一種流道表面具有凹坑的抗泥包pdc鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體下部設有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭，上部設有若干刀翼，刀翼之間的溝槽形成鉆頭的流道槽，所述流道槽表面設有至少兩個凹坑，該凹坑底面為從坑底最深處向上延伸至流道槽表面的斜面。本實用新型能明顯減輕巖屑在流道槽的粘著趨勢，防止流道堵塞，達到抗泥包的目的，從而提高鉆頭鉆進效率，延長鉆頭使用壽命，降低鉆井成本。
【專利說明】 一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等鉆探設備【技術領域】，特別是涉及一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭。
【背景技術】
[0002]PDC鉆頭是一種利用聚晶金剛石復合片(即roc齒，亦簡稱切削齒或齒)對巖石產(chǎn)生刮切或剪切作用破巖的鉆頭，是現(xiàn)今鉆井工程中使用的主要破巖工具之一，特別是在中軟地層的鉆進中PDC鉆頭使用得最多。為了使鉆頭的切削結構和水力結構達到更好的工作效果，在設計、制造鉆頭時，通常按照一定的規(guī)律將PDC齒分成若干組，同組的roc齒固結在同一個齒座上，每個齒座以及分布于其上的PDC齒構成一個切削結構單元，此單元稱為刀翼(齒座為刀翼體)。刀翼之間的溝槽就形成了鉆頭的流道槽。流道槽主要是便于鉆井流體攜帶巖屑從井底排出。流道上假設理想流向線，所謂理想流向線，是指鉆頭在井底工作時，鉆井液流體從鉆頭噴嘴噴出后，在井底、井壁巖石與鉆頭流道之間流動時主流流體的流動方向。
[0003]PDC鉆頭在較快鉆進或快速鉆進時，特別是在遇到軟泥巖地層、易吸水膨脹的地層或軟硬交錯的地層時，巖屑量較大，巖屑容易粘附并逐漸聚結在鉆頭的流道表面，阻塞流道，形成泥包。鉆頭泥包會使鉆頭的鉆巖能力顯著下降，而且使切削齒難以有效冷卻，齒的磨損速度加劇，導致鉆速降低，鉆頭使用壽命縮短。泥包嚴重時，鉆頭基本無鉆進能力，無法形成明顯進尺，此時需起下鉆更換鉆頭，這將明顯降低鉆井效率，增加鉆井成本。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的就是克服上述現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，解決了 PDC鉆頭的泥包問題，提高鉆井效率，降低鉆井成本。
[0005]本實用新型的目的通過下述技術方案來實現(xiàn):
[0006]一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體下部設有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭，上部設有若干刀翼，刀翼之間的溝槽形成鉆頭的流道槽，所述流道槽表面設有至少兩個凹坑，該凹坑由凹坑底面和凹坑側面構成，該凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面。
[0007]作為優(yōu)選，所述凹坑底面的坡度角α < 40° ;所述凹坑側面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:3。
[0008]凹坑底面的坡度角α是指凹坑底面與流道槽表面之間的夾角。在本實用新型中坡度角規(guī)定為:凹坑底面最深點或凹坑底面最深處的幾何中心點與交線一(凹坑底面與流道槽表面的交線)的中點之間的連線，此連線與凹坑所在位置的原始流道槽表面的切平面之間的夾角。原始流道槽表面的切平面，是指原始流道槽表面在凹坑坑口幾何中心處的切平面。
[0009]本實用新型的思路來源于生活在土壤中或者棲息于地洞中的動物的降阻抗粘附的體表。為了減少泥土的粘附，某些動物的體表從宏觀上呈現(xiàn)幾何非光滑的體表特征，如蜣螂、螻蛄、穿山甲等動物的非光滑體表。這些動物在黏濕土壤中具有降阻抗粘附的體表，其體表呈現(xiàn)出典型的非光滑特征，這些動物體表的降阻抗粘附效果非常明顯。
