一种用于硬地层钻井的混合钻头的制作方法

本实用新型涉及钻井技术领域，具体涉及一种石油天然气以及非常规能源和地质勘探用的钻井钻头，尤其涉及一种用于硬地层钻井的混合钻头，该混合钻头也适用于软硬交错地层钻井中。

背景技术：

在油气钻井与地质钻探领域，钻头是钻井施工中必不可少的井下工具。钻头的设计与选择是提高复杂地层破岩效率、提高钻井速度和降低钻井成本的关键部件。目前牙轮钻头与PDC钻头是旋转钻井中最常使用的两种钻头，其中PDC钻头所钻进尺超过80％。牙轮钻头主要以冲击、压碎作用破碎岩石，PDC钻头主要靠切削和剪切作用破碎岩石，自牙轮钻头与PDC钻头问世以来，破岩机理基本没有改变。

PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是固定切削齿钻头的代表，固定切削齿是由超级研磨材料形成的具有硬切削层的切削元件，超级研磨材料可以是聚晶金刚石(PCD)、热稳定性聚晶金刚石(TSP)、多晶立方氮化硼(PCBN)等由于采用其它几种超级研磨材料的切削齿在使用中出现的问题与PDC切削齿类似，因此研究钻井中出现的问题时主要以PDC切削齿作为研究对象。

牙轮钻头和PDC钻头在坚硬地层中切削深度受限、在软硬交错地层中切削深度的大幅波动会造成钻头破岩效率的降低，诱发钻头振动和造成切削齿提前损坏。对于PDC钻头，切削齿距离钻头中心越近，切削扭矩与线速度越低，切削齿的切削效率越低。由于内锥区域布齿数量有限，PDC切削齿的载荷大，在坚硬地层钻井过程中容易超载而造成PDC切削齿的先期破坏。在坚硬地层与软硬交错地层，钻头机械钻速慢、寿命短、进尺少的问题极大增加了钻井周期和钻井费用。为了提高钻头在坚硬地层中的使用效果，常用的方法是增加钻头刀翼数量和布齿密度、减小切削齿尺寸等措施，这在提高钻头使用寿命的同时却降低了钻头机械钻速。

为了提高钻头综合切削性能和使用效果，一种整合牙轮钻头与PDC钻头于一体的混合钻头被发明(发明专利，申请号CN200880016630.0)，在牙轮(其上镶嵌硬质合金切削齿)与刀翼(其上镶嵌PDC切削齿)混合区域可协同多种破岩机理。牙轮切削齿靠冲击破碎形成不连续的齿坑，PDC切削齿通过切削作用将预破碎的齿坑连通形成完整的破碎环带，同时牙轮切削齿还会限制PDC切削齿的过度吃入，从而降低PDC切削齿的超载概率。复合钻头切削机理的多样性增加了钻头与地层的适应性，整合了PDC钻头与牙轮钻头的优点，在软-中硬地层、易泥包地层、硬塑性地层和部分软硬交错地层起到了较好的使用效果。

由于钻头结构等原因，混合钻头中牙轮与PDC切削齿的混合部分无法设计在钻头的内锥区域，在此区域还是依靠PDC切削齿单独破岩。因为混合区域破岩速度快而非混合区域破岩速度慢，会形成“凸”形井底，随着井底中心区域凸起高度的增加，钻头内锥区域承受的轴向压力也会越来越大。在坚硬地层中由于“凸”形井底的存在，井底凸台边缘处PDC切削齿所承受的轴向压力最大，此处PDC切削齿会更快的发生磨损或损坏，并导致钻头内锥区域的PDC切削齿由外向内依次损坏，而且损坏的速度比普通PDC钻头还要快。在坚硬地层中由于混合钻头的非混合区域破岩效率低且切削齿容易发生磨损或损坏，非混合区域成为制约机械钻速提高的主要因素，而且随着该区域磨损面积的增加，还会出现穿心现象，这会降低钻头的机械钻速和钻头寿命，在这种情况下混合钻头的使用效果甚至还不如传统的牙轮钻头和PDC钻头。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本实用新型提出了一种用于硬地层钻井的混合钻头，该钻头能够在坚硬地层中提高钻头机械钻速和延长钻头使用寿命。

为了实现以上发明目的，本实用新型提供了以下技术解决方案。本实用新型提出了一种具有以下结构的用于硬地层钻井的混合钻头，包括：钻头体，所述钻头体上设有刀翼和牙轮，所述牙轮上安装有硬质合金切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以外的部位上设置有常规圆形PDC切削齿，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿。在本实用新型中，通过在牙轮切削轨迹的内包络线以内的刀翼上设置异形切削齿，由于异形切削齿例如圆锥形PDC齿等可以使地层产生应力集中，以压碎和犁削的方式进行破岩，而且具有高抗冲击力、高散热能力、低扭矩和良好的岩屑清理能力等特点，可以在混合钻头的非混合区域或牙轮切削轨迹的内包络线以内的钻头部位提高机械钻速和切削齿寿命。

