一种具有横向喷射水力结构的pdc钻头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头,属于钻探用钻头【技术领域】。该PDC钻头，包括成为一体的钻头体、刀翼、排屑槽和水眼，所述排屑槽在相邻的刀翼之间，排屑槽的左侧为刀翼的前端面，排屑槽的右侧为刀翼的后端面；所述刀翼的前端面上钎焊有用于切削岩石的PDC齿；所述水眼包含常规水眼和横向水眼，该常规水眼设置于PDC齿前方的排屑槽上，而横向水眼设置在刀翼的径向端面处，其喷射出口方向指向对面的排削槽。本发明的横向水眼的射流能使钻头达到较好的清洗效果，减少泥包的几率；还能加强PDC齿的清洗和冷却，使钻头的寿命达到最大化，通过提高岩屑清楚效率，使钻头获得更高的机械钻速。
【专利说明】一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等领域使用的钻探用钻头，具体的讲是涉及一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头。
【背景技术】
[0002]PDC钻头水力结构的主要功能是有效地清除井底岩屑和冷却PDC齿，因此水力结构对钻头的破岩效率有较大影响。由于PDC钻头钻速快、产生的岩屑多，在软泥岩地层，钻压过大，地层或钻屑与钻头表面形成直接接触，造成钻头泥包。钻头泥包后PDC齿吃入地层困难，降低钻头的机械钻速。
[0003]PDC齿具有很高的硬度和耐磨性，但PDC齿的缺点是热稳定性差，在工作中，切削齿底部磨损面在压力作用下一直与岩石表面滑动摩擦要产生大量的摩擦热，当切削齿清洗冷却条件不好，局部温度较高时，就有可能导致切削齿的热摩损(350-700°C时切削齿的磨损速度很快，这一现象称为切削齿的热磨损)而影响钻头正常工作，所以钻头要避免热磨损出现就必须有很好的水力清洗冷却，润滑作用配合工作，这就是要求钻井液从水眼流出后水力分布要合理，能有效地保护切削齿，这即是对钻头水力计的基本要求之一。
[0004]PDC钻头的水力结构及水力参数引起的井底岩屑的清除程度对钻进时的机械钻速有较大的影响。井底岩屑清除是依靠钻头水眼的射流水力来完成的，在现有技术中由于水眼设置在钻头刀翼之间的排屑槽上，在水眼四周形成低压区，部分岩屑被高压的水力包围在该区域内难以有效的清除，特别是在深井作业中，往往由于水力功率不够，井底岩屑更加清除不充分，使岩屑留在井底而造成重复切削，导致实际水力结构及水力参数对钻速有较大的影响。
【发明内容】
[0005]针对上述存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，这种钻头改进了钻头的水力结构设计，能够使钻头达到较好的清洗效果，减少泥包的几率；还能加强PDC齿的清洗和冷却，使钻头的寿命达到最大化，通过提高岩屑清楚效率，使钻头获得更高的机械钻速。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头包括成为一体的钻头体、刀翼、排屑槽和水眼，其特征在于:所述排屑槽在相邻的刀翼之间，排屑槽的左侧为刀翼的前端面，排屑槽的右侧为刀翼的后端面；所述刀翼的前端面上钎焊有用于切削岩石的PDC齿；所述水眼包含常规水眼和横向水眼，该常规水眼设置于刀翼右侧的排屑槽上，而横向水眼设置在刀翼的径向端面处。
[0007]在上述技术方案中，所述横向水眼的水力喷射出口方向指向对面的排屑槽，且横向水眼的出水孔中心线与其所指向的排屑槽左侧刀翼的内锥线相交的夹角小于等于5°。如果该夹角偏大并刀翼上方偏转，会降低横向水眼射流对PDC齿的冷却效果；如果该夹角偏大并向排屑槽表面偏转，会使横向水眼射流对钻头体直接冲击，对钻头体造成不必要的过大水力冲蚀。合理的喷射角度使横向水眼的射流基本沿着刀翼上PDC齿的从钻头内侧到钻头外侧的布齿方向，因此横向水眼的水力喷射到井底返回的钻井液能够加强对PDC齿进行有效的清洗和冷却，达到延长PDC齿寿命的作用。
