本實(shí)用新型是關(guān)于一種PDC鉆頭，尤其涉及一種油田鉆探領(lǐng)域中應(yīng)用的適用于泥巖地層的PDC鉆頭。

背景技術(shù)：

隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)工作的不斷深入，所鉆遇的地層構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，鉆井難度越來(lái)越大，為了降低鉆井綜合成本，對(duì)鉆頭的質(zhì)量提出了更高的要求。自PDC鉆頭(Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)上世紀(jì)八十年代問(wèn)世以來(lái)，因具有平均機(jī)械鉆速高、進(jìn)尺多、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已逐漸成為石油、天然氣工業(yè)廣泛推廣應(yīng)用的一種高效破巖工具，隨著人們對(duì)新一代PDC鉆頭認(rèn)識(shí)的不斷深入，它的生產(chǎn)技術(shù)也不斷提高，使用量逐年增加。

PDC(Polycrystalline diamond compact)是一種將人造聚晶金剛石與碳化鎢基座高溫高壓下焊接在一起的切削元件，以此為主要切削元件的PDC鉆頭自問(wèn)世以來(lái)，設(shè)計(jì)技術(shù)與加工工藝不斷進(jìn)步，現(xiàn)在國(guó)外大公司已經(jīng)形成從鉆頭設(shè)計(jì)到基體的數(shù)控加工程序全部由計(jì)算機(jī)完成。而國(guó)內(nèi)至今無(wú)此能力，國(guó)內(nèi)的鉆頭制造技術(shù)基本還停留在起步階段，靠的是作坊式的手工制作，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。隨著國(guó)內(nèi)PDC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)及完善的質(zhì)量保證體系將是在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵因素。

上世紀(jì)七十年代初，美國(guó)正式發(fā)明成功PDC鉆頭，此后該鉆頭在世界范圍內(nèi)得到了非常普遍的應(yīng)用。后來(lái)，國(guó)內(nèi)許多科研院校、石油企業(yè)廠礦、石油工具廠先后投入了大量的人力物力，進(jìn)行PDC鉆頭的設(shè)計(jì)、研究、試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)，從上世紀(jì)八十年代中期開(kāi)始，有多個(gè)廠家的不同PDC鉆頭產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)各大油田得到試驗(yàn)和應(yīng)用。

目前的PDC鉆頭的切削齒為圓柱形切削齒復(fù)合片，這些復(fù)合片在刀翼上以單 行排列為主，在鉆遇軟地層時(shí)，鉆速較快，而一旦遇到堅(jiān)硬地層時(shí)，對(duì)復(fù)合片會(huì)產(chǎn)生直接作用，造成圓柱形切削齒頂部磨損，復(fù)合片高度逐漸減低，最終導(dǎo)致PDC鉆頭壽命縮短、鉆頭效率下降，只能更換鉆頭，影響效率。

另外，目前還有一種雙排齒PDC鉆頭，刀翼上具有前后兩排圓柱形切削齒復(fù)合片，后排切削齒復(fù)合片的高度低于前排切削齒復(fù)合片的高度1mm～2mm，當(dāng)前排切削齒復(fù)合片磨損到一定程度后，前后切削齒復(fù)合片同時(shí)作用于地層。這種PDC鉆頭較上面的單排齒PDC鉆頭來(lái)說(shuō)，其壽命得到了一定程度的延長(zhǎng)，但仍屬于被動(dòng)的磨損地層，效率仍然較低。

由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關(guān)行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，提出一種新型的PDC鉆頭，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種適用于泥巖地層的PDC鉆頭，其后排齒在接觸地層后能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了單面沖擊巖石，使后排齒每個(gè)面都能均勻的切削巖石，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種適用于泥巖地層的PDC鉆頭，所述適用于泥巖地層的PDC鉆頭包括：

鉆頭本體，其內(nèi)沿軸向設(shè)有注水腔，所述鉆頭本體的底部設(shè)有多個(gè)水嘴，多個(gè)所述水嘴與所述注水腔相連通；

多個(gè)刀翼，其沿圓周方向等間隔連接在所述鉆頭本體的端部，所述刀翼的一側(cè)并排設(shè)有多個(gè)前排切削齒，所述刀翼的頂面設(shè)有多個(gè)后排切削齒，所述后排切削齒的高度高于所述前排切削齒的高度；所述后排切削齒的形狀為正棱柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)連接在所述刀翼的頂面，所述后排切削齒的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線為其軸向中心線，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與所述刀翼的頂面平行。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述后排切削齒的高度比所述前排切削齒的高度高2mm～3mm。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述前排切削齒與所述后排切削齒之間的距離為1.5mm～2mm。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述刀翼的頂面設(shè)有兩兩相對(duì)的多個(gè)凸 起部；所述后排切削齒的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線處設(shè)有軸向通孔，所述軸向通孔內(nèi)穿設(shè)轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別固定在對(duì)應(yīng)的所述凸起部上。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述后排切削齒的形狀為正五棱柱體。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的方向與所述前排切削齒的排列方向一致。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述后排切削齒的軸向長(zhǎng)度為3mm～5mm。

