用于提高钻头心部排屑效率的钻头的制作方法

本发明涉及石油钻探钻具技术领域，特别涉及一种用于提高钻头心部排屑效率的钻头。

背景技术：

近年来，随着钻井技术的发展，钻头设计有了明显的提高。但是，在钻头钻进过程中，钻头心部仍然存在着岩屑量大，排屑不及时，严重制约着钻井效率的情况，有时甚至会出现钻头泥包、烧钻等现象，给钻井带来了巨大的危害。

岩屑排不出去引起钻头泥包、烧钻的原因有多种，具体可分为四种：一是地质因素：所钻地层为上部不成岩的软泥，极易沾粘在钻头表层，压实后造成钻头泥包；地层中的泥页岩虽成岩，但易于水化分散，使井眼内泥质或固相量大增，吸附在钻头表面造成钻头泥包；或者地层渗透率高，在压差作用下，吸附井筒内有害固相及未及时携带出的岩屑，形成厚泥饼，在钻头下方堆积造成钻头泥包。二是泥浆性能因素：泥浆抑制性差，无法控制泥页岩的水化分散；固相含量和粘切过高，钻出的岩屑难于清除，易吸附在钻头表面。三是工程技术因素：钻进中排量小，不能有效清洗井底及钻头，同时上返速度不足，岩屑在井内滞留时间长，粘附于井壁形成厚泥饼，尤其是中上部钻速高时更为严重；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；长裸眼下钻未进行中途循环，从井壁上挂下的泥饼或钻屑则会形成钻头泥包。四是钻头选型因素：水眼设计无法满足排屑要求；流道排屑角阻碍了钻屑顺利脱离井底。

如果钻头心部岩屑不能及时有效地排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及牙齿磨损十分严重，钻头寿命短、钻进速度慢；此外携带岩屑的高速气流对井壁的冲蚀破坏也非常严重，导致井壁垮塌事故频繁发生。因此，提高钻头心部排屑效率，是钻井行业亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于提高钻头心部排屑效率的钻头，可及时将钻头心部岩屑排出，提高钻头心部排屑效率。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

用于提高钻头心部排屑效率的钻头，包括钻头体、刀翼以及用于喷射钻井液的喷嘴，所述钻头体心部设有排屑流道和与排屑流道连通的若干个吸屑通道，所述排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角均为锐角，所述吸屑通道用于抽吸岩屑的端部设有负压抽吸嘴，所述负压抽吸嘴的中心轴线与钻头的中心轴线的夹角为15°-45°。

本发明基础方案的工作原理：钻头体通过刀翼破碎钻进的过程中，钻井液沿喷嘴喷射在钻头心部的周围，在钻头中心形成漫流甚至形成涡流，钻头心部周围破碎后的岩屑随钻井液进入环空排出井外，而钻头体心部的岩屑破碎后可通过若干个吸屑通道抽吸至排屑流道内，排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角均为锐角，保证钻井液从排屑流道喷射至吸屑通道的接口时，抽吸的岩屑随钻井液沿着排屑流道流至环空内排出；具体地，根据伯努利原理，沿排屑流道内喷射的高速射流，将使钻头心部的吸屑通道及吸屑孔处产生较强负压，从而钻头心部破碎后的岩屑具有被抽吸的效应，从而钻头心部岩屑在抽吸作用下，容易从钻头心部设置的吸屑通道沿着排屑通道流出，易于钻头心部的岩屑及时运移，提高钻头心部的排屑效率；且负压抽吸嘴的中心轴线与钻头的中心轴线的夹角为15°-45°，集中抽吸钻头心部的破碎岩屑，进一步避免了钻头心部的岩屑不能及时排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及刀翼上的切屑齿磨损严重的问题，提高了钻头的使用寿命。

进一步，所述排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角为5°-85°。有益效果：排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角越小，进入吸屑通道内的破碎岩屑越容易被抽吸至排屑流道内随钻井液排出，经申请人多次实验，排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角工艺设计为5°-85°，利于破碎岩屑及时排出钻头心部。

