Pdc钻头的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种PDC钻头，属于石油钻井工具领域，包括钻头体、刀翼、切削齿和中心锥形齿，刀翼为五个，刀翼固定设置在钻头体的端面；切削齿设置在刀翼上；中心锥形齿设置在钻头体的端部，中心锥形齿的轴心线与钻头体的转动轴心线重合。该PDC钻头使用中心锥形齿破坏岩石的整体应力，切削时更加轻便省力，尤其适用于对塑性较高或硬度较高的岩石的切削；中心锥形齿将进行切削的岩石中间部分向外挤压，方便切削齿进行切削，可以更全面地对岩石进行切削，不会留下中心岩柱，消除切削死角；并且，中心锥形齿在外力的作用下始终抵住岩石，PDC钻头无法左右晃动，活动范围减少，提高PDC钻头的整体稳定性。
【专利说明】PDC钻头
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及石油钻井工具领域，具体而言，涉及PDC钻头。
【背景技术】
[0002]聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,简称F1DC)钻头,是石油钻井行业中常用的一种钻井工具。
[0003]PDC钻头一般由钻头体、刀翼和切削齿等组成，刀翼设置在钻头体的端部，切削齿设置在刀翼上，所有的切削齿转动时对一定范围内的岩石形成全覆盖。切削齿的切削端面与岩石表面形成一定的角度，依靠挤压破岩原理对岩石进行切削，当岩石的塑性较高或硬度较高时，由于岩石的整体应力较大，造成切削齿难以对岩石进行切削，导致PDC钻头的破岩效率较低。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供了一种PDC钻头，以解决上述问题。
[0005]本实用新型是这样实现的:
[0006]一种PDC钻头，包括:钻头体和至少两个刀翼，刀翼固定设置在钻头体的端面；切削齿，切削齿设置在刀翼上；中心锥形齿，中心锥形齿设置在钻头体的端部，中心锥形齿的轴心线与钻头体的转动轴心线重合。
[0007]钻头体能够旋转，从而带动刀翼、切削齿和中心锥形齿等进行旋转；刀翼的靠近切削齿切削的一侧一般均为倾斜设置，主要用于固定切削齿以及排屑等；切削齿用于对岩石等进行切削；中心锥形齿为圆锥状，中心锥形齿的顶点首先与岩石接触，在外力的作用下，顶点旋转并对岩石表面进行挤压，以点破面，与顶点接触的岩石表面在顶点的压迫下产生缺口，破坏岩石的整体应力，切削更加方便，尤其适用于岩石具有较高塑性的情况下，另外，中心锥形齿的顶点及端部进入岩石内部后，对岩石进行挤压，使中心处的岩石有向外运动的趋势，切削齿可以更加全面地对岩石进行切削，不会留下中心岩柱，可以很好地解决roc钻头的切削死角。中心锥形齿的轴心线与钻头体的转动轴心线重合，当钻头体转动时，中心锥形齿和钻头体之间只存在摩擦作用，不存在剪切作用，消耗的能量较少，不会影响PDC钻头的正常工作。
[0008]进一步地,还包括边缘锥形齿,边缘锥形齿设置在刀翼的远离中心锥形齿的一端，边缘锥形齿的远离刀翼的一端能够嵌入岩石。在旋转钻进过程中，PDC钻头会发生震动，导致钻头吃入量过大或对切削齿造成冲击，容易损坏切削齿，边缘锥形齿嵌入岩石中后，对刀翼起到支撑的作用，使PDC钻头无法左右晃动，横向震动作用被削弱，进一步地提高PDC钻头的稳定性。
[0009]进一步地，每个刀翼上均设置有边缘锥形齿。多个边缘锥形齿共同作用支撑刀翼，围绕钻头体形成多个支撑点，钻头体的各个部位高度均相同，PDC钻头的稳定性更高。
[0010]进一步地，切削齿为圆柱状，切削齿的一端为切削端面，切削端面设置有凹槽，凹槽为圆台状凹槽或球面状凹槽，凹槽的直径由外到内逐渐减小，凹槽的最大直径与切削齿的横截面的直径相同。一般的PDC钻头均采用圆柱状的切削齿，切削端面倾斜设置，使切削端面与竖直方向呈现一定的角度，使用切削齿的一个端面靠挤压破岩原理对岩石进行切削；当遇到塑性较高或硬度较高的岩石时，中心锥形齿破坏岩石整体应力的作用效果由内到外依次减弱，边缘部分的切削齿难以对远离中心锥形齿的岩石进行切削，凹槽的加入使得切削齿的端部与岩石呈现一定的角度，主要靠凹槽的侧壁对岩石进行切削，切削更加方便；凹槽的最大直径与切削齿的横截面的直径相同保证了凹槽的最顶端位于切削齿的端面，凹槽侧壁从上到下逐渐变厚，凹槽的与岩石接触的部分较薄，切削更加省力；根据实际情况，可以随意调节凹槽侧壁的倾斜角度。
