PDC钻头

本发明涉及一种pdc钻头。

背景技术：

随着石油、天然气开采向着深井、超深井发展，钻井成本和钻井难度都不断提高，开发高效破岩钻头对提高钻井效率和降低钻井成本具有重要意义。

现有的pdc钻头一般包括钻头体、切削齿和刀翼。该刀翼设置于钻头体上，切削齿固定在刀翼上。在钻进深部地层岩石时，由于地层深部岩石的围压大，岩石强度高，致使钻头很难吃入和破碎岩石，所以钻头机械钻速很慢。另外，现有的pdc钻头在横向切削力作用下易产生横向振动或涡动，会造成pdc切削齿先期损坏，从而降低钻头使用寿命。

因此，有必要提出一种pdc钻头以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种pdc钻头，其能提高机械钻速，且降低钻头的横向振动，避免pdc切削齿先期损坏，从而提高钻头使用寿命。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：一种pdc钻头，其包括：钻头主体，其具有相背对的第一端和第二端；所述第二端上设置有用于与钻杆相连接的接头；多个刀翼，其沿周向布置于所述钻头主体第一端的外壁上，每个所述刀翼包括多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部；所述切削部上设置有用于切削岩石的切削齿；所述刀翼上各级所述切削部的径向轮廓尺寸在所述第一端至所述第二端的方向上依次变大，以使所述刀翼能通过各级所述切削部依次对所述岩石进行切削。

作为一种优选的实施方式，所述刀翼包括靠近所述第二端的第一级所述切削部和位于第一级所述切削部远离所述第二端一侧的第二级所述切削部；所述刀翼还包括位于第一级所述切削部靠近所述第二端一侧的保径部；所述保径部上设置有保径齿；所述保径部的径向轮廓尺寸与第一级所述切削部的最大径向轮廓尺寸相等。

作为一种优选的实施方式，第一级所述切削部背对所述钻头主体的一侧设置有弧形切削面；所述弧形切削面在所述钻头主体的轴向上弧形延伸；所述弧形切削面上间隔设置有多个所述切削齿。

作为一种优选的实施方式，第二级所述切削部具有沿径向延伸的第一切削面；所述第一切削面包括靠近所述钻头主体的倾斜延伸段和远离所述钻头主体的第一延伸段；所述倾斜延伸段在远离所述第一延伸段的方向上朝向所述第二端倾斜。

作为一种优选的实施方式，所述倾斜延伸段与所述钻头主体中心轴线之间的夹角为30度至60度。

作为一种优选的实施方式，所述刀翼包括靠近所述第二端的保径部、位于所述保径部远离所述第二端一侧的第一级所述切削部和位于第一级所述切削部远离所述保径部一侧的第二级所述切削部；所述保径部上还设置有保径齿。

作为一种优选的实施方式，所述保径部具有沿径向延伸的第二切削面和垂直设置于所述第二切削面背对所述钻头主体一侧的保径面；所述第二切削面上间隔设置有多个所述切削齿；所述保径面上设置有所述保径齿。

作为一种优选的实施方式，第一级所述切削部具有沿径向延伸的第三切削面和垂直设置于所述第三切削面背对所述钻头主体一侧的第一连接面；所述第三切削面与所述第二切削面呈阶梯状排布；所述第三切削面与所述第二切削面通过所述第一连接面相连；所述第三切削面上间隔设置有多个所述切削齿。

作为一种优选的实施方式，第二级所述切削部具有沿径向延伸的第四切削面和垂直设置于所述第四切削面背对所述钻头主体一侧的第二连接面；所述第四切削面与所述第三切削面呈阶梯状排布；所述第四切削面与所述第三切削面通过所述第二连接面相连；所述第四切削面上间隔设置有多个所述切削齿。

作为一种优选的实施方式，所述第二切削面、所述第三切削面以及所述第四切削面相平行。

本申请提供的pdc钻头的有益效果是：本申请实施方式所述的pdc钻头通过在每个刀翼上设置多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部，该切削部上设置有用于切削岩石的切削齿；该刀翼上各级所述切削部的径向轮廓尺寸在所述第一端至所述第二端的方向上依次变大，从而在钻进地层岩石时，每个切削部所切削井眼岩石都是由轴向上依次排布的切削部所共同切削形成的。如此本申请中的刀翼设置多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部的设计实现了小井眼加多级扩眼的钻井模式，小井眼易钻且能释放多级扩眼的岩石围压，降低了岩石破碎难度，有利于提高机械钻速；同时台阶式井眼可以有效降低钻头横向振动，避免pdc切削齿先期损坏，有利于提高钻头使用寿命。因此，本发明提供了一种pdc钻头，其能提高机械钻速，且降低钻头的横向振动，避免pdc切削齿先期损坏，从而提高钻头使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请第一实施例所述的pdc钻头的结构示意图；

