示意图；

图3是本发明所述圆柱形pdc的旁通角的示意图；

图4是本发明所述圆柱形pdc的出露高度及切削岩石的示意图之一；

图5是本发明所述圆柱形pdc的出露高度及切削岩石的示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图5所示，本发明所述能在软硬互层岩石中快速钻进的pdc钻头包括钻头体8(图1中未标记，见图2-图5的钻头体8)和接头刚体1，所述钻头体8设于接头刚体1的上端(见图1中的上端，这里只是为了便于表述而定义的方向，实际应用时为前端)，接头刚体1的下端用于连接钻杆(图中未示)，所述钻头体8的外周均匀设有三个外侧刀翼2，所述钻头体8的中部设有两个中心刀翼5，中心刀翼5的顶部低于外侧刀翼2的顶部，每个外侧刀翼2的一侧上部和每个中心刀翼5的一侧上部均镶焊有一个圆柱形pdc3(外侧刀翼2上的圆柱形pdc3与中心刀翼5上的圆柱形pdc3的尺寸可以相同也可以不同)，外侧刀翼2上的圆柱形pdc3的顶部高于外侧刀翼2的顶部，中心刀翼5上的圆柱形pdc3的顶部高于中心刀翼5的顶部，每个圆柱形pdc3的一个端面与对应的外侧刀翼2或中心刀翼5的一侧连接，每个圆柱形pdc3的负前角α为13°～18°，每个圆柱形pdc3的旁通角β为3°～5°，每个圆柱形pdc3的出露高度为10.9～11.2mm；每个外侧刀翼2的一侧中下部均镶焊有一个半圆柱形pdc6，每个半圆柱形pdc6的一个端面与对应的外侧刀翼2的一侧连接，每一个半圆柱形pdc6与对应的圆柱形pdc3位于外侧刀翼2的同一侧；每个外侧刀翼2的外侧表面均镶焊有一个长条形pdc4，长条形pdc4的上表面和外表面分别突出于对应的外侧刀翼2的上表面和外表面，长条形pdc4的上表面低于对应的圆柱形pdc3的上表面；所述钻头体8的中心位置的水道7的孔径小于所述钻头体8的边缘位置的水道7的孔径且两者孔径的变化为渐进式变化。

上述结构的设计中，圆柱形pdc3的负前角α的设计理由如下：

pdc钻头的圆柱形pdc3的切削刃应以负前角的安装位置切削岩石，这不仅能提高圆柱形pdc3的工作刚度，延长了圆柱形pdc3使用寿命，而且还将对提高切削速度起主要作用，因为这将有利于岩屑不会沿圆柱形pdc3的刃面生长过高，从而避免或大为减少岩屑被挤压在所述钻头体8与地层之间，不仅降低了岩屑的排除难度，减轻了钻进压力，而且降低了岩屑与圆柱形pdc3的前刃面的滞留时间，降低了圆柱形pdc3的工作温度以及岩屑沿其流动的阻力和摩擦系数。考虑砾石夹层地层钻进时机械钻速较低，为提高钻进速度，降低圆柱形pdc3的负前角，负前角应为13°～18°。

圆柱形pdc3的旁通角β的设计理由如下：

由于pdc钻头在孔底接触面积小、比压高，加之圆柱形pdc3耐磨，且能自锐，刃口锋利，因而时效高，岩屑(或岩粉)多，及时清除孔底岩屑就显得十分重要。特别是在一些胶粘性地层，由于其岩屑有很强的附着力，往往容易堵塞并粘着在圆柱形pdc3前面而形成泥包或糊钻，这是pdc钻头有时钻速不高的主要原因。从水力学的观点来看，提高孔底水马力(或泵量)，增大钻头压力降，减少圆柱形pdc3的出露高度和水口大小，以便产生高速液流冲扫岩屑及冷却钻头，但这样又会因钻头体8与地层的间隙过小而易于造成岩屑挤压其间，增加排除岩粉的阻力，因此并不是好办法。合理的设计应是圆柱形pdc3在钻头上定位时逆转方向取一定角度，称为圆柱形pdc3的旁通角β。当钻头在n向旋转钻进时，岩屑在力f的推动下向外侧移动，从而帮助离开圆柱形pdc3的前刃面，有利于及时清除。pdc钻头上旁通角β的设计，虽然有利于排除岩屑，但也存在不利的方面，即减少了钻头的有效切削力，同时也增加了牢固镶焊圆柱形pdc3的难度，增加了圆柱形pdc3转动(或松动)的外力或扭矩，所以旁通角β不宜设计过大，3°～5°即可。

圆柱形pdc3的出露高度的设计理由如下：

如附图4和图5所示，图4中示出了水道内水的高速区9和低速区10，图4和图5中示出了岩屑11和岩石12。圆柱形pdc3镶焊在外侧刀翼2及中心刀翼5上时，可看出其出露高度与排屑空间之间的矛盾。从水力学的观点看，圆柱形pdc3的出露高度应尽量小，以便产生高速液流冲扫岩屑11及冷却金刚石。但从岩屑11形成的观点看，则形成岩屑11的空间又希望尽可能大，以避免切削掉的岩屑11沿前刃面流动时不致受阻截断挤压，从图4可以看出，圆柱形pdc3的出露不高将会造成岩屑11被挤压于钻头体8与地层之间。若为胶粘性地层，则岩屑11会紧包圆柱形pdc3形成泥包，以致无法被水力所排除。另外，就是岩屑11上顶钻头体8，减少实际钻压，按理应改进，如图5；然而其较大的排屑空间又降低了液流速度，低速液流不可能有足够的动量清除胶粘性岩屑11，也会使这些岩屑11堵塞其空间。此外，由于加大排屑空间使流速下降也要削弱冷却效果，导致圆柱形pdc3热损伤。为了提高钻进砾层夹层时的机械钻速，适当提高圆柱形pdc3的出露高度，圆柱形pdc3的出露高度为10.9～11.2mm。

钻头体8的中心位置的水道7的孔径小于所述钻头体8的边缘位置的水道7的孔径且两者孔径的变化为渐进式变化，这个设计的理由如下：

如图1所示，水道7位于接头钢体1上，接头钢体1的中心处水道7的孔径相对较小，以增加相对水压，使得钻头底部不能形成涡流，可迅速带走岩屑；外侧水道7的孔径逐步加大，减小相对水压，使得钻头在钻进过程中水流顺利从中心向外流动，带走岩屑。通常情况下人们认为只要通水就能达到冷却目的，其实没有那么简单，因为水的作用除了冷却，还有带走岩石屑的功能；因此在水道7的设计上首先必须保证钻头底部不能形成涡流，才可迅速带走岩屑；将钻头中心处水道7的孔径设计小一些，提高相对水压，外侧水道7的孔径逐步加大，相对压力逐渐变小，这种设计使钻头使用过程中水流会顺利从中心向外流动，保证其它位置的水道7在动态条件下通畅，迅速带走岩屑。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。