[0010]鉆頭鉆進時，鉆井液流體攜帶巖屑從流道槽表面運移，巖屑與流道槽表面接觸。如果流道槽表面為光滑表面，巖屑量較大時，運移任務量大，巖屑易于粘附在流道槽表面，形成巖屑團，使流道不暢通，巖屑運移困難，甚至堵塞流道，形成泥包。
[0011]本實用新型鉆頭的流道槽表面設有凹坑，凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面，凹坑底面的坡度角Ct <40°，凹坑底面所占的流道區(qū)域(凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積)相對凹坑側面所占的流道區(qū)域(凹坑側面向流道槽原始表面的投影面積)的比例明顯要大，凹坑底面與流道槽表面夾角為較小的銳角，過渡平緩，而側面與流道槽表面夾角較陡。流道槽表面具有凹坑，使得表面不光滑，表面類似于動物體表的鱗片，此種表面結構能產(chǎn)生防巖屑粘附的效果，其原因在于:
[0012]1.流道槽表面的凹坑能減少巖屑與流道槽接觸的面積，從而減少巖屑在流道槽表面的粘附。
[0013]2.凹坑內能儲存潤滑液(鉆井液)，其能對從流道槽表面流過的巖屑起潤滑作用，使巖屑與流道槽表面的粘附力和摩擦力大大下降。
[0014]3.凹坑的凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面，坑底至流道槽表面過渡平緩，而凹坑的側面與流道槽表面過渡陡峭。巖屑在鉆井液的攜帶下在流道槽表面運移，當巖屑流經(jīng)凹坑時，由于坑底至流道槽表面過渡平緩，巖屑與凹坑底面之間形成楔形空間，鉆井液流體在楔形空間內流動時，根據(jù)動壓原理，凹坑內的流體將對經(jīng)過凹坑的巖屑產(chǎn)生明顯的托舉力(將巖屑推離流道表面的作用或趨勢力)作用，減少巖屑與流道槽表面的接觸與粘附，降低巖屑在流道槽表面的摩阻。若坑底與流道槽過渡陡峭，坑底與流道槽過渡不平緩，巖屑經(jīng)過凹坑時，將不能產(chǎn)生明顯的托舉作用。因此本實用新型所涉及的凹坑有利于巖屑的運移流動，防止巖屑的堆積和滯留。
[0015]4.凹坑的凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面，坑底至流道槽表面過渡平緩，而凹坑的側面與流道槽表面過渡陡峭，當巖屑在流道槽表面從凹坑的陡峭的側面一方流向平緩的另一方時，巖屑易于跨過凹坑，使巖屑與坑底的接觸機會顯著減少，特別是使巖屑難以接觸坑底深處；當巖屑在流道槽表面從凹坑的陡峭的側面一方流向平緩的另一方時，其流過凹坑時的跨越過程是平緩且自然的，有利于巖屑的順暢運移。
[0016]5.由于凹坑底面向上延伸與流道槽表面相交過渡平緩自然，從凹坑的陡峭的側面一方流向平緩的另一方時將不會在平緩一方滯留，不會使巖屑形成堆積。
[0017]因此，本實用新型能明顯減少或防止巖屑在流道槽表面的附著、堆積，防止流道堵塞及鉆頭泥包，從而提高鉆頭的鉆進效率，降低鉆井成本。
[0018]作為優(yōu)選，所述凹坑底面的坡度角α < 30° ;所述凹坑側面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:4。
[0019]當SI相對S2較大、坡度角α較大時，凹坑底面與流道槽表面的過渡陡峭，巖屑跨越凹坑時的運移流動順暢性較差。S1:S2越小、坡度角α越小時，凹坑底面與流道槽表面的過渡越平緩，凹坑側面與流道槽表面的過渡越陡峭，巖屑越容易跨越凹坑，巖屑運移越順暢。[0020]作為優(yōu)選，所述凹坑底面與流道槽表面的交線為交線一，其長度為LI ;凹坑側面與流道槽表面的交線為交線二，其長度為L2，LI與L2的關系為:0.2L2 ^ LI ^ L2。
[0021]當交線一太短時，凹坑底面與流道槽表面的過渡區(qū)域太窄，巖屑跨越凹坑時的運移流動順暢性較差；當交線一太長時，凹坑底面與側面形成的陡峭區(qū)域較窄，實際凹坑的凹陷部分就較小，不利于潤滑液(鉆井液)的儲存及潤滑效果的發(fā)揮。
[0022]作為優(yōu)選，所述交線一和交線二構成凹坑的坑口邊緣線，該坑口邊緣線為鱗片形、半圓形、矩形或梯形。
[0023]作為優(yōu)選，所述凹坑的深度c為0.3-5mm,長度d≥2mm。