进一步，所述排屑通道绕所述钻头体心部内螺旋状布置，所述排屑通道与钻头体外侧的距离为13mm-25mm。有益效果：排屑通道内流入的钻井液不仅可携带钻头心部的破碎岩屑进入环空内，且钻井液可冷却钻头及钻头上的刀翼；具体地，由于钻头及刀翼在高速旋转剧烈摩擦下会产生大量热量，将排屑通道绕钻头体心部内螺旋状布置，有利于排屑通道在钻头体内分布面积均匀，利于快速冷却钻头体及刀翼，且排屑通道与钻头体外侧的距离工艺设计为13mm-25mm，在保证刀翼对岩石破碎刚度和强度的要求下，可通过排屑通道内流动的钻井液的热传递作用冷却钻头体和刀翼，效果好。

进一步，所述吸屑通道的数量为四，其中一个吸屑通道的负压抽吸嘴设于所述钻头心部的中心位置，其余三个吸屑通道的负压抽吸嘴绕中心位置的负压抽吸嘴周向等角度设置，且中心位置的负压抽吸嘴与其余三个吸屑通道的负压抽吸嘴距离均相等。有益效果：使得钻头心部的破碎岩屑均匀抽吸至吸屑通道内，保证钻头心部不存在剩余岩屑，提高钻头心部排屑效率。

进一步，所述刀翼包括主刀翼和副刀翼，所述主刀翼和副刀翼的数量均匀三个，所述主刀翼等角度均匀布置在所述钻头体上，所述副刀翼等角度均匀布置在钻头体上。有益效果：主刀翼和副刀翼形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬底层或者不均质底层，提高钻头的破岩效率。

进一步，所述喷嘴均匀布置在相邻两个主刀翼和副刀翼之间。有益效果：使得喷嘴内喷射的钻井液可在井底形成均匀负压，且喷射出的钻井液及时补给到破碎岩石，利于及时润滑钻头体上的主刀翼和副刀翼，避免主刀翼和副刀翼快速旋转中快速损坏。

进一步，所述喷嘴的轮廓采用多圆柱阶梯状设置，且喷嘴沿钻头体外侧延伸直径逐渐增大。有益效果：钻井液沿着喷嘴射出，从而喷嘴对喷射的钻井液起导流作用，将喷嘴的轮廓设置为多圆柱阶梯状，在钻井液流过时起约束导流作用，在每个圆柱体直径改变的位置形成限位射流，钻井液沿喷嘴向钻头体外侧延伸过程中钻井液射流效果好。

进一步，所述喷嘴的端部开设有斜切倒角，所述斜切倒角的角度为60°。有益效果：利于钻井液分散射出，提高钻井液的射流效果。

进一步，所述排屑通道的末端设有排屑口，所述排屑口设置在所述钻头体上刀翼末端的倒角面上。有益效果：便于破碎岩屑的直接快速的被排出排屑通道进入钻柱环空返出地面。

进一步，所述吸屑通道内设有导向岩屑向排屑通道流动的倒斜面。有益效果：使得吸屑通道内的破碎岩屑更直接、更快速以及更顺利抽吸至排屑通道内，并被推送进入钻柱环空返出地面。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:

1、本发明钻头体心部设置的螺旋状排屑流道与钻头体外侧距离为13mm-25mm，保证钻头体刀翼对井底岩石破碎刚度和强度的要求下，可通过排屑通道内流动的钻井液的热传递及时冷却钻头体和刀翼，避免剧烈摩擦产生的热量使得刀翼上的切削齿快速磨损，导致热磨损现象的发生；钻头心部设置有四个与排屑流道连通的吸屑通道，钻头心部破碎的岩屑可通过吸屑通道和排屑流道的导流作用及时排出至柱体环空返出地面，避免坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及刀翼上的切屑齿磨损严重的问题，提高了钻头的使用寿命。

2、本发明排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角均为锐角，具体为5°-85°，保证钻井液从排屑流道喷射至吸屑通道的接口时，根据伯努利原理，沿排屑流道内喷射的高速射流，将使钻头心部的吸屑通道及吸屑孔处产生基于喷嘴喷射钻井液产生的负压的更强负压，从而钻头心部破碎后的岩屑具有较强被抽吸的效应，从而钻头心部岩屑在抽吸作用下，容易从钻头心部设置的吸屑通道沿着排屑通道流出，提高钻头心部岩屑的运移速度，提高钻头心部的排屑效率。