在一种实施方案中，所述异形切削齿包括圆锥形PDC齿、脊状齿、尖圆齿、楔形齿、锥球楔形齿和边楔形齿。

在一种实施方案中，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线以内的部位上设置异形切削齿与常规圆形PDC齿，所述圆形PDC齿为主切削齿，所述异形切削齿为副切削齿，所述主切削齿和副切削齿根据切削轨迹的不同以同轨或交错布齿方式布置在所述刀翼上。在本实用新型中，圆形PDC齿又称为常规PDC切削齿。除圆形PDC齿以外，尤其是带有尖头能够形成应力集中的切削齿均称为异形切削齿。

在一种实施方案中，所述主切削齿和副切削齿形成异步切削结构，所述异形切削齿的出露高度比圆形PDC齿的出露高度高0mm～3mm。充分发挥异形切削齿的压碎和冲击作用，弥补靠近钻头心部圆形PDC齿钻井速度低的缺陷。在一个优选的实施方案中，异形切削齿由钻头心部向外出露高度越来越低，从而能尽量延长钻头的使用寿命。

在一种实施方案中，所述主切削齿和副切削齿在所述刀翼上形成同轨布齿方式和异步切削设置，靠近钻头中心采用圆锥形PDC齿。

在一种实施方案中，所述主切削齿在坚硬地层的切削角为负，且随着地层抗压强度的增大切削角的绝对值增大。

在一种实施方案中，所述主切削齿在坚硬地层的切削角为-30°至-20°。

在一种实施方案中，当该钻头的外径不小于215.9mm时，所述刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线及以外的区域设置有双排圆形PDC齿。增加布齿密度。

在一种实施方案中，所述钻头包括至少两个刀翼和至少两个间隔设在所述刀翼之间的牙轮，每个刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线内设置有异形切削齿，每个所述刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线外设置有两排圆形PDC齿。刀翼位于牙轮切削轨迹的内包络线内可以全部设置一种异形切削齿，例如圆锥形PDC齿；也可以部分设置异形切削齿，例如混合设置有普通PDC切削齿与圆锥形PDC齿；还可以是几种异形切削齿混合设置等情形。

在一种优选的实施方案中，所述钻头包括由三个刀翼和间隔设在刀翼之间的三个牙轮，每个刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线外设置有两排圆形PDC齿，每个刀翼位于所述牙轮切削轨迹的内包络线内设置有一排齿，该一排齿包括圆形PDC齿和圆锥形PDC齿。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的用于硬地层钻井的混合钻头，优化混合钻头的切削结构，在牙轮切削轨迹的内包络线以外区域发挥圆形PDC切削齿与牙轮的硬质合金切削齿的协同破岩作用；在牙轮切削轨迹的内包络线以内区域发挥异形切削齿的压碎和冲击作用，克服常规圆形PDC齿因破岩效率低而形成“凸”底导致心部磨损严重的问题。通过平衡包络线内外的破岩效率，达到坚硬地层和软硬交错地层中提高钻头机械钻速和钻头寿命以及降低钻井周期和钻井费用的目的。

附图说明

下面将结合附图来对本实用新型的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本实用新型的用于硬地层钻井的混合钻头的其中一种实施例的结构示意图；

图2显示了图1中的刀翼的形状轮廓示意图；

图3显示了切削角a和切削量h的示意图；

图4显示了圆锥形PDC齿的切削角的示意图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，在坚硬地层中由于混合钻头的非混合区域破岩效率低且切削齿容易发生磨损或损坏，非混合区域成为制约机械钻速提高的主要因素，而且随着该区域磨损面积的增加，还会出现“穿心现象”(钻头中心部位磨损严重导致穿心)，这会降低钻头的机械钻速和钻头寿命，在这种情况下混合钻头的使用效果甚至还不如传统的牙轮钻头和PDC钻头。主要表现为：①非混合区域切削齿的切削扭矩与线速度低；②由于混合区域破岩速度快而非混合区域破岩速度慢，会形成“凸”形井底，随着井底中心区域凸起高度的增加，钻头非混合区域承受的切削载荷也会越来越大。③由于牙轮会作上下往复运动，“凸”形井底对应的PDC切削齿会受到较大的冲击力。综上所述，在坚硬地层中由于“凸”形井底的存在，井底凸台边缘处PDC切削齿所承受的载荷最大，此处PDC切削齿会因为超载、冲击与热损坏等原因过早地发生磨损或损坏，磨出沟槽或造成钻头非混合区域的PDC切削齿由外向内依次损坏，从而缩短了钻头寿命和降低了钻头机械钻速。

