一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头的制作方法

本发明涉及领域钻具领域，具体涉及一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头。

背景技术：

聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamondcompact)钻头，简称pdc钻头。它是用聚晶金刚石(薄圆片状)做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的适用于软到中硬地层。

上世纪初，牙轮钻头代替刮刀钻头在硬质研磨性地层应用，但这种钻头在钻页岩和其他塑性岩层中的缺点主要是压持作用造成井底泥包，而随着钻深和井底压力以及泥浆比重的增加，泥包现象会更加严重。为了解决这个问题，多年来各钻头制造商对牙轮钻头进行了各种改进，但收效甚微。考虑到刮刀钻头或固定切削齿钻头在此方面受到的影响较小，人们开始尝试将两种钻头相结合。随着pdc钻头的推广应用，以及pdc切削齿技术的改进，固定切削齿pdc钻头在多种地层中逐渐取代牙轮钻头。但在硬质、研磨性地层以及复杂定向钻井作业中，由于性能的限制，pdc钻头无法取代牙轮钻头。因此，研发一种结合pdc钻头和牙轮钻头优势的复合型钻头十分必要。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头，结合了pdc钻头和牙轮钻头优势。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头，包括钻头本体，所述钻头本体内部具有冲洗腔，本体前端具有切削部，切削部顶部向外突出形成圆弧形顶面，所述切削部突出的设置有三条均匀分布的主切削刃，所述主切削刃延伸至圆弧形顶面并在圆弧形顶面交汇，主切削刃由沿本体径向的切削面和呈弧线向本体表面延伸的背刀面组成，所述背刀面上镶嵌设置有若干切削刀片，所述切削刀片排成两列，第一列切削刀片位于切削面与背刀面交接的顶部，第二列切削刀片位于背刀面上且与第一列切削刀片平行，所述圆弧形顶面位于切削刃交汇处的间隙处设置有三个喷嘴，所述喷嘴与钻头本体内部冲洗腔连通，所述切削部位于三条切削刃之间还设置有向切削部顶部外侧倾斜伸出的轴颈部，所述轴颈部上有开孔，开孔与钻头本体内部冲洗腔连通，轴颈部顶端卡接有球面的副切削面，所述副切削面上镶嵌若干颗粒状的副切削刃。

进一步的，所述副切削刃顶点形成的球面外径不超过第一列切削刀片顶点所形成的圆周范围，在开孔时，主要靠主切削刃来工作，防止副切削刃的阻尼干扰，提高开孔速度。

进一步的，所述主切削刃呈螺旋形盘绕在钻头本体上，螺旋方向从圆弧形顶面俯视向右旋转，符合大多数钻具的钻孔转向习惯，钻孔时减小对主切削刃的冲击，同时退出时更快。

进一步的，所述钻头本体、切削部、主切削刃及轴颈部一体成型，增加结构强度。

进一步的，所述轴颈部与副切削面的卡接处设置有密封圈，防止切削液泄露影响冲洗。

进一步的，所述第一列切削刀片刀体嵌入切削面中且刃口向切削面倾斜，可以保护第一切削刀片，同时改善切削角，使切削更快。

进一步的，所述副切削刃为为圆球面，副切削刃主要用于较硬的工作环境中将岩层磨碎，球面的刀刃更有利于磨削。

本发明在使用时，主切削刃用于开孔，当遇到较硬岩层时，主切削刃会受压而收缩甚至磨损，此时则依靠副切削刃将硬质岩层磨碎，两列主切削刃可以相辅助使用，第一列主切削刃切削时，第二列起打散作用，防止泥包，第一列磨损严重时，第二列可以起到保径作用，防止孔径变化，同时延长钻头的使用寿命。

