一种定向喷射冷却PDC钻头的制作方法

一种定向喷射冷却pdc钻头
技术领域
1.本实用新型属于石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体而言，涉及一种定向喷射冷却pdc钻头。


背景技术：

2.pdc钻头自20世纪80年代使用以来，由于其独特的剪切破岩方式，在钻软到中等硬度甚至高硬度的均质砂泥岩地层中机械钻速高、工作寿命长，已经成为油气钻井的主力钻头；而pdc钻头的水力结构设计主要包括喷嘴和流道两个部分,针对相应的岩性特点，主要是在刀翼数量与布局、复合片强度与布齿、倾角大小、剖面布局、冠面类型及喷嘴流道设计等方面进一步优化，近年来，随着材料的改良和设计软件的进步，各厂家在取得进尺更多、机械钻速更快或两者兼顾的目标下，钻头结构设计基本达到最优化。
3.现如今为了强化钻井参数，通常采用高钻压、高排量、高转速钻井，经常将pdc钻头直接配合高速螺杆或涡轮钻具进行使用，从而使钻井过程中钻头转速达到200～1000rpm。随着转速越高，pdc钻头上的切削齿在切削岩石过程中的线速度越高，切削齿在破岩过程中产生的热量不能在短时间内散失，切削齿和岩石的瞬间温度升高，使切削齿的热稳定性大大降低，当切削齿的温度达到750℃时会产生横穿切削齿的微裂纹，当切削齿的温度高于750℃时，切削齿的磨损则会更加严重，从而给严重影响了pdc钻头的寿命。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种定向喷射冷却pdc钻头，以解决上述问题。
5.为实现本实用新型目的，采用的技术方案为：一种定向喷射冷却pdc钻头，包括钻头主体、若干个刀翼，且每个刀翼上均设置有切削齿；所述钻头主体上还设有多组定向喷嘴和常规喷嘴，每组定向喷嘴的出口分别与每个刀翼上的切削齿对应。
6.进一步的，每组所述定向喷嘴中的定向喷嘴为多个，多个定向喷嘴的出口共同与刀翼上的多个切削齿齿尖对应。
7.进一步的，所述刀翼的前刀面上还设有凸台，同组定向喷嘴均位于凸台上。
8.进一步的，所述定向喷嘴位于相邻两个刀翼之间的排屑槽内。
9.进一步的，所述定向喷嘴位于相邻刀翼的后刀面上。
10.进一步的，所述定向喷嘴内还安装有喷头，多组定向喷嘴内的喷头出口分别与刀翼上的切削齿对应。
11.进一步的，所述定向喷嘴顶面低于切削齿的齿孔下缘。
12.进一步的，所述定向喷嘴为一端呈封闭状的管状，且定向喷嘴的封闭端开设有与切削齿对应的喷孔。
13.进一步的，所述喷孔的倾斜度为10
°
～170
°
。
14.进一步的，相邻两个所述刀翼之间的排屑槽内还设有常规喷嘴。
15.本实用新型的有益效果是,
16.本实用新型在钻进过程中，从定向喷嘴嘴喷射出的泥浆，定向喷射到切削齿切削岩石的齿尖部位，对切削齿起到快速冷却、降温效果，防止切削齿因切削热产生热损伤，不仅使切削齿的性能大大提高，延长钻头的寿命，提高钻头的进尺，且通过定向喷嘴喷射的泥浆还可将切削齿切削产生的岩屑进行清除，使岩屑不会粘附在切削齿上，防止钻头泥包；同时，定向喷嘴喷射的泥浆流速快、压力大，能够辅助切削齿破岩，提高钻头的破岩效率。
附图说明
17.图1是本实用新型提供的定向喷射冷却pdc钻头的结构图；
18.图2是本实用新型提供的定向喷射冷却pdc钻头的俯视图；
19.图3是喷头的结构图。
20.附图中标记及相应的零部件名称：
21.1、钻头主体，2、刀翼，3、切削齿，4、喷头，5、凸台，6、定向喷嘴，7、喷孔，8、常规喷嘴。
具体实施方式
22.下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。
23.如图1、图2所示，本实用新型提供的一种定向喷射冷却pdc钻头，包括钻头主体1、若干个刀翼2，若干刀翼2沿钻头主体1圆周间隔布置，每个刀翼(2)下端均具有保径结构，且每个刀翼2上布设有多组切削齿3，多组切削齿3沿刀翼2的宽度方向间隔排布，且每组切削齿3中的多个切削齿3沿刀翼2的轴线方向均匀间隔排布，其中一组切削齿3位于刀翼2切削方向的棱边上，使钻头的切削效率更高。
24.所述钻头主体1上还设有多组定向喷嘴6，每组定向喷嘴6的进口端均与钻头主体1上的中心水孔连通，从而无需单独设计多个定向喷嘴6的进入通道；所述定向喷嘴6的组数与刀翼2的数量相等，使每个刀翼2对应一组定向喷嘴6，且每组定向喷嘴6与对应刀翼2上的切削齿3对应，使通过定向喷嘴6定向喷出的泥浆可直接精准喷射到切削齿3切屑岩石的齿尖部位上，使切削齿3在对岩石进行切削的同时可瞬时降温冷却，不仅使切削齿3的性能大大提高，延长钻头的寿命，提高单只钻头的进尺，且由于定向喷嘴6的孔径相对钻头主体1上原有的喷嘴孔径更小，使通过定向喷嘴6喷射出的泥浆速度更快，压力更大，使通过定向喷嘴6喷射出的泥浆还可将切削齿3切削产生的岩屑进行清除，防止岩屑粘附在切削齿3上，防止钻头泥包；同时，定向喷嘴6喷射的泥浆还能够辅助切削齿3破岩，提高钻头的破岩效率。