[0008]所述横向水眼通过弯曲的水道与钻头的中心水道接通。钻井液通过钻头的中心水道，进入上述的弯曲水道从横向水眼射流出来形成水柱。
[0009]钻井液从水眼射流出来后形成的水柱直径逐渐变大，为了使射流水柱不能直接冲击刀翼上的复合片导致冲击损坏，因此需使射流水柱需与PDC齿端面保持合适的空间距离，而射流水柱又不能距离PDC齿端面太远，太远又影响到PDC齿的冷却效果。因此所述横向水眼的出水孔中心线与刀翼右侧面的距离d为15mm — 25mm。
[0010]作为优选所述水道的出水孔中心线与刀翼右侧面的距离d为20mm。
[0011]在钻头上设置的横向水眼数量为I个或2个。对于只设置I个横向水眼的PDC钻头，所述横向水眼设置于刀翼中的第二长刀翼的径向端面处，喷射出口方向指向刀翼中最长的刀翼右侧的排屑槽，该排屑槽内没有设置常规水眼。虽然钻头上只设置一个横向水目艮，但是钻头在井底转动一周，所述横向水眼的射流水柱能对井底进行360°的井底岩屑清除。
[0012]对于设置2个横向水眼的PDC钻头，在刀翼中最长刀翼和第二长刀翼右侧的排屑槽上都没有安装有常规水眼，其中在最长刀翼的径向端面处设置的横向水眼喷射出口方向指向第二长刀翼右侧的排屑槽，第二长刀翼的径向端面处设置的横向水眼喷射出口方向指向最长刀翼右侧的排屑槽。由于钻头上设置了 2个横向水眼，能够明显加强对井底岩屑的清除，提高钻进液的携岩能力，降低PDC齿重复切削岩石的可能性，达到提高机械钻速的作用。
[0013]由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
1.横向水眼的设置，使水力喷射从位于钻头心部位置刀翼径向端面开始，贯通与相应的排屑槽，能将排屑槽表面的岩屑得到有效清除，降低钻头发生泥包的几率；
2.横向水眼的水力喷射方向与刀翼上PDC齿的布齿走向基本一致，横向水眼的水力喷射到井底返回的钻井液能够加强对PDC齿进行有效的清洗和冷却，达到延长PDC齿寿命的作用；
3.横向水眼能够有效地清除井底岩屑，降低PDC齿重复切削岩石的可能性，达到提高机械钻速的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图和本发明的实施方式对本发明做进一步详细说明。
[0015]图1是本发明的立体结构示意图。
[0016]图2是图1的正视图。
[0017]图3是图1的俯视图。
[0018]图4是图4在横向水眼位置的剖视图。
[0019]图5是本发明采用两个横向水眼时的结构示意图。
[0020]图中标记:1-钻头体、2-刀翼、21-刀翼的径向端面、22-刀翼的内锥线、201-最长的刀翼、202-第二长的刀翼、3-排屑槽、4-水眼、41-常规水眼、42-横向水眼、5-PDC齿、6-弯曲的水道、7-中心水道、8-出水孔中心线。
【具体实施方式】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0022]图1示意的表示出了本发明一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头的主体结构，它包括成为一体的钻头体1、刀翼2、排屑槽3和水眼4，其特征在于:所述排屑槽3在相邻的刀翼2之间，排屑槽3的左侧为刀翼2的前端面，排屑槽3的右侧为刀翼2的后端面；所述刀翼2的前端面上钎焊有用于切削岩石的PDC齿5 ;所述水眼4包含常规水眼41和横向水眼42，该常规水眼41设置于刀翼2右侧的排屑槽3上，而横向水眼42设置在刀翼2的径向端面21处。
[0023]如图1所示的PDC钻头是本发明的一种实施方式，在钻头上只设置I个横向水眼42，该横向水眼42设置于刀翼2中的第二长刀翼202的径向端面21处，喷射出口方向指向刀翼2中的最长刀翼201右侧的排屑槽3，该排屑槽3内没有设置常规水眼41。除了刀翼201、202外，其余刀翼为钻头的短刀翼，钻头短刀翼右侧的排屑槽3上都各自设置一个常规水眼41。