本发明结合了pdc钻头和牙轮钻头的优势，在提高钻孔效率的同时，扩大了钻头的适用范围，降低了成本,适用于中扬子寒武系页岩气开采。

附图说明

图1为本发明一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头实施例的俯视结构示意图。

图2为本发明一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头实施例的剖面结构示意图。

附图标记如下：

11、主切削刃；12、副切削面；13、副切削刃；14、钻头本体；15、密封圈；16、背刀面；17、切削刀片；18、主切削刃；19、轴颈部

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1、图2所示，一种适用中扬子寒武系页岩气开采复合型钻头，包括钻头本体14，所述钻头本体14内部具有冲洗腔，本体前端具有切削部，切削部顶部向外突出形成圆弧形顶面，所述切削部突出的设置有三条均匀分布的主切削刃11，所述主切削刃11延伸至圆弧形顶面并在圆弧形顶面交汇，主切削刃11由沿钻头本体14径向的切削面和呈弧线向本体表面延伸的背刀面16组成，所述背刀面上镶嵌设置有若干切削刀片17，所述切削刀片排成两列，第一列切削刀片位于切削面与背刀面16交接的顶部，第二列切削刀片位于背刀面上且与第一列切削刀片平行，所述圆弧形顶面位于切削刃交汇处的间隙处设置有三个喷嘴18，所述喷嘴18与钻头本体内部冲洗腔连通，所述切削部位于三条切削刃之间还设置有向切削部顶部外侧倾斜伸出的轴颈部19，所述轴颈部上有开孔，开孔与钻头本体内部冲洗腔连通，轴颈部19顶端卡接有球面的副切削面12，所述副切削面上镶嵌若干颗粒状的副切削刃13；这种结构的钻头综合了pdc刀刃钻头和牙轮钻头的特点，在开孔钻进时，依靠主切削刃11，而遇到硬质岩层时，则依靠副切削刃挤压研磨使岩层破碎，副切削面内部通过轴颈部与冲洗腔连通，可以及时通过冲洗液带走磨削产生的热量，对副切削刃进行冷却。

如图2所示，切削时，a为主切削刃开孔的最高点所在线，b-b’形成开孔的最大直径，副切削刃位于a线以下和b-b’以内，可以在开孔时由主切削刃承受剪切力，而主切削刃第一列切削刀片刀体嵌入切削面中且刃口向切削面倾斜，改善了切削角，承受剪切力的同时最大限度保护主切削刃不会断裂，遇到硬质岩层时，主切削刃会受压收缩甚至磨损，此时a线降低，b-b’缩小，副切削刃开始起切削作用。

为了有效的起到切削作用，副切削刃顶端和主切削刃顶端的间距应设置合理值，设定副切削刃形成的切削柱体高度为h，直径为l，正常的主切削刃形成的切削柱体高度为h，直径为l，正常的主切削刃压缩后形成的切削柱体高度为h1，直径为l1；设定副切削面旋转时形成的柱体高度为h’，直径为l’，最大磨损的主切削刃形成的切削柱体高度为h2，直径为l2；则h2≤h’≤h1＜h＜h,l2≤l’≤l1＜l＜l,这样可以充分保证副切削刃最大效率工作的同时又不损耗副切削面。

在本发明的一个优选实施例中，所述副切削刃顶点形成的球面外径不超过第一列切削刀片顶点所形成的圆周范围，在开孔时，主要靠主切削刃来工作，防止副切削刃的阻尼干扰，提高开孔速度。

在本发明的一个优选实施例中，所述主切削刃呈螺旋形盘绕在钻头本体上，螺旋方向从圆弧形顶面俯视向右旋转，符合大多数钻具的钻孔转向习惯，钻孔时减小对主切削刃的冲击，同时退出时更快。

在本发明的一个优选实施例中，所述钻头本体、切削部、主切削刃及轴颈部一体成型，增加结构强度。

在本发明的一个优选实施例中，所述轴颈部与副切削面的卡接处设置有密封圈15，防止切削液泄露影响冲洗。

在本发明的一个优选实施例中，所述副切削刃为为圆球面，副切削刃主要用于较硬的工作环境中将岩层磨碎，球面的刀刃更有利于磨削。

本发明在使用时，主切削刃用于开孔，当遇到较硬岩层时，主切削刃会受压而收缩甚至磨损，此时则依靠副切削刃将硬质岩层磨碎，两列主切削刃可以相辅助使用，第一列主切削刃切削时，第二列起打散作用，防止泥包，第一列磨损严重时，第二列可以起到保径作用，防止孔径变化，同时延长钻头的使用寿命。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。