针对以上不足，本实用新型的实施例提出了一种用于硬地层钻井的混合钻头，下面进行说明。

图1显示了本实用新型的用于硬地层钻井的混合钻头的其中一种实施例。在该实施例中，该钻头主要包括：钻头体，该钻头体上设有刀翼3和牙轮1，牙轮1上安装有硬质合金切削齿2，刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6内设置的切削齿中至少包括一部分的异形切削齿4，刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6外的部位上设置有圆形PDC齿5。图1中用虚线圆圈显示了牙轮切削轨迹的内包络线6，该内包络线6的内部为异形切削齿4所在的区域，该内包络线6外部为牙轮1与刀翼3的圆形PDC齿5的混合区域。

在一个实施例中，在混合区域，牙轮1上的硬质合金切削齿2主要依靠冲击破碎形成不连续的齿坑，刀翼3上的圆形PDC齿5通过切削作用将预破碎的齿坑连通形成完整的破碎环带，同时牙轮1上的硬质合金切削齿2还会限制圆形PDC齿5的过度吃入从而降低圆形PDC齿5的超载概率。

由于空间与刀翼形状的原因，在该混合区域PDC齿可以设计为双排齿，而内包络线6的内部异形切削齿4所在区域则只设计为单排齿。

图2示出了刀翼2部分的形状轮廓，亦称为冠部形状。该刀翼2主要包括：顶点7、鼻部8、肩部9、外径弧面10和保径部分11。其中，顶点7的位置即为钻头心部，即钻头中心部位。连接锥形部分的鼻部8为钻头最突出的部位，鼻部8以内为内锥，鼻部8以外的弧面为外锥。连接鼻部8的斜面(或弧面)为肩部9，连接肩部9的为外径弧面10，连接外径弧面10的直线部分为保径部分11。

根据图2的描述以及图1的结构可以得知：牙轮切削轨迹的内包络线6与钻头的鼻部8并不重合，因此本实用新型中采用牙轮切削轨迹的内包络线6进行区分混合区域与非混合区域。

在一个实施例中，异形切削齿4主要包括圆锥形PDC齿(请参考发明专利申请号CN201310700766.6)、脊状齿、尖圆齿、楔形齿、锥球楔形齿(参考专利申请号CN201520407123.7)和边楔形齿。圆锥形齿、脊状齿、尖圆齿等异形切削齿4可以使地层产生应力集中，使得可以以压碎和犁削的方式进行破岩，而且具有高抗冲击能力、高散热能力、低水平切削力(低扭矩)、良好的岩屑清除能力等特点，可以在切削扭矩与线速度低的所述包络线以内部位提高机械钻速和切削齿寿命。

在一个实施例中，将旋转PDC齿归为异形PDC齿的范畴。通常PDC切削齿属于固定切削齿，只有约40％的切削边缘接触井底，一旦这些有效切削部分发生磨损和断裂就会影响钻头性能和寿命。在钻头旋转的同时旋转PDC齿的顶端可以自由旋转或360°旋转。旋转PDC齿的所有边缘均参与破岩并提高了散热能力，确保切削齿保持锋利，提高了机械钻速和钻头寿命。因此除使用常见的异形PDC齿(例如圆锥形PDC齿)与圆形PDC齿的混合设计外，还可以使用旋转PDC齿与圆形PDC齿的混合设计。

在一个实施例中，刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6以内的部位上设置异形切削齿4与圆形PDC齿5。若异形切削齿4采用圆锥形PDC齿，则圆形PDC齿为主切削齿，圆锥形PDC齿为副切削齿。根据切削齿是否具有相同切削轨迹，布齿方式可分为同轨或交错两种方式。切削齿具有同一径向切削轨迹即为同轨方式，不具有同一径向切削轨迹即为交错方式。同轨布齿是将全部或部分切削齿分布在钻头冠部端面上不同的同心圆环上，即某一个钻头半径上布置数个切削齿，而各个同心圆环之间的切削齿的重叠系数很小。这一径向布齿方式使钻头在钻进过程中可形成脊状井底形状，使相邻的同心圆环之间形成地层岩石凸起环带，有助于提高钻头旋转钻进过程中的稳定性。

在一个优选的实施例中，异形切削齿4采用圆锥形PDC齿，尤其是在钻头心部安装圆锥形PDC齿可以发挥压碎与冲击等破岩作用，还能起到定位与稳定钻头的作用。此外，采用圆形PDC齿与异形切削齿4的同轨布齿方式可以提高钻头稳定性。

