一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，包括钻头基体以及布置在钻头基体上的固定切削结构，钻头的冠部轮廓曲面中包含球面。本实用新型钻头的冠部轮廓曲面中采用球面，在定向钻井时球面冠部能与球形井底较好地贴合，钻头上的切削齿能更均匀地吃入井底岩石，减少切削齿的受载不均和钻头偏载，从而减少切削齿的偏磨和钻头的振动，进而提高切削齿和钻头的使用寿命。
【专利说明】一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备【技术领域】，特别是涉及一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头。
【背景技术】
[0002]由于固定切削结构钻头(特别是聚晶金刚石复合片钻头，即PDC钻头)具有机械钻速快、寿命长、进尺多、安全性好的优点，所以在石油天然气钻井中被广泛应用。冠部轮廓形状是固定切削结构钻头最重要的结构特征之一，一般用冠部轮廓曲线或冠部轮廓曲面的形状来表征。冠部轮廓曲线是在钻头的径向布齿平面上表达的。钻头的径向布齿平面即由钻头轴心线向外且通过钻头轴心线的半平面。按照各切削齿的径向、高度位置坐标将切削齿的齿刃轮廓线(PDC齿的齿刃轮廓线通常为圆)在该平面上逐个绘出，用于表达钻头的平面布齿特征以及切削齿对井底岩石的覆盖状态。冠部轮廓曲线就是指钻头的径向布齿平面上各切削齿齿刃轮廓线的外侧包络线(岩石一侧的包络线)。冠部轮廓曲面，是指冠部轮廓曲线绕钻头中心线旋转一周所形成的回转曲面。冠部轮廓曲线或冠部轮廓曲面的形状是决定钻头切削齿与井底岩石接触状态的关键因素。目前所用的固定切削结构钻头的冠部轮廓曲线形状主要有直线-圆弧、直线-圆弧-直线、直线-圆弧-圆弧等。对应地，钻头冠部轮廓曲面就是由圆锥曲面、平面、圆环曲面等构成的组合曲面，但均不是或不包括球面。
[0003]在定向井的造斜钻进时，钻头上将施加一定的横向造斜力(使钻头轴线与井眼轴线偏移)，或钻头上方带弯角钻具使钻头轴线与井眼轴线之间存在一定的夹角，采用上述普通冠部形状的钻头造斜时，钻头上的切削齿受载严重不均衡。其主要原因是:一方面，由于钻头偏移或偏斜后，普通冠部轮廓的钻头切削轮廓与井底轮廓不能较好贴合，造成切削齿的切削深度和受力不均，一侧的切削齿侵入岩石的深度大，另一侧则显著减小，甚至会与井底岩石脱离接触。此时，钻头上的触底齿数(同时参与切削井底岩石的切削齿数量)变少，切削齿容易因过载而发生崩碎、断裂甚至脱落，磨损速度加快，从而导致钻头早期失效。另一方面，由于钻头切削轮廓与井底轮廓不能较好吻合，钻头切削载荷、横向力及扭矩等不均衡、不稳定，钻头工具面难以控制，使钻头的钻进稳定性和可控性变差。
[0004]在复合钻井条件下，钻杆以转速ωρ公转的同时，井下马达钻具驱动钻头以Ob的转速自转(见图3)。这样，钻头就处于一种公转与自转相叠加的复合运动状态。当钻头上方的马达钻具为带弯角钻具时，钻具上与钻头连接的弯头使钻头轴线与井眼轴线之间存在一定的夹角(见图3，弯头弯角为Φ，钻头上部钻具弯点至钻头冠顶的距离为L)，此时，钻头在切削岩石的过程中不可避免地存在横向运动，井筒的直径明显大于钻头直径，因而其运动状态更为复杂。在这种条件下，常规冠部轮廓的钻头难以实现钻头切削轮廓与井底轮廓的良好贴合，钻头上的触底齿数少，受载严重不均衡，当地层较硬时，切削齿容易发生崩碎、断裂甚至脱落，磨损速度显著增加，钻头寿命显著降低。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的就是克服上述现有技术的不足，提供一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，使复杂运动条件下钻头上切削齿的切削载荷不均衡状态得到改善，提高了钻头在定向钻井、复合钻井中的使用寿命、钻进效率，及工作稳定性。
[0006]本实用新型的目的通过下述技术方案来实现:
[0007]—种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，包括钻头基体以及布置在钻头基体上的固定切削结构，钻头的冠部轮廓曲面中包含球面。
[0008]作为优选，钻头的径向外三分之二区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
[0009]径向是指钻头的半径(直径)方向。钻头的径向外三分之二区域是指:从钻头最外(钻头上距钻头中心最远)点沿钻头半径往钻头中心至半径长的三分之二处(即距钻头中心三分之一半径处)之间的区域。
[0010]作为优选，钻头的径向外三分之一区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
[0011]作为优选，钻头冠部轮廓曲面中的球面的半径不小于0.9倍的钻头半径，且球面面积不小于钻头冠部轮廓曲面总面积的50%。
[0012]作为优选，钻头冠部轮廓曲面中的球面的半径等于钻头上部工具弯点至钻头冠顶距离L的0.8至1.2倍，且球面面积不小于钻头冠部轮廓曲面总面积的50%。
[0013]作为优选，钻头冠部轮廓曲面中的球面的半径不小于0.9倍的钻头半径，不大于
1.2倍的钻头半径，且球面面积不小于钻头冠部轮廓曲面总面积的50%。
[0014]作为优选，70%以上钻头径向区域的冠部轮廓曲面为球面。
[0015]作为优选，钻头球面轮廓上的固定切削结构包含由聚晶金刚石复合片构成的切削结构。
[0016]作为优选，钻头球面轮廓上的固定切削结构包含由孕镶金刚石切削元件构成的切削结构。
[0017]与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于:
[0018](I)钻头的冠部轮廓曲面中采用球面，在定向钻井时球面冠部能与球形井底较好地贴合，钻头上的切削齿能更均匀地吃入井底岩石，减少切削齿的受载不均和钻头偏载，从而减少切削齿的偏磨和钻头的振动，进而提高切削齿和钻头的使用寿命。
