專利名稱：一種用于地層鉆井的低阻力金剛石鉆頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于地層鉆井用的金剛石鉆頭。
背景技術(shù)：
近年來，金剛石鉆頭在地層鉆井工程中得到了廣泛地應(yīng)用。金剛石鉆頭由鉆頭體、切削齒、保徑墊和水力結(jié)構(gòu)等組成，它是通過其切削齒與地層巖石的接觸對其產(chǎn)生擠壓和剪切巖層來破碎巖石的。為了防止鉆頭在工作時由于地層巖石的磨損而導(dǎo)致鉆頭直徑縮小，即所謂“縮徑”，在鉆頭的外側(cè)布置有一定數(shù)量的保徑齒，同時在鉆頭的保徑墊上布置有耐磨、耐沖擊的鑲塊。
通常金剛石鉆頭在工作時扭矩較大，在嚴重的情況下甚至會引起井下動力鉆具的失速。這一方面是由于金剛石鉆頭主要是通過剪切作用破碎巖石，工作過程中產(chǎn)生的周向剪切力反作用于鉆頭使其產(chǎn)生較大的扭矩，另一方面是由于這種鉆頭保徑面的面積一般都比較大，與粗糙的井壁接觸時會產(chǎn)生較大的旋轉(zhuǎn)阻力，從而使鉆頭工作的扭矩增加。過高的鉆頭工作扭矩會增加鉆具負荷，降低鉆機壽命，同時還可能觸發(fā)井下事故，因此人們不斷的研究如何能夠有效降低金剛石鉆頭的工作扭矩。
為了達到這個目的，一種常用的方式是改進鉆頭的布齒方式。例如增加切削齒的后傾角、在切削齒后方設(shè)計能夠限制切削齒切入地層深度的“減振墊”，或者增加切削齒的布置密度，等等。這些方法都是通過減小切削齒的在單位時間內(nèi)的工作量來達到在一定程度上減小鉆頭扭矩的目的，但這卻是以犧牲切削齒的工作效率為代價的，在很多以機械鉆速為第一需求的工程應(yīng)用中，這種方法是否可取是值得商榷的。
另外一種方式是減小鉆頭工作時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)摩擦阻力，從而降低鉆頭的旋轉(zhuǎn)扭矩。為了達到這個目的，一種最為常見的結(jié)構(gòu)就是所謂“低磨阻”保徑墊，這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于在鉆頭的保徑墊上平鑲耐磨、耐沖擊的鑲塊，例如硬質(zhì)合金塊，然后通過機械加工手段，例如用磨床磨削保徑墊，使表面光滑，從而達到減小保徑墊與井壁的摩擦的作用。但是現(xiàn)場使用表明，這種結(jié)構(gòu)只能保證鉆頭的保徑能力，而很難達到減小摩擦從而降低扭矩的作用，因為鉆頭在井底工作時保徑墊表面處于井壁巖石的長期磨蝕作用下，往往使用一段時間后其表面就變得非常粗糙，反面增大了摩擦。另一種結(jié)構(gòu)是采用所謂“分段式”保徑的方法，即在同一保徑墊上設(shè)計不同直徑的部分，將一個保徑分成大小不同的若干段，這樣減小了最初時保徑墊與井壁的接觸面積，能夠起到一定的降低旋轉(zhuǎn)摩擦扭矩的作用，中國專利93214106描述了這種方法。但這種方法的缺點一是在于當鉆頭保徑墊磨損到一定程度后，保徑墊的各部分直徑就變得一樣，其與井壁的接觸阻力就變得與普通鉆頭一樣高，二是鉆頭的保徑墊長度有限，為了達到“分段”的目的只能減小鉆頭公稱直徑段保徑墊(即第一級保徑)的長度，這樣反而降低了鉆頭最初的保徑能力，使“縮徑”現(xiàn)象發(fā)生的可能性大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)在技術(shù)存在的不足而提供一種對保徑結(jié)構(gòu)進一步改進的用于地層鉆井的低阻力金剛石鉆頭，它不僅使鉆頭保持有較強的保徑能力，而且能減小保徑墊與井壁間的旋轉(zhuǎn)阻力，從而降低金剛石鉆頭的工作扭矩。
