一种PDC钻头的制作方法

一种pdc钻头
技术领域
1.本实用新型属于钻井零部件领域，具体涉及一种pdc钻头。


背景技术：

2.由于随着石油工业的发展，石油钻探向深层发展，向高温、高压和高强度的地层发展，在恶劣的地质条件下会导致所钻的岩屑无法成型，难以分辨提取地质信息，同时取芯工作增加难度，增加成本和时间，深部地层的机械钻速低也导致成本的快速上升。在钻探的过程中，钻头在复杂的环境中没有一个导向性的结构，经常会发生打滑的现象，导致钻头的切削齿受到异向的冲击力而崩碎，大大降低了钻头的使用寿命，加重了钻探的成本。另外，在钻探的过程中经常会发生“顶心”的现象，导致钻头钻进效率大大降低，进一步加重了钻探的成本。
3.对于上述缺陷，申请号为201520075307的实用新型专利提出了一种防滑pdc，通过在钻头中心未切割到的岩层则形成一个与限位孔等径的岩柱，该岩柱由限位孔进入钻头主体内部，钻头在该岩柱的导向下沿着岩柱向下钻进，很好的避免了钻头在钻进的过程中发生打滑的现象，避免了钻头的受到异向的冲击力，且设置有排杂孔能够将限位柱内的岩屑排出空腔，很好的避免岩屑堵塞在空腔内造成“顶心”现象的发生，进一步提高了钻头的使用效率，提高了钻头的使用寿命。
4.同时，申请号为201520075329的实用新型专利公开了一种定位型pdc钻头，通过在钻头上设置定位片，该定位片设置在钻头底座的轴心位置，且高出最高的刀具2-3mm，在钻头钻进的过程中定位片首先与岩层相接触，并在岩层上钻出一个小坑，钻头主体在该小坑的定位下向前钻进，很好的避免了钻头在钻进的过程中发生打滑或“顶心”的现象，更好的对钻头的钻进方向进行定位，大大提高了钻头的使用效率，同时避免了钻头打滑还能够避免钻头受到异向力的冲击，降低了钻头损坏的几率，提高了钻头的使用寿命，改善了钻头的工作状态。
5.但是，在含“燧石”结核的中硬地层时，遇到致密地层，而且研磨性较强的地层时，限位孔结构不能有效的吃入地层，会发生横向滑动，中心定位pdc钻头尽可能的减小了横向滑动，但依然吃入地层效率较差。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型目的在于提供一种pdc钻头。
7.本实用新型所采用的技术方案为：
8.一种pdc钻头，包括钻头主体，钻头主体的顶端均匀设置有若干刀具，刀具沿钻头主体周向边缘的高度高于钻头主体中心的高度，刀具上设置有若干主切削齿，主切削齿用于对地层进行切削，刀具上还设置有若干预破碎齿，预破碎齿用于对地层进行预破碎，钻头主体顶部中心开设有微芯结构，微芯结构用于在钻头吃入地层时防止打滑和对钻头进行导向。
9.进一步地，微芯结构包括开设在钻头主体顶部中心区域的限位孔，限位孔内部设置有内置刀台。
10.进一步地，限位孔的直径为10～20mm。
11.进一步地，主切削齿沿刀具的一侧边缘连续分布，预破碎齿连续分布在主切削齿的一侧。
12.进一步地，预破碎齿的高度高于主切削齿的高度。
13.进一步地，钻头主体上还开设有排杂槽，微芯结构与排杂槽连通，排杂槽开设在两相邻刀具之间，排杂槽用于将钻头主体顶部中心聚集的杂物从钻头主体的周向排出。
14.本实用新型的有益效果为：
15.(1)本实用新型提供了一种pdc钻头，通过在钻头主体的顶端周向上均匀设置有若干刀具，刀具沿钻头主体周向边缘的高度高于钻头主体中心的高度，从而使得钻头主体的顶部的中心形成锥形的凹槽，在钻头向下吃入地层时，钻头的竖直截面为倒v形，微芯结构设置在倒v形截面的顶角处，微芯结构在钻头中心未切割到的岩层则形成一个小型的岩柱，钻头在该岩柱的导向下沿着岩柱向下钻进，很好的避免了钻头在钻进的过程中发生打滑的现象，避免了钻头的受到异向的冲击力，提高了钻头的使用寿命。
16.(2)同时，本实用新型的刀具上设置有若干主切削齿，主切削齿用于对地层进行切削，刀具上还设置有若干预破碎齿，预破碎齿用于对地层进行预破碎，利用预破碎齿预先接触井底致密地层时，对地层进行预破碎改善地层致密程度，给主切削齿吃入地层创造条件，提高钻头的切削效率，从而有效地提高了吃入地层的效率。
