专利名称：旋转导向钻井pdc钻头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油天然气定向井PDC钻头的结构改进。
技术背景在定向井技术的发展中，PDM曾经起到了重要作用。但随着井眼井底位移的不断增大及井深剖面的越来越复杂，使PDM显示出工作效率低的缺陷。利用PDM进行钻井，在对井眼方位和井斜角进行调整时，整个钻柱不旋转，处于滑动工作状态，因而影响了钻井效率。对于钻头而言，由于PDM承受扭矩的能力有限，所以限制了钻头的攻击性，因而降低了钻头的切削效率和可导性。在当今许多大位移井中，水平位移与垂深之比超过了2.0，PDM的滑动钻井方式是很困难的，甚至是不可能实现的。为从根本上提高定向井、水平井或大位移井的钻井效率，钻井业研制开发出了全新的旋转导向钻井系统。这种钻井系统在钻井过程中全部采用旋转钻井方式，克服了PDM在对井眼方位和井斜角调整时必须采用滑动钻井方式的缺陷，从而提高了钻井效率。利用这种钻井系统钻井，在调整方位和井斜角时，只是在钻头上方离钻头很近的位置沿需要的方向施加一个侧向力，使钻头沿着预定的方向钻进。这种钻井方式对钻头的切削扭矩没有限制，因而可以使钻头具有较强的攻击性，以提高可导性和机械钻速，从而提高钻井效率。现有的用于定向井、水平井及大位移井的PDC钻头均是为PDM钻井方式设计的，其攻击性太差，因而不适应于旋转导向钻井方式。
发明内容
本实用新型的目的是为石油天然气定向井、水平井及大位移井提供一种适应旋转导向钻井方式的旋转导向PDC钻头，具有较强的攻击性、侧切削能力和可导性，机械钻速快、稳定性好、寿命长，从而提高钻井效率。
为达到上述目的，本实用新型主要由钻头体、刀翼、大尺寸PDC复合片、小尺寸PDC复合片、喷嘴、排屑槽、保径块、侧切削PDC复合片、耐磨元件组成。钻头的冠部轮廓较平坦，刀翼为螺旋状且在周向上非均匀分布，保径块为螺旋状。钻头采用多喷嘴、大排屑槽水力结构。钻头工作端面上的主切削元件采用大尺寸PDC复合片，且后倾角较小，大尺寸PDC复合片后面镶有一定数量的小尺寸PDC复合片。钻头的有效保径较短，总长度也较短。保径块上的侧切削PDC复合片为整圆形，且有较大的出刃，其纵向覆盖系数稍微大于1.0。保径块上侧切削PDC复合片的后面镶有无切削作用的耐磨元件。
本实用新型采用这样的结构后，由于钻头工作端面上采用大尺寸PDC复合片为主切削元件，且后倾角较小以及保径块上镶装了出刃较大的侧切削PDC复合片，所以增大了钻头的攻击性，提高了切削效率，提高了机械钻速。钻头采用多喷嘴、大排屑槽水力结构，能够及时将岩屑排出，防止钻头泥包，所以本实用新型能够获得较快的机械钻速。保径块上镶装的整圆形侧切削PDC复合片出刃较大，且纵向覆盖系数较小，显著增大了侧切削能力，提高了钻头的导向能力。同时较平坦的钻头冠部轮廓、较短的有效保径以及较短的钻头总长度也提高了钻头的导向能力。钻头采用较平坦的冠部轮廓、在周向上非均匀分布的螺旋状刀翼，以及螺旋状保径块结构，减小了钻头发生振动的几率，提高了钻头的稳定性。稳定性的提高、钻头工作端面上的小尺寸PDC复合片以及保径块上的耐磨元件延长了钻头的使用寿命。钻头的机械钻速快、可导性好、稳定性好、寿命长满足了旋转导向钻井方式对钻头的要求，因而有利于提高钻井效率。
图1是本实用新型的工作端面示意图。
图2是本实用新型的切削包络线示意图。
图3是本实用新型的保径块示意图。
1.钻头体2.刀翼3.大尺寸PDC复合片4.小尺寸PDC复合片5.喷嘴6.排屑槽7.保径块8.侧切削PDC复合片9.耐磨元件具体实施方式