本實用新型為解決上述提出的問題所采用的技術(shù)方案為包括有鉆頭體6和水力結(jié)構(gòu)4，鉆頭體的下端布設(shè)有切削齒1和保徑齒2，在保徑齒的上方沿鉆頭體周向安設(shè)有塊狀保徑墊，其不同之處在于所述塊狀保徑墊部分或全部為軸向長度小于保徑墊總長的短保徑墊3。
按上述方案，所述的全部保徑墊為短保徑墊，每塊短保徑墊的長度等于1/2～2/3保徑墊總長L，且各短保徑墊沿鉆頭體周向上下相互交錯排列布設(shè)，即各相鄰短保徑墊在保徑墊總長范圍內(nèi)上下交錯換位布設(shè)，上下位兩塊保徑墊上下兩端頭的最大軸向間距為保徑墊總長L。
按上述方案，所述的部分保徑墊為短保徑墊，余下部分的保徑墊為軸向長度等于總保徑墊長度的保徑墊，短保徑墊與保徑墊沿鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)，即長短交錯布設(shè)。
為解決本實用新型提出的技術(shù)問題所采用的第二個技術(shù)方案為包括有鉆頭體6和水力結(jié)構(gòu)4，鉆頭體的下端布設(shè)有切削齒1和保徑齒2，在保徑齒的上方沿鉆頭體周向安設(shè)有塊狀保徑墊，其不同之處在于所述塊狀保徑墊中設(shè)有半徑小于1/2鉆頭公稱直徑的小徑保徑墊。
按上述方案，所述的小徑保徑墊的半徑小于1/2鉆頭公稱直徑的量為0.5～5毫米，通常為1～3毫米。所述的小徑保徑墊可為整段保徑墊的半徑小于1/2鉆頭公稱直徑；或為保徑墊的1/3～2/3分段的半徑小于1/2鉆頭公稱直徑，余下段的半徑等于1/2鉆頭公稱直徑的分段式小徑保徑墊。
按上述方案，在鉆頭體周向布設(shè)的保徑墊均為分段式小徑保徑墊，且分段式小徑保徑墊沿周向相互交錯排列布設(shè)，即第一個小徑朝下，第二個小徑向上。
按上述方案，在鉆頭體周向布設(shè)的保徑墊一部分為小徑保徑墊，小徑保徑墊與保徑墊沿周向相互交錯排列布設(shè)。
按上述方案，所述的保徑墊和/或小徑保徑墊可為軸向長度小于總保徑墊長度的短保徑墊，所述的短保徑墊等于1/2～2/3保徑墊總長；短保徑墊沿鉆頭體周向上下相互交錯排列布設(shè)，即各相鄰短保徑墊在保徑墊總長范圍內(nèi)上下交錯換位布設(shè)，其中上下位兩塊保徑墊上下兩端頭的最大軸向間距為保徑墊總長L。也可短保徑墊與保徑墊沿鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)，即長短交錯相結(jié)合布設(shè)。
本實用新型的有益效果在于在保持保徑墊總長不變的情況下，通過設(shè)置短保徑墊和小徑保徑墊，使保徑墊與井壁的接觸面減小，接觸阻力相應(yīng)減少，這樣不僅使金剛石鉆頭能保持較強的保徑能力，而且減小了保徑墊與井壁間的旋轉(zhuǎn)阻力，從而有效地降低金剛石鉆頭的工作扭矩，達到節(jié)省能耗，提高鉆井效率，降低鉆井綜合成本的目的。


圖1為本實用新型一個實施例的正剖視圖。
圖2為本實用新型第二個實施例的正剖視圖。
圖3、圖4為本實用新型第三個實施例的正剖視圖。
圖5為本實用新型第四個實施例的正剖視圖。
圖6為本實用新型第五個實施例的正剖視圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的實施例。
第一個實施例如圖1所示，包括有鉆頭體6和水力結(jié)構(gòu)4，在鉆頭體的下端冠部布設(shè)有切削齒1和保徑齒2，在保徑齒上方沿鉆頭體周向安設(shè)有上下相互交錯排列的短保徑墊3，上、下短保徑墊的長度相加L1+L2等于保徑墊總長L，其中可取L1＝L2＝1/2L；在短保徑墊上平鑲有耐磨鑲塊5，耐磨鑲塊由硬質(zhì)合金塊制成，其端頭與短保徑墊持平或略高。