3、本发明吸屑通道用于抽吸岩屑的端部设有负压抽吸嘴，负压抽吸嘴采用材质坚硬的聚金刚石复合片制成，具有较强的耐磨效果，具体吸屑通道的数量为四，其中一个吸屑通道的负压抽吸嘴设于所述钻头心部的中心位置，其余三个吸屑通道的负压抽吸嘴绕中心位置的负压抽吸嘴周向等角度设置，且中心位置的负压抽吸嘴与其余三个吸屑通道的负压抽吸嘴距离均相等，负压抽吸嘴的中心轴线与钻头的中心轴线的夹角为15°-45°，使得吸屑通道通过负压抽吸嘴集中抽吸钻头心部的破碎岩屑，保证钻头心部不存在剩余岩屑，进一步提高钻头心部排屑效率；避免钻头心部的岩屑不能及时排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及刀翼上的切屑齿磨损严重的问题，提高了钻头的使用寿命。

4、本发明中刀翼包括主刀翼和副刀翼，且均等角度均匀布置在钻头体上，使得主刀翼和副刀翼形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬底层或者不均质底层，提高钻头的破岩效率；且喷嘴均匀布置在相邻两个主刀翼和副刀翼之间，切喷嘴的端部开设有角度为60°的斜切倒角，使得喷嘴内喷射的钻井液可在井底形成均匀负压，润滑钻头体的同时使得破碎岩屑及时排出进入钻柱环空返出地。

附图说明

图1为本发明用于提高钻头心部排屑效率的钻头实施例钻头心部的剖面图；

图2为本发明用于提高钻头心部排屑效率的钻头实施例结构示意俯视图；

图3为本发明用于提高钻头心部排屑效率的钻头实施例结构示意剖面图；

图4为本发明用于提高钻头心部排屑效率的钻头实施例结构示意图。

零件标号说明

1-钻头体

2-刀翼

3-喷嘴

4-排屑流道

5-吸屑通道

6-负压抽吸嘴

7-主刀翼

8-副刀翼

9-排屑口

10-倒斜面

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种用于提高钻头心部排屑效率的钻头，包括钻头体1、刀翼2以及用于喷射钻井液的喷嘴3，钻头体1心部设有排屑流道4和与排屑流道4连通的四个吸屑通道5，排屑通道绕钻头体1心部内螺旋状布置，排屑通道与钻头体1外侧的距离为13mm-25mm，排屑通道内流入的钻井液不仅可携带钻头心部的破碎岩屑进入环空内，且钻井液可冷却钻头及钻头上的刀翼2；具体地，由于钻头及刀翼2在高速旋转剧烈摩擦下会产生大量热量，将排屑通道绕钻头体1心部内螺旋状布置，有利于排屑通道在钻头体1内分布面积均匀，利于快速冷却钻头体1及刀翼2，且排屑通道与钻头体1外侧的距离工艺设计为13mm-25mm，在保证刀翼2对岩石破碎刚度和强度的要求下，可通过排屑通道内流动的钻井液的热传递作用冷却钻头体1和刀翼2，效果好。

如图2所示，吸屑通道5的数量为四，其中一个吸屑通道5的负压抽吸嘴6设于钻头心部的中心位置，其余三个吸屑通道5的负压抽吸嘴6绕中心位置的负压抽吸嘴6周向等角度设置，且中心位置的负压抽吸嘴6与其余三个吸屑通道5的负压抽吸嘴6距离均相等，排屑流道4的出口流向线与吸屑通道5的出口流向线的夹角为5°-85°，排屑流道4的出口流向线与吸屑通道5的出口流向线的夹角越小，进入吸屑通道5内的破碎岩屑越容易被抽吸至排屑流道4内随钻井液排出，经申请人多次实验，排屑流道4的出口流向线与吸屑通道5的出口流向线的夹角工艺设计为5°-85°，利于破碎岩屑及时排出钻头心部。进一步，吸屑通道5内设有导向岩屑向排屑通道流动的倒斜面10，使得吸屑通道5内的破碎岩屑更直接、更快速以及更顺利抽吸至排屑通道内，并被推送进入钻柱环空返出地面。