[0019](2)钻头冠部轮廓曲面中采用球面，球形轮廓的切削结构钻出的井底也具有球形轮廓，球面轮廓与井底的接触类似于球铰接触，钻头切削结构与球形井底之间能实现较好的自吻合，使钻头的受力及扭矩更加均衡稳定，减少钻头振动的同时增加钻头在定向钻进时的稳定性和可控性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型的钻头结构示意图。
[0021]图2为本实用新型钻头与井眼中心线有偏角时钻头球面冠部轮廓与井底接触时的示意图。
[0022]图3为复合钻井、定向钻井条件下钻头工作方式、工作状态示意图。
[0023]图4为本实用新型钻头冠部轮廓曲面的径向外三分之一区域为球面，钻头心部设置有内锥时的示意图。
[0024]图5为本实用新型钻头冠部轮廓曲面的径向外三分之二区域为球面，钻头心部设置有内锥时的示意图。
[0025]图6为本实用新型约80%钻头径向区域的冠部轮廓曲面为球面时的示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
[0027]实施例一:
[0028]如图1、2所示，一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，包括钻头基体1、切削齿2，切削齿2布置在钻头基体I上，切削齿2形成固定切削结构，钻头的整个冠部轮廓曲面3为球面，且接近于半球面。
[0029]如图2所示，在定向钻井时，在横向造斜力或钻头后带弯角钻具的作用下，钻头轴线相对井眼轴线产生一定的偏移或偏斜，其偏斜角度为a。钻头的冠部轮廓采用球面，球面冠部能与球面形的井底曲面较好地贴合，钻头上的切削齿2能更均匀地吃入井底岩石，减少切削齿2的受载不均和钻头偏载，从而减少切削齿2的偏磨和钻头的振动，进而提高切削齿2和钻头的使用寿命。钻头冠部轮廓采用球面，球形的轮廓钻出相应的球面形的井底，球面轮廓与井底岩石的接触类似于球铰接触，钻头切削结构与井底岩石之间能实现较好的吻合，使钻头的受力及扭矩更加均衡稳定，减少钻头振动的同时增加钻头在定向钻进时的稳定性和可控性。
[0030]实施例二:
[0031]如图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，钻头冠部轮廓曲面3的径向外三分之一区域为球面，球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%，且钻头的心部设置有内锥。这种结构的钻头能使较易磨损的径向外三分之一区域的切削齿的切削量、切削载荷趋于均匀，有效减缓磨损，且当钻头轴线的偏角较小时，内锥结构能提高钻头的稳定性。
[0032]实施例三:
[0033]如图5所示，本实施例与实施例二的不同之处在于，钻头冠部轮廓曲面3的径向外三分之二区域为球面，且球面的半径显著增大。这种结构的钻头能使径向外三分之二区域的切削齿的切削量、切削载荷趋于均匀，有效减缓磨损。
[0034]实施例四:
[0035]如图6所示，本实施例中，约80%钻头径向区域的冠部轮廓曲面3为球面。这种结构能使钻头上大部分区域的切削齿与井底岩石同时接触，切削齿受载较为均衡，适用于在复合钻井模式下工作，减少钻进时的切削齿的不均衡磨损，提高钻头使用寿命。
[0036]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，包括钻头基体以及布置在钻头基体上的切削齿所形成的固定切削结构，其特征是:钻头的冠部轮廓曲面中包含球面，钻头冠部轮廓曲面中的球面的半径为钻头上部钻具弯点至钻头冠顶距离L的0.8至1.2倍，且球面面积不小于钻头冠部轮廓曲面总面积的50%。
2.根据权利要求1所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:钻头径向外三分之二区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
3.根据权利要求1所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:钻头径向外三分之一区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
4.根据权利要求1所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:钻头冠部轮廓曲面中的球面的半径不小于0.9倍的钻头半径，且球面面积不小于钻头冠部轮廓曲面总面积的50%。
5.根据权利要求1所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:钻头冠部轮廓曲面中的球面半径不小于0.9倍的钻头半径，不大于1.2倍的钻头半径，且球面面积不小于钻头冠部轮廓曲面总面积的50%。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:70%以上钻头径向区域的冠部轮廓曲面为球面。
7.根据权利要求6所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:钻头上的固定切削结构包含由聚晶金刚石复合片构成的切削结构。
8.根据权利要求6所述的一种球面冠部轮廓的固定切削结构钻头，其特征是:钻头上的固定切削结构包含由孕镶金刚石切削元件构成的切削结构。
【文档编号】E21B10/46GK203961803SQ201420075507
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年2月21日 优先权日:2014年2月21日
【发明者】杨迎新, 张广存, 任海涛, 林敏 , 周谧, 陈多礼, 胡良坡, 刘兴铎, 陈炼 申请人:西南石油大学