第二個實施例如圖2所示，它與上一個實施例的主要不同之處在于上、下短保徑墊的長度相加L1+L2大于保徑墊總長L，其中每塊短保徑塊的長度均大于1/2L。上下位兩塊短保徑墊上下兩端頭的最大軸向間距為保徑墊總長L。
本實用新型第三個實施例如圖3、4所示，它的特點是在鉆頭體周向相互交錯排列安設(shè)分段式小徑保徑墊7，其中每塊分段式小保徑墊的長度為保徑墊總長L，每塊分段式小保徑墊上存在有其半徑小于1/2鉆頭公稱直徑的保徑墊分段，而半徑等于1/2鉆頭公稱直徑的余下分段保徑墊的長度相加L3+L4＝L，且相互交錯，即第一個小徑朝下，第二個小徑向上。在整個保徑墊上均可平鑲耐磨鑲塊5，如圖3所示，也可在半徑等于1/2鉆頭公稱直徑的保徑墊上平鑲耐磨鑲塊5，在小徑保徑墊上安設(shè)切削齒8，切削齒的齒頂與保徑墊齊平，由此均成帶切削齒的保徑墊，如圖4所示。
第四個實施例如圖5所示，它的主要特點是沿鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)短保徑墊3和分段式小徑保徑墊7，即一塊短保徑墊相鄰塊為分段式小徑保徑墊，且短保徑墊在上，分段式小徑保徑墊的小徑朝上，且短保徑墊長度L1等于小徑保徑墊長度(L-L4)。整個保徑墊上均可平鑲耐磨鑲塊5。
第五個實施例如圖6所示，它的不同之處在于在鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)保徑塊10與分段式小徑保徑墊7，保徑墊長度為L，在保徑墊上平鑲有耐磨鑲塊5，在分段式小徑保徑墊上也可平鑲耐磨鑲塊5。
權(quán)利要求1.一種用于地層鉆井的低阻力金剛石鉆頭，包括有鉆頭體(6)和水力結(jié)構(gòu)(4)，鉆頭體的下端布設(shè)有切削齒(1)和保徑齒(2)，在保徑齒的上方沿鉆頭體周向安設(shè)有塊狀保徑墊，其特征在于所述塊狀保徑墊部分或全部為軸向長度小于保徑墊總長的短保徑墊(3)。
2.按權(quán)利要求1所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于所述的全部保徑墊為短保徑墊(3)，每塊短保徑墊的長度等于1/2～2/3保徑墊總長，且各短保徑墊沿鉆頭體周向上下相互交錯排列布設(shè)。
3.按權(quán)利要求1所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于所述的部分保徑墊為短保徑墊，余下部分的保徑墊為軸向長度等于總保徑墊長度的保徑墊，短保徑墊與保徑墊沿鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)。
4.按權(quán)利要求2或3所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于上、下短保徑墊的長度相加L1+L2等于保徑墊總長L，其中取L1＝L2＝1/2L。
5.按權(quán)利要求2所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于在短保徑墊上平鑲有耐磨鑲塊(5)。
6.按權(quán)利要求2所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于上、下短保徑墊的長度相加L1+L2大于保徑墊總長L。
7.一種用于地層鉆井的低阻力金剛石鉆頭，包括有鉆頭體(6)和水力結(jié)構(gòu)(4)，鉆頭體的下端布設(shè)有切削齒(1)和保徑齒(2)，在保徑齒的上方沿鉆頭體周向安設(shè)有塊狀保徑墊，其特征在于所述塊狀保徑墊中設(shè)有半徑小于1/2鉆頭公稱直徑的小徑保徑墊。