[0024]作為優(yōu)選，所述流道槽上相鄰凹坑相交，這種結構有利于擴大流道槽上凹坑區(qū)域面積，從而取得更好的減小巖屑粘附和防泥包效果。
[0025]作為優(yōu)選，所述流道槽上相鄰凹坑邊緣之間的最短距離為0-5mm，對于該距離的選取主要考慮的是，如果凹坑之間距離過大，會造成光滑流道槽區(qū)域過大，防巖屑粘附效果不佳。
[0026]作為優(yōu)選，所述流道槽上的凹坑成排平行布置，這種結構便于凹坑加工實現(xiàn)。
[0027]作為優(yōu)選，所述流道槽上的凹坑平行交錯布置，這種結構使得巖屑或巖屑團在交錯區(qū)域更容易被破碎分解，防泥包效果更好。
[0028]所述凹坑在流道槽上順著理想流向線由深及淺排布。如果凹坑在流道槽上沿理想流向線由淺及深排布，會使得巖屑從平緩的底面流向陡峭的側面，反而不利于巖屑的流動，造成巖屑堆積，形成巖屑團。
[0029]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果在于:本實用新型能明顯減輕巖屑在流道槽的粘著趨勢，防止流道堵塞，達到抗泥包的目的，從而提高鉆頭鉆進效率，延長鉆頭使用壽命，降低鉆井成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型的結構示意圖；
[0031]圖2是凹坑的結構示意圖；
[0032]圖3是凹坑的俯視圖；
[0033]圖4是凹坑的剖視圖；
[0034]圖5是相鄰凹坑相交時的示意圖；
[0035]圖6是凹坑成排平行布置時的示意圖；
[0036]圖7是凹坑平行交錯布置時的示意圖；
[0037]圖8是巖屑與凹坑的作用原理圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步的說明。
[0039]實施例一
[0040]參見圖1至圖4所示，一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體I，該鉆頭本體I下部設有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭2，上部設有若干刀翼3，刀翼3之間的溝槽形成鉆頭的流道槽4，所述流道槽4表面設有至少兩個凹坑5，所述凹坑5由凹坑底面51和凹坑側面52構成，該凹坑底面51從坑底直接延伸到流道槽4的表面。所述凹坑底面51的坡度角α < 40° ;所述凹坑側面52向流道槽4原始表面的投影面積SI與凹坑底面51向流道槽4原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 ^ 1:3。凹坑底面51與流道槽4表面的夾角為銳角，過渡平緩，而凹坑側面52與流道槽4表面的夾角為鈍角，較陡。凹坑底面51與流道槽4表面的交線為交線一 53，其長度為LI ;凹坑側面52與流道槽4表面的交線為交線二 54，其長度為L2，LI與L2的關系為:0.2L2 ^ LI ^ L2。
[0041]參見圖1，所述凹坑在流道槽上順著理想流向線由深及淺排布。
[0042]所述交線一 53和交線二 54構成凹坑5的坑口邊緣線，該坑口邊緣線可以為鱗片形、半圓形、矩形或梯形，本實施例中該坑口邊緣線為鱗片形。
[0043]參見圖8，在鉆頭鉆進時，由于流道槽4表面設有凹坑5，流道槽4表面的凹坑5能減少巖屑與流道槽4接觸的面積，從而減少巖屑在流道槽4表面的粘附，凹坑5內能儲存潤滑液6，即鉆井液，其能對從流道槽4表面流過的巖屑7起潤滑作用，使巖屑7與流道槽4表面的粘附力和摩擦力大大下降。凹坑5的凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽4的表面與流道槽4相交，坑底至流道槽4表面過渡平緩，而凹坑5的側面與流道槽4表面過渡陡峭，當巖屑7在流道槽4表面從凹坑5的陡峭的側面一方流向平緩的另一方時，其流過凹坑5時的跨越過程是平緩且自然的，有利于巖屑7的順暢運移，也不會使巖屑形成堆積。當巖屑流經(jīng)凹坑時，由于坑底至流道槽表面過渡平緩，巖屑與凹坑底面之間形成楔形空間，鉆井液流體在楔形空間內流動時，根據(jù)動壓原理，凹坑內的流體將對經(jīng)過凹坑的巖屑產(chǎn)生明顯的托舉力作用。因此，本實用新型能明顯減少或防止巖屑7在流道槽4表面的附著、堆積，防止流道堵塞及鉆頭泥包，從而提高鉆頭的鉆進效率，降低鉆井成本。