进一步，吸屑通道5用于抽吸岩屑的端部设有负压抽吸嘴6，负压抽吸嘴6采用材质坚硬的聚金刚石复合片制成，具有较强的耐磨效果，负压抽吸嘴6的中心轴线与钻头的中心轴线的夹角为15°-45°，使得吸屑通道5通过负压抽吸嘴6集中抽吸钻头心部的破碎岩屑，保证钻头心部不存在剩余岩屑，进一步提高钻头心部排屑效率；避免钻头心部的岩屑不能及时排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及刀翼2上的切屑齿磨损严重的问题，提高了钻头的使用寿命。

与钻头体1呈一体连接的刀翼2上设有切屑齿，切削齿的切削面为斜切面，钻头在泥岩中钻进时，由于是负切削角，产生的分力是向上的，向上的分力有利于排屑，使排屑顺畅；进一步，刀翼2包括主刀翼7和副刀翼8，主刀翼7和副刀翼8的数量均匀三个，主刀翼7和副刀翼8均等角度均匀布置在钻头体1上，从而主刀翼7和副刀翼8形成复杂的交叉网状刮切，两套刮切痕迹更易于岩石的破碎，适合较硬底层或者不均质底层，提高钻头的破岩效率。喷嘴3均匀布置在相邻两个主刀翼7和副刀翼8之间，使得喷嘴3内喷射的钻井液可在井底形成均匀负压，且喷射出的钻井液及时补给到破碎岩石，利于及时润滑钻头体1上的主刀翼7和副刀翼8，避免主刀翼7和副刀翼8快速旋转中快速损坏。

进一步，如图3所示，喷嘴3的轮廓采用多圆柱阶梯状设置，且喷嘴3沿钻头体1外侧延伸直径逐渐增大，钻井液沿着喷嘴3射出，从而喷嘴3对喷射的钻井液起导流作用，将喷嘴3的轮廓设置为多圆柱阶梯状，在钻井液流过时起约束导流作用，在每个圆柱体直径改变的位置形成限位射流，钻井液沿喷嘴3向钻头体1外侧延伸过程中钻井液射流效果好。具体地，喷嘴3的端部开设有斜切倒角，斜切倒角的角度为60°，利于钻井液分散射出，提高钻井液的射流效果。

此外，如图4所示，排屑通道的末端设有排屑口9，排屑口9设置在所述钻头体1上刀翼2末端的倒角面上，便于破碎岩屑的直接快速的被排出排屑通道进入钻柱环空返出地面。

本例中，钻头体1通过主刀翼7和副刀翼8上的切削齿快速破碎钻进的过程中，钻井液沿喷嘴3喷射在钻头心部的周围，在钻头中心形成漫流甚至形成涡流，钻头心部周围破碎后的岩屑随钻井液进入环空排出井外，而钻头体1心部的岩屑破碎后可通过其心部的四个吸屑通道5抽吸至排屑流道4内；排屑流道4与钻头体1外侧的距离设定为15mm，排屑流道4内的流动的钻井液不仅可快速冷却钻头，也可顺带排出钻头心部的岩屑，具体地，排屑流道4的出口流向线与吸屑通道5的出口流向线的夹角设定为15°，保证钻井液从排屑流道4喷射至吸屑通道5的接口时，根据伯努利原理，沿排屑流道4内喷射的高速射流，将使钻头心部的吸屑通道5及吸屑孔处产生基于喷嘴3喷射钻井液产生的负压的更强负压，从而钻头心部破碎后的岩屑具有较强被抽吸的效应，从而钻头心部岩屑在抽吸作用下，容易从钻头心部设置的吸屑通道5沿着排屑通道流出，易于钻头心部的岩屑及时运移，提高钻头心部岩屑的运移速度，提高钻头心部的排屑效率。且负压抽吸嘴6的中心轴线与钻头的中心轴线的夹角在15°-45°之间，使钻头体1心部的吸屑通道5的负压抽吸嘴6集中抽吸钻头心部的破碎岩屑，进一步避免了钻头心部的岩屑不能及时排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及刀翼2上的切屑齿磨损严重的问题，提高了钻头的使用寿命。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。