[0011]进一步地，圆台状凹槽的底壁与侧壁之间的夹角为A，圆台状凹槽的底壁与切削端面的前进方向之间的夹角为B，A与B的角度之差小于90°。现有的切削齿的切削端面均为平面，切削端面与切削面的前进方向之间呈现一定的角度，切削端面与岩石接触进行挤压破碎，当岩石的塑性较高时，切削端面会将岩石的表面挤压变形而无法切削，当岩石的硬度较高时，切削端面会被岩石顶出；包含圆台状凹槽的PDC钻头主要靠剪切应力对岩石进行切削，切削齿的侧壁卡入岩石的切削层，切削齿的圆台状凹槽侧壁形成一个倒钩，钩住岩石，切削齿在转动切削过程中无法与岩石分离，只能通过倒转分离，当岩石塑性较高或硬度较高时，圆台状凹槽的端部始终会抵住岩石的内部进行剪切，当岩石受到的剪切应力超过岩石的抗剪切强度时，岩石表面被剥落脱离，从而实现PDC钻头切削齿的剪切破岩，比挤压破岩方式更加省力、方便；圆台状凹槽使得岩石与切削齿之间的摩擦大幅减少，有效降低工作状态时切削齿的温度，大幅提高切削齿的抗研磨能力，延长PDC钻头的使用寿命。
[0012]进一步地，球面状凹槽的切线与切削齿的横截面之间的最大夹角为C，球面状凹槽的切线与切削齿的轴心线相交，切削齿的横截面与切削端面的前进方向之间的夹角为D，C与D的角度之和大于90°。球面状凹槽的工作原理与圆台状凹槽的工作原理相同，包含球面状凹槽的PDC钻头主要靠剪切应力对岩石进行切削，切削齿的侧壁卡入岩石的切削层，切削齿的球面状凹槽侧壁形成一个倒钩，钩住岩石，切削齿在转动切削过程中无法与岩石分离，只能通过倒转分离，当岩石塑性较高或硬度较高时，球面状凹槽的端部始终会抵住岩石的内部进行剪切，当岩石受到的剪切应力超过岩石的抗剪切强度时，岩石表面被剥落脱离，从而实现PDC钻头切削齿的剪切破岩，比挤压破岩方式更加省力、方便；球面状凹槽使得岩石与切削齿之间的摩擦大幅减少，有效降低工作状态时切削齿的温度，大幅提高切削齿的抗研磨能力，延长PDC钻头的使用寿命。
[0013]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:该PDC钻头使用中心锥形齿破坏岩石的整体应力，切削时更加轻便省力，提高PDC钻头的破岩效率，尤其适用于对塑性较高或硬度较高的岩石的切削；中心锥形齿将进行切削的岩石中间部分向外挤压，方便切削齿进行切削，可以更全面地对岩石进行切削，不会留下中心岩柱，消除切削死角；并且，中心锥形齿在外力的作用下始终抵住岩石，PDC钻头无法左右晃动，活动范围减少，提高PDC钻头的整体稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型实施例1提供的PDC钻头主视图；
[0015]图2为图1的俯视图；
[0016]图3为图1的轴测图；
[0017]图4为本实用新型实施例2提供的PDC钻头主视图；
[0018]图5为图4的俯视图；
[0019]图6为图4的轴测图；
[0020]图7为图4的一种切削齿俯视图；
[0021 ]图8为图7的E-E剖视图；
[0022]图9为图7所示的切削齿的工作示意图；
[0023]图10为图4的另一种切削齿俯视图；
[0024]图11为图10的F-F剖视图。
【具体实施方式】
[0025]图1为本实用新型实施例1提供的PDC钻头主视图；图2为图1的俯视图；图3为图1的轴测图。如图1-图3所示，本实用新型实施例1提供的PDC钻头包括钻头体101、刀翼102、切削齿103和中心锥形齿104，刀翼102为五个，刀翼102固定设置在钻头体101的端面；钻头体101为圆柱状，刀翼102为弧形，五个刀翼102均匀地分布在钻头体101的端面，刀翼102的一侧倾斜，两个刀翼102之间存在间隙，切削齿103设置在刀翼102上；中心锥形齿104设置在钻头体101的端部，中心锥形齿104的轴心线与钻头体101的转动轴心线重合。中心锥形齿104为圆锥状，顶部也可以有一定弧度，过渡较为平滑，不易损坏。