8.按權(quán)利要求7所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于所述的小徑保徑墊的半徑小于1/2鉆頭公稱直徑的量為0.5～5毫米。
9.按權(quán)利要求7或8所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于所述的小徑保徑墊為整段保徑墊的半徑小于1/2鉆頭公稱直徑，或為保徑墊的1/3～2/3分段的半徑小于1/2鉆頭公稱直徑，余下段的半徑等于1/2鉆頭公稱直徑的分段式小徑保徑墊(7)。
10.按權(quán)利要求9所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于在鉆頭體周向布設(shè)的保徑墊均為分段式小徑保徑墊(7)，且分段式小徑保徑墊沿周向相互交錯排列布設(shè)。
11.按權(quán)利要求7或8所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于在鉆頭體周向布設(shè)的保徑墊一部分為小徑保徑墊，小徑保徑墊與保徑墊沿周向相互交錯排列布設(shè)。
12.按權(quán)利要求10所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于所述的保徑墊和/或小徑保徑墊為軸向長度小于總保徑墊長度的短保徑墊，所述的短保徑墊等于1/2～2/3保徑墊總長。
13.按權(quán)利要求9所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于在半徑等于1/2鉆頭公稱直徑的保徑墊上平鑲耐磨鑲塊(5)，在小徑保徑墊上安設(shè)切削齒(8)，切削齒的齒頂與保徑墊齊平。
14.按權(quán)利要求9所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于沿鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)短保徑墊(3)和分段式小徑保徑墊(7)，即一塊短保徑墊相鄰塊為分段式小徑保徑墊，且短保徑墊在上，分段式小徑保徑墊的小徑朝上，且短保徑墊長度L1等于小徑保徑墊長度。
15.按權(quán)利要求7或8所述的低阻力金剛石鉆頭，其特征在于在鉆頭體周向相互交錯排列布設(shè)保徑塊(10)與分段式小徑保徑墊(7)，保徑墊長度為L，在保徑墊上平鑲有耐磨鑲塊(5)，在分段式小徑保徑墊上也平鑲耐磨鑲塊(5)。
專利摘要本實用新型涉及一種用于地層鉆井用的低阻力金剛石鉆頭。它包括有鉆頭體和水力結(jié)構(gòu)，鉆頭體的下端布設(shè)有切削齒和保徑齒，在保徑齒的上方沿鉆頭體周向安設(shè)有塊狀保徑墊，其不同之處在于所述塊狀保徑墊部分或全部為軸向長度小于保徑墊總長的短保徑墊；或所述塊狀保徑墊中設(shè)有半徑小于1/2鉆頭公稱直徑的小徑保徑墊。本實用新型的有益效果在于在保持保徑墊總長不變的情況下，通過設(shè)置短保徑墊和小徑保徑墊，使保徑墊與井壁的接觸面減小，接觸阻力相應(yīng)減少，這樣不僅使金剛石鉆頭能保持較強的保徑能力，而且減小了保徑墊與井壁間的旋轉(zhuǎn)阻力，從而有效地降低金剛石鉆頭的工作扭矩，達到節(jié)省能耗，提高鉆井效率，降低鉆井綜合成本的目的。
文檔編號E21B10/46GK2727379SQ20042006486
公開日2005年9月21日 申請日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月7日
發(fā)明者張建平 申請人:江漢石油鉆頭股份有限公司