一种新型抗冲击快速钻头的制作方法

本实用新型属于石油钻探领域，尤其涉及一种新型抗冲击快速钻头。

背景技术：

在现代石油地质钻井工作中，PDC复合片钻头以其耐磨性好、钻井效率高而得以广泛应用，但是无论是圆柱形PDC复合片还是楔形PDC复合片，在复杂地层钻井中，因其抗冲击能力有限而致使金刚石层崩裂脱落，造成钻头提前失效。近年来我国研制成功圆锥形PDC复合片，它的轴向抗冲击能力与圆柱形PDC复合片相比较有成倍提高，但是钻头上如果完全用圆锥形PDC复合片来切削岩石，由于它锥尖在钻井时只能在岩石上犁划成沟，刮削下来的岩屑有限，因此钻井时效率很低。

专利号为“ZL201620023173.X”的中国专利公开了一种适用于硬夹层钻进的PDC钻头，所述PDC钻头包括钻头基体和设置在所述钻头基体表面上的若干个刀翼，所述刀翼上设置有若干个圆柱形PDC切削齿并且至少两个刀翼上还设置有若干个圆锥形PDC切削齿，其中，圆柱形PDC切削齿设置在刀翼的前排，圆锥形PDC切削齿设置在刀翼的后排。该实用新型适用于硬夹层钻进的PDC钻头克服了现有技术中PDC钻头的应用问题，能够解决目前抗压强度高的硬夹层地层中运用常规PDC钻头钻进时切削齿崩损严重、切削效率低、使用寿命短、吃入地层困难、牙轮钻头钻进效率低且使用时间短等多个技术问题，达到了提高钻头破岩工作效率并延长钻头使用寿命的目的。但是这种钻头在钻进时是以圆锥形PDC切削齿先接触岩石，由于锥尖是要是在岩石上起着犁沟作用，其接触面小，受到的压紧力大，如果让其先接触岩石，这就容易造成锥尖受到破坏，缩短钻头使用寿命，同时，圆锥形PDC切削齿对岩石的刮削效果比圆柱形PDC切削齿差，进而影响钻进的效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有钻头在复杂地层钻井中，由于钻头与岩石接触时其抗冲击能力有限而致使金刚石层崩裂脱落，造成钻头提前失效，钻头的使用寿命短，钻井效率低。因此设计了一种新型抗冲击快速钻头，该钻头通过合理设置圆柱形复合片和圆锥形复合片的位置，从而可以更好地发挥犁沟和刮削的组合作用，可以使钻头保持较高的切削效率，提高钻井效率，同时也更显示抗冲击能力，大大延长钻头的使用寿命。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种新型抗冲击快速钻头，包括钻头本体，所述钻头本体上设置有若干条刀翼，且刀翼固定在钻头本体外壁上，刀翼上均设置有圆柱形复合片和圆锥形复合片，在同一条刀翼上的圆柱形复合片相对于钻头转动方向布置在圆锥形复合片前方，每条刀翼上的一个圆柱形复合片和一个圆锥形复合片设置在同一水平线上，且与相邻刀翼上的圆柱形复合片和圆锥形复合片形成切削轨迹的错开，设置在同一水平线上的圆柱形复合片的刃尖高于圆锥形复合片的刃尖1mm至2mm，圆锥形复合片的轴线与铅垂线的夹角为30°至35°。将切削具镶装在钻头体上，成为PDC钻头。专利号为“ZL201620023173.X”的中国专利公开的一种适用于硬夹层钻进的PDC钻头，其虽然也是在钻头的刀翼上设置了圆柱形PDC切削齿和圆锥形PDC复合片，但是这种钻头在钻进时是以圆锥形PDC切削齿先接触岩石，圆锥形PDC切削齿起着主要作用，由于锥尖是要是在岩石上起着犁沟作用，其接触面小，受到的压紧力大，如果让其先接触岩石，这就容易造成锥尖受到破坏，缩短钻头使用寿命，同时，圆锥形PDC切削齿对岩石的刮削效果比圆柱形PDC切削齿差，进而影响钻进的效率，同时它的锥齿设计角度不合理，在钻头被压下时，受到的冲击力很大，导致其抗冲击能力差，容易造成齿损坏，不能满足硬质岩层的使用。而本方案设计的新型抗冲击快速钻头，则是设计圆柱形复合片的刃尖高于圆锥形复合片的刃尖，这个数值范围为1mm至2mm，其原因是：钻头主要靠圆柱形复合片承担主要切削作用，本方案设计让圆柱形复合片的刃尖高于圆锥形复合片的刃尖1mm至2mm就是让它在钻压作用下，比锥形齿更加深吃入岩石，刮削效率便可提高。对于新钻头，圆柱形复合片的切削刃口完整而锋利，因此应充分利用它提高切削效率，而经过一段时间工作后，圆柱形复合片切削刃口磨损，出刃高度降低，切削效率变差，而这时圆锥形复合片锥尖相对高度增加，这就可以更好地发挥犁沟和刮削的组合作用，使钻头保持较高的切削效率，同时也更显示抗冲击能力，大大延长钻头的使用寿命，具体高度根据实际地层岩性来确定，其最佳高度优选为1.5mm。同时从冲击试验中得知圆锥形复合片的轴向抗冲击能力最强，因此，布齿时应尽量将圆锥形复合片的锥尖轴线朝向切削运动方向，也就是尽量将圆锥形复合片的锥尖轴线迎向冲击载荷，但是圆锥形复合片还应具有犁沟作用，它的锥尖轴线倾角过大，就会降低犁沟效果，经研究和实验，将圆锥形复合片的锥尖轴线前倾角定为20°至35°，在钻井中取得很好的效果，实际生产时角度也是根据地层岩性来设定，但是其最佳角度优选为27.5°。