[0026]钻头体101能够旋转，从而带动刀翼102、切削齿103和中心锥形齿104等进行旋转；刀翼102的靠近切削齿103切削的一侧一般均为倾斜设置，主要用于固定切削齿103以及排屑等；切削齿103用于对岩石等进行切削；中心锥形齿104为圆锥状，中心锥形齿104的顶点首先与岩石接触，在外力的作用下，顶点旋转并对岩石表面进行挤压，以点破面，与顶点接触的岩石表面在顶点的压迫下产生缺口，破坏岩石的整体应力，切削更加方便，尤其适用于岩石具有较高塑性的情况下，另外，中心锥形齿104的顶点及端部进入岩石内部后，对岩石进行挤压，使中心处的岩石有向外运动的趋势，切削齿103可以更加全面地对岩石进行切削，不会留下中心岩柱，可以很好地解决PDC钻头的切削死角。中心锥形齿104的轴心线与钻头体101的转动轴心线重合，当钻头体101转动时，中心锥形齿104和钻头体101之间只存在摩擦作用，不存在剪切作用，消耗的能量较少，不会影响PDC钻头的正常工作。当然，钻头体101上可以设置喷嘴用来进行喷气对切削后的碎屑清理等。
[0027]与现有技术相比，本实施例提供的钻头的有益效果是:该PDC钻头使用中心锥形齿104破坏岩石的整体应力，切削时更加轻便省力，提高PDC钻头的破岩效率，尤其适用于对塑性较高或硬度较高的岩石的切削；中心锥形齿104将进行切削的岩石中间部分向外挤压，方便切削齿103进行切削，可以更全面地对岩石进行切削，不会留下中心岩柱，消除切削死角；并且，中心锥形齿104在外力的作用下始终抵住岩石，PDC钻头无法左右晃动，活动范围减少，提高PDC钻头的整体稳定性。
[0028]图4为本实用新型实施例2提供的PDC钻头主视图；图5为图4的俯视图；图6为图4的轴测图；图7为图4的一种切削齿俯视图；图8为图7的E-E剖视图；图9为图7所示的切削齿的工作示意图；图10为图4的另一种切削齿俯视图；图11为图10的F-F剖视图。如图4-图11所示，本实用新型实施例2提供的PDC钻头与实施例1相比，改进点在于:还包括边缘锥形齿105,边缘锥形齿105设置在刀翼102的远离中心锥形齿104的一端,边缘锥形齿105的远离刀翼102的一端能够嵌入岩石。现有的PDC钻头的刀翼102部分一般均采用单排齿设计，即一个刀翼102上设置一排切削齿103，在旋转钻进过程中，PDC钻头会发生震动，导致钻头吃入量过大或对切削齿103造成冲击，容易损坏切削齿103，边缘锥形齿105嵌入岩石中后，对刀翼102起到支撑的作用，使PDC钻头无法左右晃动，横向震动作用被削弱，进一步地提高PDC钻头的稳定性。
[0029]作为该实施例的优选方案，每个刀翼102上均设置有边缘锥形齿105。多个边缘锥形齿105共同作用支撑刀翼102，围绕钻头体101形成多个支撑点，钻头体101的各个部位高度均相同，PDC钻头的稳定性更高。
[0030]作为该实施例的优选方案，如图7、图8、图10、图11所示，切削齿103为圆柱状，切削齿103的一端为切削端面，切削端面设置有凹槽106，凹槽106为圆台状凹槽或球面状凹槽，凹槽106的直径由外到内逐渐减小，凹槽106的最大直径与切削齿103的横截面的直径相同。一般的PDC钻头均采用圆柱状的切削齿103，切削端面倾斜设置，使切削端面与竖直方向呈现一定的角度，使用切削齿103的一个端面靠挤压破岩原理对岩石进行切削；当遇到塑性较高或硬度较高的岩石时，中心锥形齿104破坏岩石整体应力的作用效果由内到外依次减弱，边缘部分的切削齿103难以对远离中心锥形齿104的岩石进行切削，凹槽106的加入使得切削齿103的端部与岩石呈现一定的角度，主要靠凹槽106的侧壁对岩石进行切肖IJ，切削更加方便；凹槽106的最大直径与切削齿103的横截面的直径相同保证了凹槽106的最顶端位于切削齿103的端面，凹槽106侧壁从上到下逐渐变厚，凹槽106的与岩石接触的部分较薄，切削更加省力；根据实际情况，可以随意调节凹槽106侧壁的倾斜角度。