25.每组所述定向喷嘴6中的定向喷嘴6为多个，每组定向喷嘴6中的多个定向喷嘴6的排布方向与刀翼2上切削齿3的排布方向一致，且每组定向喷嘴6中的多个定向喷嘴6出口与同一刀翼2上的多个切削齿3共同对应，使同一刀翼2上的多个切削齿3均能通过定向喷嘴6喷射出的泥浆快速降温冷却，保证了钻头的质量和钻进的效率。
26.所述刀翼2的侧壁上还设有凸台5，凸台5的外侧壁呈倾斜状，即凸台5的宽度从刀翼2的根部至刀翼2的冠部逐渐增大，且凸台5自身与钻头主体1为一体结构，凸台5的高度略低于刀翼2的切削齿3的齿孔下缘，从而使钻头在钻进过程中，凸台5并不会影响钻头的钻进，使钻头的钻进质量得到保障；同组定向喷嘴6均位于凸台5上，使定向喷嘴6出口与切削齿3之间的距离更小，通过定向喷嘴6喷射出的泥浆更加集中，此时定向喷嘴6喷射处的泥浆
速度更快，使定向喷嘴6喷射出的泥浆作用到切削齿3上的效果更好，使切削齿3的冷却效果更好。
27.本实用新型中的定向喷嘴6还可位于相邻两个刀翼2之间的排屑槽内，此时定向喷嘴6出口与切削齿3之间的距离虽增大，但通过定向喷嘴6定向喷射出的泥浆更加分散，使一个喷射嘴喷射出的泥浆可同时作用多个切削齿3，可减小喷射嘴的数量，且泥浆作用到切削齿3上的作用力相对减小，切削齿3的冷却效率会相对降低。
28.本实用新型中的定向喷嘴6还可位于相邻刀翼2的后刀面上，此时定向喷嘴6喷射方向更容易控制。更能够实现精准喷射的目的，通过泥浆进行降温冷却，使刀翼2上的切削齿3的性能得到保证。
29.本实用新型中的定向喷嘴6的出口端还可设计成椭圆锥形，定向喷嘴6出口端开度大于定向喷嘴6进口端开度，使定向喷嘴6出口端呈扁平状，使通过定向喷嘴6喷射出的泥浆呈扇形状，使通过一个定向喷嘴6喷射出的泥浆可同时覆盖多个切削齿3，使泥浆的覆盖范围更广，使定向喷嘴6的数量可相应的减小。
30.为了方便对定向喷嘴6的加工，可在定向喷嘴6内直接安装喷头4，将喷头4焊接在定向喷嘴6内，并使喷头4的出口与切削齿3的齿尖对应，使钻头在加工时只需在钻头主体1上开设定向喷嘴6，然后调节好喷头4的安装位置，最后将喷头4焊接在定向喷嘴6内即可；同时，为了防止喷头4安装在定向喷嘴6内后喷射嘴的端部处产生涡流，可在定向喷嘴6的出口处开设台阶，将喷头4焊接固定后，喷头4内壁与定向喷嘴6内壁平齐，使泥浆在通过时处于平流状态，避免喷头4端部产生的涡流对泥浆喷射速度造成阻碍，使喷射出的泥浆的速度更加稳定。
31.为了避免因喷头4过高而影响钻头的钻井，本实用新型中的定向喷嘴6顶面或喷头4顶面均低于切削齿的齿孔下缘，保证定向喷嘴6和喷头4使用寿命的同时保证了钻头的钻进。
32.本实用新型中提供的喷头4为一端呈封闭状的管状，喷头4的敞开端安装在定向喷嘴6内，喷头4的封闭端朝向切削齿3，且喷头4的封闭端开设有与切削齿3对应的喷孔7，带有不同倾斜角度喷孔8的喷头4，可以满足不同位置切削齿的定向喷射要求，让钻头加工更加简单。
33.如图3所示，所述喷头4内壁顶部呈圆锥状，其锥度与喷孔7的倾斜度一致，使泥浆在进入到喷头4内部向喷孔7内流动时更加顺畅，减小泥浆在喷射过程中产生的涡流，降低了泥浆在喷射过程中的能量虽好，使泥浆喷射到切削齿3上的作用力更加稳定，使切削齿3的冷却效果得到保证，对切削齿3周围岩屑的清理和破除效果更好。
34.本实用新型中喷孔7的倾斜度为10
°
～170
°
，且喷孔7的具体倾斜度可根据喷头4的安装方向和定向喷嘴6的出口方向进行调节，最终保证喷孔7与刀翼2上的切削齿3齿尖对应即可；同时，本实用新型中相邻两个所述刀翼2之间的排屑槽内还设有常规喷嘴8。
35.本实用新型中的定向喷嘴6可直接为开设在钻头本体上的通孔；同时，由于钻头钻进过程中刀翼2轮廓处的切削齿3的切削效率更高，即本实用新型通过定向喷嘴6喷射出的泥浆主要用于对刀翼2轮廓处的切削齿3进行冷却，且在对此处切削齿3冷却的同时，定向喷嘴6喷射出的泥浆溢流到刀翼2的冠部，使刀翼2上其余切削齿3也可进行降温冷却。
36.本实用新型能完全满足高速螺杆钻具和涡轮钻具的转速，使本实用新型提供的钻
头可直接用于高速螺杆钻具和涡轮钻具上，使钻头的使用寿命得到保证。
37.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。