图2为本申请第一实施例所述的pdc钻头的俯视图；

图3为本申请第一实施例所述的pdc钻头的剖视图；

图4为本申请第二实施例所述的pdc钻头的结构示意图；

图5为本申请第二实施例所述的pdc钻头的俯视图；

图6为本申请第二实施例所述的pdc钻头的剖视图。

附图标记说明：

14、钻头主体；15、接头；17、第一端；19、第二端；21、刀翼；22、切削部；25、切削齿；27、保径部；31、保径齿；33、弧形切削面；34、保径面；35、第一切削面；37、第二切削面；39、第三切削面；41、第四切削面；43、倾斜延伸段；45、第一延伸段；47、第一连接面；49、第二连接面；51、第三连接面；53、流体通道；55、水眼；221、第一级切削部；223、第二级切削部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6。本申请一种实施方式提供的pdc钻头，其可以包括：钻头主体14，其具有相背对的第一端17和第二端19；所述第二端19上设置有用于与钻杆相连接的接头15；多个刀翼21，其沿周向布置于所述钻头主体14第一端17的外壁上，每个所述刀翼21包括多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部22；所述切削部22上设置有用于切削岩石的切削齿25；所述刀翼21上各级所述切削部22的径向轮廓尺寸在所述第一端17至所述第二端19的方向上依次变大，以使所述刀翼21能通过各级所述切削部22依次对所述岩石进行切削。

使用时，将钻头主体14的第二端19上的接头与钻杆相连。且将钻头主体14竖直设置。进而使得钻头主体14的第一端17位于第二端19的下方。如此使得刀翼21的各个切削部22具有不同的轴向高度。进一步地，在破岩过程中，轴向高度最低的切削部22(也即远离第二端19的切削部22，具体地，也即如图1所示的第二级切削部223；或者如图4所示的保径部27)首先接触井底岩石并形成井眼。然后轴向高度较大的切削部22(如图1所示的第一级切削部221；或者如图4所示的第二级切削部223)再依次接触并切削岩石形成更大的井眼，每个切削部22所切削井眼岩石都是由轴向上依次排布的切削部22所共同切削形成的。

从以上技术方案可以看出：本申请实施方式所述的pdc钻头通过在每个刀翼21上设置多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部22，该切削部22上设置有用于切削岩石的切削齿25；该刀翼21上各级所述切削部22的径向轮廓尺寸在所述第一端17至所述第二端19的方向上依次变大，从而在钻进地层岩石时，每个切削部22所切削井眼岩石都是由轴向上依次排布的切削部22所共同切削形成的。如此本申请中的刀翼21设置多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部22的设计实现了小井眼加多级扩眼的钻井模式，小井眼易钻且能释放多级扩眼的岩石围压，降低了岩石破碎难度，有利于提高机械钻速；同时台阶式井眼可以有效降低钻头横向振动，避免pdc切削齿25先期损坏，有利于提高钻头使用寿命。

在本实施方式中，钻头主体14整体上呈柱状。例如如图1所示，钻头主体14呈圆柱状。进一步地，钻头主体14具有相背对的第一端17和第二端19。该第二端19上设置有用于与钻杆相连接的接头15。例如如图1所示，钻头主体14的第二端19为下端。钻头主体14的第一端17为上端。具体地，钻头主体14的下方为接头15。该接头15内设置有用于与钻杆相连接的螺纹。