[0031]作为该实施例的优选方案，如图9所示，圆台状凹槽的底壁与侧壁之间的夹角为A，圆台状凹槽的底壁与切削端面的前进方向之间的夹角为B，A与B的角度之差小于90°，即A-B <90°。现有的切削齿103的切削端面均为平面，切削端面与切削面的前进方向之间呈现一定的角度，切削端面与岩石接触进行挤压破碎，当岩石的塑性较高时，切削端面会将岩石的表面挤压变形而无法切削，当岩石的硬度较高时，切削端面会被岩石顶出；包含圆台状凹槽的PDC钻头主要靠剪切应力对岩石进行切削，切削齿103的侧壁卡入岩石的切削层，切削齿103的圆台状凹槽侧壁形成一个倒钩，钩住岩石，切削齿103在转动切削过程中无法与岩石分离，只能通过倒转分离，当岩石塑性较高或硬度较高时，圆台状凹槽的端部始终会抵住岩石的内部进行剪切，当岩石受到的剪切应力超过岩石的抗剪切强度时，岩石表面被剥落脱离，从而实现PDC钻头切削齿103的剪切破岩，比挤压破岩方式更加省力、方便；圆台状凹槽使得岩石与切削齿103之间的摩擦大幅减少，有效降低工作状态时切削齿103的温度，大幅提高切削齿103的抗研磨能力，延长PDC钻头的使用寿命。
[0032]作为该实施例的优选方案,球面状凹槽的切线与切削齿103的横截面之间的最大夹角为C，球面状凹槽的切线与切削齿103的轴心线相交，切削齿103的横截面与切削端面的前进方向之间的夹角为D，C与D的角度之和大于90°，即C+D>90°。球面状凹槽的工作原理与圆台状凹槽的工作原理相同，包含球面状凹槽的PDC钻头主要靠剪切应力对岩石进行切削，切削齿103的侧壁卡入岩石的切削层，切削齿103的球面状凹槽侧壁形成一个倒钩，钩住岩石，切削齿103在转动切削过程中无法与岩石分离，只能通过倒转分离，当岩石塑性较高或硬度较高时，球面状凹槽的端部始终会抵住岩石的内部进行剪切，当岩石受到的剪切应力超过岩石的抗剪切强度时，岩石表面被剥落脱离，从而实现PDC钻头切削齿103的剪切破岩，比挤压破岩方式更加省力、方便；球面状凹槽使得岩石与切削齿103之间的摩擦大幅减少，有效降低工作状态时切削齿103的温度，大幅提高切削齿103的抗研磨能力，延长PDC钻头的使用寿命。当然，切削端面的凹槽106还可以为其它形状。
[0033]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、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PDC钻头，其特征在于，包括: 钻头体和至少两个刀翼，所述刀翼固定设置在所述钻头体的端面； 切削齿，所述切削齿设置在所述刀翼上； 中心锥形齿，所述中心锥形齿设置在所述钻头体的端部，所述中心锥形齿的轴心线与所述钻头体的转动轴心线重合。
2.根据权利要求1所述的PDC钻头，其特征在于，还包括边缘锥形齿，所述边缘锥形齿设置在所述刀翼的远离所述中心锥形齿的一端，所述边缘锥形齿的远离所述刀翼的一端能够嵌入岩石。
3.根据权利要求2所述的roc钻头，其特征在于，每个所述刀翼上均设置有所述边缘锥形齿。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的PDC钻头，其特征在于，所述切削齿为圆柱状，切削齿的一端为切削端面，所述切削端面设置有凹槽，所述凹槽为圆台状凹槽或球面状凹槽，所述凹槽的直径由外到内逐渐减小，所述凹槽的最大直径与所述切削齿的横截面的直径相同。
5.根据权利要求4所述的roc钻头，其特征在于，所述圆台状凹槽的底壁与侧壁之间的夹角为A，所述圆台状凹槽的底壁与所述切削端面的前进方向之间的夹角为B，A与B的角度之差小于90°。
6.根据权利要求4所述的roc钻头，其特征在于，所述球面状凹槽的切线与所述切削齿的横截面之间的最大夹角为C，所述球面状凹槽的切线与所述切削齿的轴心线相交，所述切削齿的横截面与所述切削端面的前进方向之间的夹角为D，C与D的角度之和大于90°。
【文档编号】E21B10/43GK204238859SQ201420603439
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】秦雷, 魏秀艳, 朱永乐, 包乃亮, 畅新辉 申请人:中国石油集团长城钻探工程有限公司