[0044]實施例二 [0045]參見圖3和圖4，本實施例與實施例一的不同之處在于，所述凹坑5的深度c為
0.3_5mm，長度 d ^ 2mm。
[0046]凹坑5的這種深度和長度范圍是最容易加工的，如果凹坑5的長度和深度太小，加
工難度會非常大。
[0047]需要解釋的是:所謂凹坑5的長度是指在凹坑橫向或縱向方向最大的輪廓尺寸。
[0048]實施例三
[0049]參見圖5，本實施例與實施例一的不同之處在于，所述流道槽4上相鄰凹坑5相交，這種結構有利于擴大流道槽4上凹坑區(qū)域面積，從而取得更好的減小巖屑粘附和防泥包效果。
[0050]實施例四
[0051]參見圖6，本實施例與實施例一的不同之處在于，所述流道槽4上的凹坑5成排平行布置，且相鄰凹坑5邊緣之間的最短距離為0-5mm，對于該距離的選取主要考慮的是，如果凹坑5之間距離過大，會造成光滑流道槽區(qū)域過大，防巖屑粘附效果不佳。
[0052]實施例五
[0053]參見圖7，本實施例與實施例四的不同之處在于，所述流道槽4上的凹坑5平行交錯布置，這種結構使得巖屑或巖屑團在交錯區(qū)域更容易被破碎分解，防泥包效果更好。
[0054]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體下部設有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭，上部設有若干刀翼，刀翼之間的溝槽形成鉆頭的流道槽，其特征在于:所述流道槽表面設有至少兩個凹坑，該凹坑由凹坑底面和凹坑側面構成，該凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑底面的坡度角α <40° ;所述凹坑側面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:3。
3.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑底面的坡度角α <30° ;所述凹坑側面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:4。
4.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑底面與流道槽表面的交線為交線一，其長度為LI ;凹坑側面與流道槽表面的交線為交線二，其長度為L2，LI與L2的關系為:0.2L2 ^ LI ^ L2。
5.根據(jù)權利要求4所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述交線一和交線二構成凹坑的坑口邊緣線，該坑口邊緣線為鱗片形、半圓形、矩形或梯形。
6.根據(jù)權利要求2所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑的深度c為0.3_5_，長度d ^ 2_。
7.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上相鄰凹坑相交。
8.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上相鄰凹坑邊緣之間的最短距離為0-5mm。
9.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上的凹坑成排平行布置。
10.根據(jù)權利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上的凹坑平行交錯布置。
【文檔編號】E21B10/46GK203603768SQ201320738499
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權日:2013年11月21日
【發(fā)明者】林敏 , 楊迎新, 曾力哲, 徐強, 陳煉, 任海濤, 周謐, 包澤軍, 周春曉 申請人:西南石油大學, 四川川石·克銳達金剛石鉆頭有限公司, 四川川慶石油鉆采科技有限公司