在一个优选的实施例中，主切削齿和副切削齿形成异步切削结构。承担主要切削任务或切削大部分岩石体积的切削齿称为主切削齿；承担辅助切削作用的切削齿称为副切削齿。对于常规圆形PDC切削齿可根据主切削齿与副切削齿是否同时切削地层，切削齿的切削结构可分为同步切削和异步切削两种结构。在实际实施中，可以根据主切削齿与副切削齿的出露高度差值是否为零或切削深度是否相同来判断，出露高度差值为零可使得主切削齿与副切削齿同时切削地层，这种结构设计可称为同步切削结构。主切削齿与副切削齿的切削深度的差值不为0的结构设计称为异步切削结构。刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6以内的部位混合异形切削齿4与圆形PDC齿，异形切削齿4与圆形PDC齿优选为异步切削结构。刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6以外的部位可以使用同步切削或异步切削结构。

在一个实施例中，切削齿的出露量h和切削角a是决定切削齿锋利程度的重要指标。如图3所示，切削齿的出露量h是切削齿高出钻头基体轮廓的距离。在一个优选的实施例中，异形切削齿4的出露高度比圆形PDC齿的出露高度高0mm～3mm。优选异形切削齿4的出露高度高于圆形PDC齿的出露高度。这种设置的优点在于：异形切削齿4具有高抗冲击能力、高散热能力、低扭矩、良好的岩屑清除能力等特点，可以采用异形切削齿4通过预破碎、限制圆形PDC齿的切削深度、降低冲击载荷、避免超载等作用，不但可以提高机械钻速，而且还能延长切削齿寿命，为圆形PDC齿进一步提供了良好的工作环境。

在一个实施例中，由于圆形齿、尖圆齿具有切削平面，其切削角a是切削齿面与切削表面垂直线的夹角，通常切削角为负值。切削齿的出露量越大和切削角的绝对值越小，则切削量越大，岩屑越容易返出，机械钻速越大，但切削齿受力越大，切削齿损坏的几率越大。因此随着地层硬度或地层抗压强度由低到高，切削齿的出露量逐渐由大变小、切削角的绝对值逐渐由小到大。切削齿的切削角度a一般控制在-30°至-10°之间，在坚硬地层优选切削角为-30°至-20°。脊状齿的切削面不再是一个平面，在切削角为0的情形下，脊状齿的脊部与切削表面相垂直，定义脊状齿的切削角为脊部与切削表面垂直线的夹角。圆锥形PDC齿没有切削平面，定义其切削角为切削接触线与切削表面垂直线的夹角，如图4所示，圆锥形PDC齿切削角计算如下：a＝b-0.5c。其中a为圆锥形PDC齿的切削角，b为后倾角，c为锥角。其中切削表面垂直线与切削齿柱轴线平行时后倾角为0，切削表面垂直线沿切削方向旋转到切削齿柱轴线时后倾角为负，切削表面垂直线逆切削方向旋转到切削齿柱轴线时后倾角为正。在一个实施例中，圆形PDC齿、尖圆齿、旋转PDC齿、脊状齿的切削角推荐为-15°～-45°。圆锥形齿、锥球楔形齿使用后倾角比切削角更能直观的展现PDC切削齿的安装角度，圆锥形齿、锥球楔形齿等切削齿的后倾角可以为0、可以为负、也可以为正，推荐范围为-20°～20°。

在一个优选的实施例中，主切削齿和副切削齿在刀翼上形成同轨布齿和异步切削设置，靠近钻头中心采用圆锥形PDC齿。在一个实施例中，当该钻头的外径不小于215.9mm时，刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6以外的区域设置有双排圆形PDC齿。

在一个实施例中，本实用新型的混合钻头包括至少两个刀翼3和至少两个间隔设在刀翼3之间的牙轮1，每个刀翼3设置有异形切削齿4，在刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6内至少设置1颗异形切削齿4；每个刀翼3可以安装两排PDC齿或单排PDC齿，PDC齿包括圆形PDC齿、圆锥形PDC齿、脊状齿、尖圆齿、旋转齿等。

在一个实施例中，如图1所示，本实用新型的混合钻头包括由三个刀翼3和间隔设在刀翼3之间的三个牙轮1，每个刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6外设置有两排圆形PDC齿5，每个刀翼3位于牙轮切削轨迹的内包络线6内设置有单排齿，该单排齿包括圆形PDC齿、圆锥形PDC齿、脊状齿、尖圆齿、旋转齿等。

本实用新型通过优化混合钻头的切削结构，除发挥圆形PDC齿与牙轮1的硬质合金切削齿2的协同破岩作用外，还在牙轮切削轨迹的内包络线6内依靠圆形PDC齿与异形切削齿的协同破岩作用，通过平衡内包络线6内外两大区域的破岩效率，在硬地层和软硬交错地层中实现提高钻头机械钻速和钻头寿命以及降低钻井周期和钻井费用的目的。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。