附图说明
17.图1是本实用新型的俯视示意图。
18.图2是本实用新型的正视示意图。
19.图中：1-钻头主体，2-刀具，3-主切削齿，4-预破碎齿，5-排杂槽，6-限位孔。
具体实施方式
20.实施例一：
21.在本实施例中，如图1和图2所示，一种pdc钻头，包括钻头主体1，钻头主体1的顶端均匀设置有若干刀具2，刀具2沿钻头主体1周向边缘的高度高于钻头主体1中心的高度，即钻头主体1顶部的四周高，中间低，在切削时，若干刀具2在钻头主体1顶部的中心形成锥形的空间，从而使得在钻头吃入地层时，钻头主体1的顶部的中心形成直径10～20mm微芯结构，微芯结构的限位孔6在钻头主体1中心形成岩芯柱，钻头主体1在该岩芯柱的导向下沿着岩柱向下钻进，很好的避免了钻头主体1在钻进的过程中发生横向打滑的现象，避免了钻头主体1的受到异向的冲击力，提高了钻头的使用寿命，同时避免了中心较低线速度的区域切削效率低的问题，提高了工作效率。
22.在本实施例中，具体的，钻头主体1顶部的若干刀具2空余出中心线速度较低的区域，即钻头主体1中心直径10～20mm的区域，在本实施例中，钻头主体1顶部的若干刀具2空余出中心线速度较低的区域即为限位孔6所在的区域。
23.在本实施例中，微芯结构包括设置在限位孔6内的内置刀台，限位孔6的范围包括
从钻头主体1顶面往下16～18mm区域，具体的，限位孔6的深度为18mm，即从钻头主体1顶面往下18mm区域的范围内均设置有内置刀台，在致密地层工作时，避免了中心线速度较低的区域无法吃入地层导致机械钻速低的现象，限位孔6顶部线速度较低的区域形成的岩芯柱被内置刀台切断成碎块，并从旁边的排杂槽5排出，微芯结构对硬地层钻进解决中心吃入问题，提高钻头的机械钻速。
24.同时，刀具2上设置有若干主切削齿3，主切削齿3用于对地层进行切削，刀具2上还设置有若干预破碎齿4，预破碎齿4用于对地层进行预破碎，利用预破碎齿4预先接触地底致密地层时，对地层进行预破碎改善地层致密程度，给主切削齿3吃入地层创造条件，提高钻头的切削效率，从而有效地提高了吃入地层的效率。
25.在本实施例中，具体的，本实用新型的钻头在接触井底开始钻进时，仅外锥部位的预破碎齿4接触井底，与常规钻头相比接触地层的接触面积较小，地层受到的切削应力更高，容易吃入地层，降低了单只钻头破岩所需的钻压和钻头扭矩，提高了外锥部位的切削效率。当预破碎齿4部位对应的井底地层被破碎以后，形成内部相对较高的锥形岩石凸台，地层围压强度大大降低，部分切削齿可对凸起的岩石产生拉伸劈裂破坏，在钻压与扭矩作用下微裂纹不断产生、汇聚和贯通，形成较大块岩屑，由于岩石抗拉强度仅约为抗压强度的1/10，进一步降低了单位体积岩石破碎所需的能量需求。因此钻头主体1顶部若干刀具2形成的锥形区大幅降低了主切削齿3切削齿破岩所需的钻压和钻头扭矩，极大的提升了主切削齿3切削齿的破岩效率。
26.钻头主体1顶部若干刀具2形成的锥形区降低了单只钻头破岩所需的钻压和钻头扭矩，为钻头获得足够的破岩能量创造了条件，解决了硬地层破岩需求大能量的问题，提高了钻头破岩效率和机械钻速，钻头破岩所需扭矩的降低也有利于粘滑运动的缓解和预防。且由于锥形岩石凸台的存在，对钻头起到了良好的扶正作用，抑制了钻头横向滑动，使钻头保持较为平稳的转动。因此，本实用新型提高和动态平衡了钻头内外锥之间的破岩效率，增强了钻头工作的稳定性，可在常规pdc钻头使用效果不佳的硬地层和软硬交错地层中提高机械钻速，延长钻头寿命，拓宽了pdc钻头提速的使用范围。
27.在本实施例中，如图1和图2所示，主切削齿3沿刀具2的一侧边缘连续分布，预破碎齿4连续分布在主切削齿3的一侧。
28.在本实施例中，具体的，预破碎齿4的形状为尖圆齿，尖圆齿的齿尖高出主切削齿3顶部。
29.在本实施例中，具体的，若干刀具2上的主切削齿3均设置在同一侧，且均设置在刀具2切削方向的一侧，即刀具2率先与地层接触的一侧。