[0024]如图2所示，清晰地表示出本发明第一种实施方式的正视图，其中横向喷嘴42设置在第二长刀翼202的径向端面21处，其水眼喷射出口方向从钻头的心部位置，通过最长刀翼201右侧的排屑槽3指向钻头的外侧。
[0025]图3所示的是本发明第一种实施方式的俯视图，横向水眼42的出水孔中心线8与刀翼201右侧端面的距离d为15mm—25mm。作为优选,该距离d为20mm。钻井液从水眼射流出来后形成的水柱直径逐渐变大，为了使射流水柱不能直接冲击刀翼上的复合片导致冲击损坏，因此需使射流水柱需与PDC齿端面保持合适的空间距离，而射流水柱又不能距离PDC齿端面太远，太远又影响到PDC齿的冷却效果。
[0026]图4是本发明第一种实施方式的在横向水眼42出水孔中心线8位置的纵向剖视图，其中横向水眼42通过弯曲水道6与钻头的中心水道7接通。钻井液从通过钻头的中心水道7注入弯曲的水道6,再从横向水眼42的出水孔喷射出来，其出水孔中心线8与该横向水眼42所指向的排屑槽3左侧的刀翼2的内锥线22相交的夹角小于等于5°。
[0027]如图5所示，是本发明第二种实施方式的结构，在钻头上设置了 2个横向水眼42，其中最长刀翼201和第二长刀翼202右侧的排屑槽3上都没有安装有常规水眼41，所述最长刀翼201的径向端面21处设置的横向水眼42喷射出口方向指向第二长刀翼202右侧的排屑槽3，第二长刀翼202的径向端面21处设置的横向水眼42喷射出口方向指向最长刀翼201前方的排屑槽3。
[0028]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，包括成为一体的钻头体(I )、刀翼(2 )、排屑槽(3)和水眼(4)，其特征在于:所述排屑槽(3)在相邻的刀翼(2)之间，排屑槽(3)的左侧为刀翼(2)的前端面，排屑槽(3)的右侧为刀翼(2)的后端面；所述刀翼(2)的前端面上钎焊有用于切削岩石的PDC齿(5);所述水眼(4)包含常规水眼(41)和横向水眼(42)，该常规水眼(41)设置于刀翼⑵右侧的排屑槽(3)上，而横向水眼(42)设置在刀翼(2)的径向端面(21)处。
2.根据权利要求1所述的一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，其特征在于:所述横向水眼(42 )的水力喷射出口方向指向对面的排屑槽(3 )，且该横向水眼(42)的出水孔中心线(8)与其所指向的排屑槽(3)左侧刀翼(2)的内锥线(22)相交的夹角小于等于5°。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，其特征在于:所述横向水眼(42)通过弯曲的水道(6)与钻头的中心水道(7)接通。
4.根据权利要求2所述的一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，其特征在于:所述横向水眼(42)的出水孔中心线(8)与刀翼(2)右侧面的距离d为15mm — 25mm。
5.根据权利要求2所述的一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，其特征在于:作为优选，所述横向水眼(42)的出水孔中心线(8)与刀翼(2)右侧面的距离d为20mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有横向喷射水力结构的PDC钻头，其特征在于:在钻头上设置所述的横向水眼(42)的数量为I个或2个。
【文档编号】E21B10/60GK104329031SQ201410543935
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】张占奎, 王秀彬, 李少伟, 张国亮, 王建涛, 刘伟京 申请人:沧州格锐特钻头有限公司