在本实施方式中，多个刀翼21沿周向布置于钻头主体14第一端17的外壁上。该多个可以是2个、3个、4个、5个等。例如如图2、图5所示，钻头主体14的第一端17的外壁上设置有5个刀翼21。进一步地，该多个刀翼21沿周向间隔排布。进一步地，每个刀翼21包括多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部22。例如如图1所示，每个刀翼21包括两个沿上下方向呈阶梯状排布的切削部22。如图4所示，每个刀翼21包括三个沿上下方向呈阶梯状排布的切削部22。进一步地，切削部22上设置有用于切削岩石的切削齿25。该切削齿25的直径为13mm-19mm。如此通过该切削齿25能对岩石进行切削，进而形成井眼。进一步地，刀翼21上各级切削部22的径向轮廓尺寸在第一端17至第二端19的方向上依次变大，以使刀翼21能通过各级切削部22依次对岩石进行切削。该径向轮廓尺寸可以是切削部22与钻头主体14中心轴线之间的径向距离。具体地，例如如图1、图4所示，刀翼21上各级切削部22的径向轮廓尺寸在自上而下的方向上依次变大。从而在钻进地层岩石时，每个切削部22所切削井眼岩石都是由轴向上依次排布的切削部22所共同切削形成的。如此本申请中的刀翼21设置多个沿轴向呈阶梯状排布的切削部22的设计实现了小井眼加多级扩眼的钻井模式，小井眼易钻且能释放多级扩眼的岩石围压，降低了岩石破碎难度，有利于提高机械钻速；同时台阶式井眼可以有效降低钻头横向振动，避免pdc切削齿25先期损坏，有利于提高钻头使用寿命。

进一步地，图1为本申请第一实施例所述的pdc钻头的结构示意图。图2为本申请第一实施例所述的pdc钻头的俯视图。图3为本申请第一实施例所述的pdc钻头的剖视图。下面将结合图1至图3详细描述本申请第一实施例所述的pdc钻头的具体结构。

如图1所示，刀翼21包括靠近第二端19的第一级切削部221和位于第一级切削部221远离第二端19一侧的第二级切削部223。例如如图1所示，第一级切削部221位于第二级切削部223的下方。

进一步地，第二级切削部223具有沿径向延伸的第一切削面35和沿轴向延伸的第三连接面51。该第三连接面51位于第一切削面35背离钻头主体14的一侧。例如如图1所示，第一切削面35面向上方。第三连接面51面向外侧。且第三连接面51位于第一切削面35的外侧。第一切削面35上设置有多个切削齿25。如此钻井时，将第一切削面35面向井底，以使得第一切削面35上的切削齿25能对井底岩石进行切削。如此通过第一切削面35上的切削齿25的切削能在井底的岩石上形成初始井眼。进一步地，第一切削面35包括靠近钻头主体14的倾斜延伸段43和远离钻头主体14的第一延伸段45。例如如图3所示，倾斜延伸段43位于第一延伸段45的左侧。进一步地，倾斜延伸段43在远离第一延伸段45的方向上朝向第二端19倾斜。例如如图3所示，倾斜延伸段43在向左的方向上倾斜向下。如此通过该倾斜延伸段43提高pdc钻头在井底的运动的稳定性。进一步地，倾斜延伸段43与钻头主体14中心轴线之间的夹角为30度至60度。

进一步地，第一级切削部221背对钻头主体14的一侧设置有弧形切削面33。例如如图3所示，弧形切削面33位于第一级切削部221的外侧。且弧形切削面33与第三连接面51相连。进一步地，弧形切削面33在钻头主体14的轴向上弧形延伸。例如如图3所示，弧形切削面33沿上下方向弧形延伸。如此第一级切削部221的径向轮廓尺寸在自上而下的方向上逐渐变大。进一步地，弧形切削面33上间隔设置有多个切削齿25。例如如图1所示，弧形切削面33上间隔设置有4个切削齿25。如此，当第一切削面35上的切削齿25对井底岩石进行切削并形成初始井眼后，该弧形切削面33上的切削齿25接触并切削初始井眼内的岩石进而使得初始井眼形成更大的最终井眼。如此通过呈阶梯状排布的第一级切削部221和第二级切削部223使得对井底岩石的切削采用小井眼加多级扩眼的钻井模式，该小井眼(即初始井眼)易钻且能释放多级扩眼的岩石围压，降低了岩石破碎难度，有利于提高机械钻速；同时台阶式井眼可以有效降低钻头横向振动，避免pdc切削齿25先期损坏，有利于提高钻头使用寿命。

进一步地，刀翼21还包括位于第一级切削部221靠近第二端19一侧的保径部27。例如如图1所示，保径部27位于第一级切削部221的下方。保径部27上设置有保径齿31。该保径齿31用于增加保径段的耐磨性，保证最终井眼直径不缩小。进一步地，保径部27的径向轮廓尺寸与第一级切削部221的最大径向轮廓尺寸相等。进一步地，如图3所示，弧形切削面33包括靠近第三连接面51的第一弧形面和远离第三连接面51的第二弧形面。该第二弧形面的弧度大于第一弧形面的弧度。该保径部27的径向轮廓尺寸与第二弧形面至钻头主体14中心轴线之间的最大距离相等。

