一种圆弧支柱型钻头的制作方法

本实用新型涉及PDC钻头领域，尤其涉及一种圆弧支柱型钻头。

背景技术：

PDC钻头的全称是人造聚晶金刚石复合片钻头，人造聚晶金刚石复合片它由两层组成，一层是聚晶金刚石切削层(一种人造超硬材料)；另一层是合金(碳化钨)衬底层。PDC钻头是用聚晶金刚石复合片镶嵌于钻头钢体(或焊接于钻头胎体)而制成的一种切削型钻头，它以聚晶金刚石复合片作为切削刃，以负刃前角剪切方式破碎岩石。

因PDC钻头在低钻压下能获得高钻速，在实际使用中，PDC钻头除常规钻直井外，还适于在易斜地区钻直井和水平钻井。然而，PDC钻头导向性不佳，通常需配合合适的底部钻具才能在易斜地区低钻压钻进，

有鉴于此，有必要对现有技术中的PDC钻头予以改进，以解决上述问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种圆弧支柱型钻头，通过将第二立柱的高度设置成高于第一立柱的高度，第二立柱位于中部，在钻孔时第二立柱上的第二PDC切削齿既能切削岩层，又能起到导向作用。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

一种圆弧支柱型钻头，包括钻头中心体、自钻头中心体的底端向下延伸的钻头基体，所述钻头中心体的顶面设有多个边缘刀翼和至少一个中心刀翼，多个所述边缘刀翼均匀分布，所述中心刀翼位于边缘刀翼的内部，所述边缘刀翼包括：第一立柱和第一水平柱，所述第一立柱的顶端与第一水平柱的一端固定连接，所述第一立柱的底端固定在钻头中心体的顶壁上，所述第一立柱的轴线与钻头中心体的轴线平行；

所述中心刀翼包括：第二立柱和第二水平柱，所述中心刀翼的结构与边缘刀翼的结构相同；

所述第二立柱的高度高于第一立柱的高度，各个所述第一水平柱、各个所述第二水平柱形成的切削轮廓与钻头钻进时的旋转方向一致。

作为本实用新型的进一步改进，所述钻头基体上设有螺旋状的排屑带，所述排屑带的侧壁形成螺旋壁，相邻的两个螺旋壁之间形成用于排出岩屑的螺旋排屑槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述排屑带为两条，两条排屑带相平行且等间距分布在钻头基体上，两条排屑带之间形成排屑槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一水平柱的周壁与前端面的连接处设有第一PDC切削齿，所述第二水平柱的周壁与前端面的连接处设有第二PDC切削齿，所述第一PDC切削齿、第二PDC切削齿均朝向钻头旋转方向。

作为本实用新型的进一步改进，所述螺旋排屑槽的螺旋角为20°-45°。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一水平柱、第二水平柱的周壁上均设有环状排屑槽，该环状排屑槽与螺旋排屑槽连通。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过将第二立柱的高度设置成高于第一立柱的高度，并将第二立柱设置在中部，使得本实用新型的圆弧支柱型钻头在钻削硬质岩层时，具有易切削、稳定性强、导向性好的优点。

附图说明

图1为圆弧支柱型钻头的结构示意图。

图2为边缘刀翼的结构示意图。

图3为中心刀翼的结构示意图。

图中：1、钻头中心体； 2、钻头基体；3、边缘刀翼；31、第一水平柱；32、第一立柱； 33、第一PDC切削齿；4、中心刀翼；41、第二水平柱；42、第二立柱； 43、第二PDC切削齿。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

为了解决传统的圆弧支柱型钻头刀翼为平面，钻削时阻力大，不易切削的、钻削硬质岩层时导向性差、切削效率低的缺陷。请参图1所示，图1为本实用新型的结构示意图，本实施例公开了的圆弧支柱型钻头，包括钻头中心体1、自钻头中心体1的底端向下延伸的钻头基体2，钻头中心体1的顶面设有多个边缘刀翼3和至少一个中心刀翼4，多个边缘刀翼3均匀分布，中心刀翼4位于边缘刀翼3的内部，如图2所示，边缘刀翼3包括：第一立柱32和第一水平柱31，第一立柱32的顶端与第一水平柱31的一端固定连接，第一立柱32的底端固定在钻头中心体1的顶壁上，第一立柱32的轴线与钻头中心体1的轴线平行；如图3所示，中心刀翼4包括：第二立柱42和第二水平柱41，中心刀翼4的结构与边缘刀翼3的结构相同；第二立柱42的高度高于第一立柱32的高度，第一水平柱31和第二水平柱41均朝向钻头的旋转方向。

本实施例通过将第二立柱42的高度设置成高于第一立柱32的高度，并将第二立柱42设置在中部，在钻削硬质岩层时，先将中心刀翼4上的第二PDC切削齿43接触岩层，钻头在旋转过程中，第二PDC切削齿43先切削岩层，随后第一PDC切削齿33再切削岩层，通过中心刀翼4的导向作用，使得圆弧支柱型钻头在钻削时稳定性更好，尤其适用于切削硬质岩层。在钻削硬质岩层时，具有易切削、稳定性强、导向性好的优点。