现结合说明书附图对本实用新型作进一步的描述在采用旋转导向钻井系统进行定向井、水平井或大位移井的钻井时，首先将本实用新型与导向装置、测量装置、钻铤、稳定器及钻杆等井下工具连接起来，下到井底，然后开泵循环钻井夜并加压旋转钻进。正常钻进时，本实用新型类似于常规PDC钻头。PDC钻头切削理论指出，PDC钻头机械钻速的快慢在很大程度上取决于PDC复合片尺寸的大小，PDC复合片尺寸愈大，钻头的机械钻速愈快。因为本实用新型工作端面上以大尺寸PDC复合片3为主切削元件，因而有利于提高机械钻速。而大尺寸PDC复合片3的后倾角较小，使钻头更具有攻击性，所以进一步提高了切削效率。再加上多喷嘴5及大排屑槽6结构有利于及时将岩屑移走，所以本实用新型可以获得较快的机械钻速。当需要对井眼方位或井斜角进行调整时，导向装置就会在需要的方向上给钻头一个横向推力。由于本实用新型的保径块7上镶装了侧切削PDC复合片8，且出刃较大，因而侧切削能力很强。再加上钻头的冠部轮廓较平坦、有效保径较短、钻头的总长度较短等结构特征，使钻头的可导性有很大提高，所以很容易实现对井眼方位角或井斜角的调整。由于本实用新型在结构上采用了较平坦的冠部轮廓、在周向上非均匀分布的螺旋状刀翼2及螺旋状保径块7等措施，提高了钻头的稳定性，减轻了钻头冲击损坏的程度。再加上钻头工作端面上布置了一定数量的小尺寸PDC复合片4，增加了总的金刚石含量，提高了钻头的耐磨性。另外，保径块7上镶装的耐磨元件9确保了钻头的直径不会变小。这些均延长了本实用新型的使用寿命。研究证明，本实用新型能够很好地与旋转导向钻井系统匹配，有利于提高定向井、水平井或大位移井的钻井效率。
权利要求1.一种旋转导向钻井PDC钻头，主要由钻头体(1)、刀翼(2)、大尺寸PDC复合片(3)、小尺寸PDC复合片(4)、喷嘴(5)、排屑槽(6)、保径块(7)、侧切削PDC复合片(8)和耐磨元件(9)组成，其特征是保径块(7)上镶装整圆形侧切削PDC复合片(8)，且出刃较大。
2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井PDC钻头，其特征是侧切削PDC复合片(8)在纵向上的覆盖系数稍微大于1.0。
3.根据权利要求1所述的旋转导向钻井PDC钻头，其特征是保径块(7)上侧切削PDC复合片(8)后面镶装无切削作用的耐磨元件(9)。
4.根据权利要求1所述的旋转导向钻井PDC钻头，其特征是钻头工作端面上的主切削元件采用大尺寸PDC复合片(3)，且后倾角较小。
5.根据权利要求1所述的旋转导向钻井PDC钻头，其特征是钻头工作端面上大尺寸PDC复合片(3)的后面镶装一定数量的小尺寸PDC复合片(4)。
6.根据权利要求1所述的旋转导向钻井PDC钻头，其特征是钻头采用较平坦的冠部轮廓、在周向上非均匀分布的螺旋状刀翼(2)及螺旋状保径块(7)。
7.根据权利要求1所述的旋转导向钻井PDC钻头，其特征是钻头的有效保径和总长度都较短。
专利摘要本实用新型公开了一种旋转导向钻井PDC钻头，属于石油天然气定向井PDC钻头的结构改进。其主要特点是保径块上镶装了侧切削能力很强的PDC复合片，有效保径和总长度都较短，工作端面上镶装大小两种尺寸的PDC复合片，还采用较平坦的冠部轮廓、螺旋状刀翼及螺旋状保径等结构。因而本实用新型具有机械钻速快、可导性好、稳定性好、寿命长的优点，与旋转导向钻井系统配合使用，有利于提高定向井、水平井或大位移井的钻井效率。
文档编号E21B10/46GK2608670SQ03215800
公开日2004年3月31日 申请日期2003年3月20日 优先权日2003年3月20日
发明者王福修, 于建宾, 田京燕, 张崇砚 申请人:胜利石油管理局钻井工艺研究院