进一步地，钻头主体14内设置有贯穿第一端17和第二端19的流体通道53。例如如图3所示，该流体通道53贯穿接头15和钻头主体14。该流体通道53用于供钻井液流通。进一步地，钻头主体14上设置有与流体通道53相连通的多个水眼55。相邻的刀翼21之间分布有若干水眼55。钻井液流经流体通道53并由水眼55喷出，及时清洗刀翼21之间的岩屑，冷却切削齿25，避免其失效。进一步地，第一级切削部221、第二级切削部223和保径部27为一体形成。

进一步地，图4为本申请第二实施例的pdc钻头的结构示意图。图5为本申请第二实施例的pdc钻头的俯视图。图6为本申请第二实施例的pdc钻头的剖视图。下面将结合图4至图6详细描述本申请第二实施例的pdc钻头的具体结构。

进一步地，刀翼21包括靠近第二端19的保径部27、位于保径部27远离第二端19一侧的第一级切削部221和位于第一级切削部221远离保径部27一侧的第二级切削部223。例如如图4所示，保径部27、第一级切削部221和第二级切削部223自下而上依次排列。进一步地，保径部27、第一级切削部221和第二级切削部223上均设置有切削齿25。该保径部27上还设置有保径齿31。

进一步地，保径部27具有沿径向延伸的第二切削面37和垂直设置于第二切削面37背对钻头主体14一侧的保径面。例如如图6所示，第二切削面37面向上方。保径面面向外侧。该保径面位于第二切削面37的外侧。进一步地，第二切削面37上间隔设置有多个切削齿25。保径面上设置有保径齿31。该保径齿31用于增加保径段的耐磨性，保证最终井眼直径不缩小。

进一步地，第一级切削部221具有沿径向延伸的第三切削面39和垂直设置于第三切削面39背对钻头主体14一侧的第一连接面47。例如如图6所示，第三切削面39面向上方。第一连接面47面向外侧。该第一连接面47位于第三切削面39的外侧。进一步地，第三切削面39与第二切削面37呈阶梯状排布。第三切削面39与第二切削面37通过第一连接面47相连。第三切削面39上间隔设置有多个切削齿25。

进一步地，第二级切削部223具有沿径向延伸的第四切削面41和垂直设置于第四切削面41背对钻头主体14一侧的第二连接面49。例如如图6所示，第四切削面41面向上方。第二连接面49面向外侧。该第二连接面49位于第四切削面41的外侧。进一步地，第四切削面41与第三切削面39呈阶梯状排布；第四切削面41与第三切削面39通过第二连接面49相连；第四切削面41上间隔设置有多个切削齿25。如此钻井时，将第四切削面41面向井底，以使得第四切削面41上的切削齿25能对井底岩石进行切削。如此通过第四切削面41上的切削齿25的切削能在井底的岩石上形成初始井眼。当第四切削面41上的切削齿25对井底岩石进行切削并形成初始井眼后，该第三切削面39上的切削齿25接触并切削初始井眼内的岩石进而使得初始井眼形成更大的井眼。当第三切削面39上的切削齿25对井底岩石进行切削并形成更大的井眼后，该第二切削面37上的切削齿25接触并切削初始井眼内的岩石进而使得初始井眼形成最终井眼。如此通过呈阶梯状排布的保径部27、第一级切削部221和第二级切削部223使得对井底岩石的切削采用小井眼加多级扩眼的钻井模式，该小井眼(即初始井眼)易钻且能释放多级扩眼的岩石围压，降低了岩石破碎难度，有利于提高机械钻速；同时台阶式井眼可以有效降低钻头横向振动，避免pdc切削齿25先期损坏，有利于提高钻头使用寿命。进一步地，第二切削面37、第三切削面39以及第四切削面41相平行。

进一步地，钻头主体14内设置有贯穿第一端17和第二端19的流体通道53。例如如图6所示，该流体通道53贯穿接头15和钻头主体14。该流体通道53用于供钻井液流通。进一步地，钻头主体14上设置有与流体通道53相连通的多个水眼55。相邻的刀翼21之间分布有若干水眼55。钻井液流经流体通道53并由水眼55喷出，及时清洗刀翼21之间的岩屑，冷却切削齿25，避免其失效。进一步地，保径部27、第一级切削部221和第二级切削部223为一体形成。

进一步地，本申请所述的pdc钻头的外径为：215.9mm-311.1mm。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。