本实施例通过中心刀翼4高于边缘刀翼3，中心刀翼4在钻削时导向性好，减小了整个钻头切削时的阻力，具有易切削、导向性好的优点。

PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称，PDC钻头是使用金刚石和硬质合金基体组成的复合材料，具有硬度高、耐磨性强的特点。该钻头是地质钻探行业常用的一种钻井工具。现有的PDC钻头大致分为两种设计，一种是小尺寸两刀翼、双牙轮钻头，另一种为稍大尺寸的三刀翼、三牙轮钻头。这些钻头的设计基于四刀翼和六刀翼PDC 钻头，而副刀翼的位置则被短尺寸的牙轮所替代。这样，井眼的中心位置是由位于主刀翼上的PDC切削齿完成破岩的，而井眼外围部分的钻进由牙轮和刀翼上的切削齿共同完成，井眼外围部分的破岩难度较高，破岩效果主要取决于牙轮与刀翼的配合。

为了克服现有的钻头缺少排屑机构导致钻进效率低的缺陷，本实施例的圆弧支柱型钻头上还设有排屑机构，通过在钻头基体2上开设螺旋排屑槽，与钻杆配合便能很方便的将孔底的岩屑排出孔外。

钻进时，PDC钻头在钻压与扭矩作用下切削破岩使岩层孔不断加深，钻头运动的基本形式是向下旋转。钻头中心向下运动，其速度就是钻进时的钻速。钻头每一个切削齿的运动呈空间螺旋形轨迹，其速度取决于钻头的旋转速度与该切削齿距钻头中心的距离。在极软的高塑性地层中钻进时，切削齿在钻压作用下吃入岩石，旋转钻头便会使刃前岩石产生连续的塑性流动而呈片状、层状而被切削掉。

PDC钻头在塑胎生地层中钻进时，PDC钻头的切削齿在钻压的作用下吃入岩石，在扭矩作用下先于刃前的岩石发生碰撞，随着钻头转动，切削齿挤压刃前岩石，并产生小剪切破坏。当扭矩增大时，切削齿继续向前推进压碎刃前岩石，并将部分岩石压碎呈粉末。当扭力增大至岩石的强度极限时，岩石沿剪切面发生大块的剪切破碎，此后切削齿的扭力突然降低，紧接着随着钻头转动，切削齿便会又与岩石发生碰撞、挤压、剪切3种破岩过程，这样反复进行就是PDC钻头在塑胎生地层中钻进的过程。

本实施例采用的排屑方式是：在钻头基体2上设置钻削带，在钻头中心体1的周壁上设置排屑带，在钻杆上设置螺旋叶片，PDC切削齿切削下来的岩屑先经排屑带再经钻削带最后通过螺旋叶片排出。本实施例通过在钻头基体2上设置螺旋排屑槽，螺旋钻头在工作时具有排渣通畅的优点。本实施例在钻头中心体1、钻头基体2、钻杆上同时设置螺旋排屑槽，PDC切削齿切削下来的岩层直接经螺旋排屑槽逐步向后输送，直至排出孔外，钻头不断破岩，钻杆就连续排渣，获得较高的钻进效率。

优选钻削带为一条，沿钻头基体2的周向设置，相邻的两个螺旋壁之间形成用于排出岩屑的螺旋排屑槽，当然，当岩屑碎片较小时，可以通过轴向平行地设置两个、三个甚至更多钻削带。

优选排屑带为一条，沿钻头中心体1的周向设置，相邻的两个螺旋壁之间形成用于排出岩屑的螺旋排屑槽。优选钻头中心体1为锥形结构，钻头中心体1的大端与钻头基体2连接，钻头中心体1的小端端面上设置刀翼。锥形结构的钻头中心体1上，螺旋槽从深到浅形成，同时，排屑带外径从大到小形成，因而便于岩屑的压缩，利于岩屑整个过程的运输。当然，当岩屑碎片较小时，可以通过轴向平行地设置两个、三个甚至更多排屑带。

在进行钻孔时，螺旋状钻杆在孔中转动，螺旋状钻杆和孔壁构成了一个螺旋输送器，孔底岩屑就被钻杆上的螺旋叶片逐步向后输送，直至排出孔外。

通常来说，在圆柱面上，圆柱螺旋线的切线与通过切点的圆柱面直母线之间所夹的锐角，称为螺旋角。在圆锥面上，圆锥螺旋线的切线与通过切点的圆锥面直母线之间所夹的锐角，称为螺旋角。本实施例中螺旋排屑槽的螺旋角为20°-45°。当螺旋排屑槽的螺旋角选用45°时，45°螺旋角容屑空间大，刚性好，但没有20°螺旋角的排屑性能好；螺旋排屑槽的螺旋角选用20°时，20°的螺旋角排屑性能较好，但容屑空间有限，刚性不佳。在实际使用中，优选螺旋排屑槽的螺旋角为30°。本实施例的螺旋钻头适合中低速进给。

在实际使用中，优选钻头中心体1的外径大于钻头基体2的外径，钻头中心体1的周壁上均匀设置多个排屑槽，排屑槽为平面。由于孔底的岩屑能快速排出，岩屑在孔底不会堆积，使得PDC切削齿在工作时可直接接触岩层钻削，螺旋钻头具有钻削进度快、钻削阻力小的优点。

本实施例通过在钻头中心体1、钻头基体2、钻杆上同时设置螺旋排屑槽，PDC切削齿切削下来的岩层直接经螺旋排屑槽逐步向后输送，直至排出孔外，钻头不断破岩，钻杆就连续排渣，获得较高的钻进效率。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。