而且刀翼的优选数量为五条或六条，同时尽量将刀翼中同一条刀翼上的圆柱形复合片和圆锥形复合片各自沿对应的刀翼的冠部曲线布置，使得同一条刀翼上的圆柱形复合片和圆锥形复合片在该刀翼上布置形成与冠部曲线相似的曲线。这种结构设计，能够使得钻探时能够保持钻头的稳定性，钻井效率大大提高。

综上所述，本实用新型的有益效果是：该钻头通过合理设置圆柱形复合片和圆锥形复合片的位置，从而可以更好地发挥犁沟和刮削的组合作用，可以使钻头保持较高的切削效率，提高钻井效率，同时也更显示抗冲击能力，大大延长钻头的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的侧视图；

图2为本实用新型的俯视图；

图3为圆柱形复合片和圆锥形复合片相对高度示意图；

图4为圆柱形复合片磨削前后位置示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：1—钻头本体；2—刀翼；3—圆柱形复合片；4—圆锥形复合片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

实施例：

如图1至图4所示，一种新型抗冲击快速钻头，包括钻头本体1，所述钻头本体1上设置有五条刀翼2，相邻刀翼2之间的距离按力平衡理论设计，且刀翼2固定在钻头本体1外壁上，刀翼2上均设置有圆柱形复合片3和圆锥形复合片4，刀翼2中同一条刀翼2上的圆柱形复合片3和圆锥形复合片4各自沿着刀翼2的冠部曲线布置，其结构特点如下：

1、钻头上圆柱形复合片和圆锥形复合片的布置：

如图1和图2所示，在设计中，钻头本体1的每一条刀翼2上都同时布置有圆柱形复合片3和圆锥形复合片4，它们在刀翼2上形成一排主齿和一排背齿，其中圆柱形复合片3为主齿，圆锥形复合片4为背齿，在钻头上，离中心越远的齿在工作时切削线速度越高，受到的冲击力越大，圆锥形复合片抗冲击力强，因此将圆锥形复合片布置在离中心远的肩部上，圆柱形复合片和圆锥形复合片采用一前一后的配对布置，即每条刀翼2上的一个圆柱形复合片3和一个圆锥形复合片4设置在同一水平线上，同时要与相邻刀翼2上的圆柱形复合片3和圆锥形复合片4形成错开，从钻头本体1横截面方向上看，每条刀翼上的一个圆柱形复合片3和一个圆锥形复合片4设置在同一圆周轨迹上，与相邻刀翼2上的圆柱形复合片3和圆锥形复合片4错开形成不同的轨迹，所有的圆柱形复合片3或圆锥形复合片4连接后形成螺旋线，使它们的刮削作用和犁沟作用交替进行，用以保证钻头切削齿对井底的全石覆盖，完成井孔全石钻进，同时还可以提高钻头工作时的平稳性，以及保证泥浆流通，有利于切削齿冷却，延长切削齿寿命。

2、圆锥形复合片的布齿前倾角和出刃高度：

如图3所示，S代表切削运动方向，OA代表圆锥形复合片的轴线，H代表圆锥形复合片4的出刃处和圆柱形复合片3的出刃处高度差，Φ代表圆锥形复合片的轴线与铅垂线的夹角，即圆锥形复合片的锥尖轴线后倾角，从切削运动方向上看，同一刀翼上圆柱形复合片3设置在圆锥形复合片4前方，从冲击试验中得知圆锥形复合片的轴向抗冲击能力最强，因此，布齿时应尽量将圆锥形复合片的锥尖轴线朝向切削运动方向，也就是尽量将圆锥形复合片的锥尖轴线迎向冲击载荷，但是圆锥形复合片还应具有犁沟作用，它的锥尖轴线倾角过大，就会降低犁沟效果，经研究和检验，将圆锥形复合片的锥尖轴线前倾角定为20°至35°，在钻井中取得很好的效果。

如图4所示，B代表新圆柱形复合片刃口，C代表磨损后圆柱形复合片刃口，ΔH代表磨损前后的高差，圆锥形复合片4的出刃高度相对于前面的圆柱形复合片3应略低一点，为1mm至2mm，即为H值，其原因是：钻头主要靠圆柱形复合片承担主要切削作用，对于新钻头，圆柱形复合片的切削刃口完整而锋利，因此应充分利用它提高切削效率，本方案设计让圆柱形复合片的刃尖高于圆锥形复合片的刃尖1mm至2mm就是让它在钻压作用下，比锥形齿更加深吃入岩石，刮削效率便可提高，而经过一段时间工作后，圆柱形复合片切削刃口磨损，出刃高度降低，切削效率变差，而这时圆锥形复合片锥尖相对露出，就可以更好地发挥犁沟和刮削的组合作用，可以使钻头保持较高的切削效率，同时也更显示抗冲击能力，大大延长钻头的使用寿命。通过分析研究和计算机模拟实验，提出了圆柱形PDC复合片和圆锥形PDC复合片组合钻头的设计方案，通过合理布置，使得圆锥形PDC复合片在钻头上主要承受冲击载荷，同时还可以在井底岩石上犁出沟槽，而圆柱形PDC复合片在钻头上，以其切削刃口宽的特点，在有沟槽的岩石上可以更有效地刮削，因此提高了钻井效率，还降低了切削阻力，在复杂地层钻井中，由于抗冲击能力提高延长了钻头的使用寿命，提高了钻井速度。

从2015年下半年到2016年上半年，将这种抗冲击快速钻头用在四川磨溪116井、云安012-X11井和长宁24-1井的钻进中均取得很好的效果，在钻井尺寸和钻井速度上均比一般PDC复合钻头好，受到钻井公司的欢迎。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术、方法实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。