30.在本实施例中，具体的，预破碎齿4的高度高于主切削齿3的高度，因为预破碎齿4超出刀具2切削面的高度大于主切削齿3超出刀具2切削面的高度，因此，在切削时，预破碎齿4率先与地层接触，破坏地层的致密程度，改善主切削齿3的作业环境，提高了主切削齿3的使用寿命。
31.在本实施例中，如图1和图2所示，钻头主体1上还开设有排杂槽5，排杂槽5开设在两相邻刀具2之间，排杂槽5用于将钻头主体1顶部中心聚集的杂物从钻头主体1的周向排出。
32.在本实施例中，如图1和图2所示，钻头主体1顶部中心开设有限位孔6，限位孔6与
排杂槽5连通。
33.在本实施例中，具体的，限位孔6的直径为10～20mm，在本实施例中，限位孔6的直径为20mm，中心限位孔6的尺寸不宜过大，限位孔6尺寸过大会使得中心起导向作用的岩柱尺寸变大，而不利于钻头切削；同时，中心限位孔6的尺寸也不宜过小，限位孔6尺寸过小会使得中心起导向作用的岩柱尺寸变小，从而失去导向作用，或引起顶心现象。
34.实施例二：
35.本实施例在实施例一的基础上，为预破碎齿4的结构提供另一种可选方案。
36.在本实施例中，一种pdc钻头，包括钻头主体1，钻头主体1的顶端均匀设置有若干刀具2，刀具2沿钻头主体1周向边缘的高度高于钻头主体1中心的高度，即钻头主体1顶部的四周高，中间低，从而使得在钻头吃入地层时，钻头主体1的顶部的中心形成锥形的凹槽，锥形的凹槽在钻头主体1中心未切割到的岩层则形成一个小型的岩柱，钻头主体1在该岩柱的导向下沿着岩柱向下钻进，很好的避免了钻头主体1在钻进的过程中发生打滑的现象，避免了钻头主体1的受到异向的冲击力，提高了钻头的使用寿命。
37.同时，刀具2上设置有若干主切削齿3，主切削齿3用于对地层进行切削，刀具2上还设置有若干预破碎齿4，预破碎齿4用于对地层进行预破碎，利用预破碎齿4预先接触地底致密地层时，对地层进行预破碎改善地层致密程度，给主切削齿3吃入地层创造条件，提高钻头的切削效率，从而有效地提高了吃入地层的效率。
38.在本实施例中，主切削齿3沿刀具2的一侧边缘连续分布，预破碎齿4连续分布在主切削齿3的一侧。
39.本实施例与实施例一的区别在于，预破碎齿4的形状三角锥型齿，三角锥形齿的齿尖高出主切削齿3顶部，预破碎齿4的形状还可以为其他任意适合预破碎作业要求的形状，具体的，预破碎齿4不需要对底层进行完全的切削，只需破坏地层原有的致密结构，为主切削齿3的作业提供较好的工况，因此，预破碎齿4与地层接触的点较小即可。
40.在本实施例中，具体的，若干刀具2上的主切削齿3均设置在同一侧，且均设置在刀具2切削方向的一侧，即刀具2率先与地层接触的一侧。
41.在本实施例中，具体的，预破碎齿4的高度高于主切削齿3的高度，因为预破碎齿4超出刀具2切削面的高度大于主切削齿3超出刀具2切削面的高度，因此，在切削时，预破碎齿4率先与地层接触，破坏地层的致密程度，改善主切削齿3的作业环境，提高了主切削齿3的使用寿命。
42.在本实施例中，钻头主体1上还开设有排杂槽5，排杂槽5开设在两相邻刀具2之间，排杂槽5用于将钻头主体1顶部中心聚集的杂物从钻头主体1的周向排出。
43.在本实施例中，钻头主体1顶部中心开设有限位孔6，限位孔6与排杂槽5连通。
44.在本实施例中，具体的，限位孔6的直径为10～20mm，中心限位孔6的尺寸不宜过大，限位孔6尺寸过大会使得中心起导向作用的岩柱尺寸变大，而不利于钻头切削；同时，中心限位孔6的尺寸也不宜过小，限位孔6尺寸过小会使得中心起导向作用的岩柱尺寸变小，从而失去导向作用，或引起顶心现象。
45.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个
元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
46.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。