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述前排切削齒的高度為h，刀翼常數(shù)為N，地層可鉆極值為k，所述后排切削齒的鋼材抗壓強(qiáng)度為σ，所述PDC鉆頭的直徑為R，所述鉆頭本體的轉(zhuǎn)速為Φ，所述后排切削齒的轉(zhuǎn)速為r，所述后排切削齒的中點(diǎn)到所述PDC鉆頭的中心的距離為L(zhǎng)，所述后排切削齒的高度H為：

在本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施方式中，所述刀翼的個(gè)數(shù)為六個(gè)，所述刀翼常數(shù)N為0.0015；所述后排切削齒的轉(zhuǎn)速為r為：

由上所述，本實(shí)用新型的PDC鉆頭在每個(gè)刀翼上均設(shè)置有兩排切削齒，前排切削齒為常規(guī)圓柱形切削齒，后排切削齒設(shè)計(jì)為正棱柱體形狀，例如正五棱柱體，且后排切削齒的高度比前排切削齒的高度高2mm～3mm。因此，在使用本實(shí)用新型的PDC鉆頭鉆井的過(guò)程中，后排切削齒首先在鉆巖上劃出多道破裂紋，降低巖石的強(qiáng)度，減小前排切削齒切削地層的阻力，提高了鉆井效率。同時(shí)，當(dāng)后排齒在接觸地層后能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了單面沖擊巖石，使后排齒每個(gè)面都能均勻的切削巖石，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

附圖說(shuō)明

以下附圖僅旨在于對(duì)本實(shí)用新型做示意性說(shuō)明和解釋，并不限定本實(shí)用新型的范圍。其中：

圖1：為本實(shí)用新型適用于泥巖地層的PDC鉆頭的主視剖視示意圖。

圖2：為本實(shí)用新型適用于泥巖地層的PDC鉆頭的仰視示意圖。

圖3：為圖2中的A-A向剖視圖。

圖4：為后排切削齒的橫截面示意圖。

圖5：為后排切削齒的轉(zhuǎn)動(dòng)連接結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖說(shuō)明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式。

如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型提供了一種適用于泥巖地層的PDC鉆頭，其包括鉆頭本體1和多個(gè)刀翼2，其中：鉆頭本體1內(nèi)沿軸向設(shè)有注水腔11，所述鉆頭本體1的底部設(shè)有多個(gè)水嘴12，多個(gè)所述水嘴12與所述注水腔11相連通；多個(gè)刀翼2沿圓周方向等間隔連接在所述鉆頭本體1的端部，所述刀翼2的一側(cè)并排設(shè)有多個(gè)前排切削齒21，所述刀翼的頂面設(shè)有多個(gè)后排切削齒22，所述后排切削齒22的高度H高于所述前排切削齒21的高度h。參見(jiàn)圖4和圖5，所述后排切削齒22的形狀為正棱柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)連接在所述刀翼2的頂面，所述后排切削齒22的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線為其軸向中心線，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與所述刀翼2的頂面平行。

具體是，鉆頭本體1大體呈圓柱體形，其內(nèi)沿軸向設(shè)有注水腔11，鉆頭本體1的底部設(shè)有多個(gè)水嘴12，多個(gè)水嘴12與注水腔11相連通，鉆井液注入注水腔11后，通過(guò)多個(gè)水嘴12噴出鉆頭本體1。在本實(shí)施例中，鉆頭本體1具有三個(gè)水嘴12(圖1中僅示意性繪制出兩個(gè)水嘴12)，當(dāng)然，在其他的實(shí)施例中，水嘴12的數(shù)量并不以此為限，水嘴12的數(shù)量可根據(jù)鉆頭本體1的直徑大小以及實(shí)際開(kāi)采需要進(jìn)行選擇。鉆頭本體1的一端形成有連接頭13，該連接頭13用于將鉆頭本體1連接在井下鉆具上。

請(qǐng)配合參閱圖2所示，多個(gè)刀翼2沿圓周方向等間隔地連接在鉆頭本體1遠(yuǎn)離其連接頭13的一端，在本實(shí)用新型中，在鉆頭本體1的端部連接有六個(gè)刀翼2，其包含三個(gè)主刀翼23和三個(gè)副刀翼24，兩兩相鄰的兩個(gè)主刀翼23之間設(shè)有一個(gè)副刀翼24，也即，主刀翼23和副刀翼24交錯(cuò)設(shè)置，三個(gè)主刀翼23沿鉆頭本體1的徑向設(shè)置在鉆頭本體1的端部，主刀翼23的橫截面沿鉆頭本體1的徑向向內(nèi)的方向由大端至小端逐漸收縮，三個(gè)主刀翼23的小端在鉆頭本體1的中心處匯聚，三個(gè)副刀翼24位于鉆頭本體1端部的肩部處；水嘴12分布在鉆頭本體1的端部中心處，兩個(gè)相鄰的主刀翼23之間設(shè)有一個(gè)水嘴12，注入注水腔11中的鉆 井液通過(guò)多個(gè)水嘴12噴出，為該P(yáng)DC鉆頭在鉆進(jìn)的過(guò)程中，提供鉆進(jìn)所需的壓力，同時(shí)清潔刀翼2上的多個(gè)前排切削齒21和多個(gè)后排切削齒22，防止泥巖包住前排切削齒21和后排切削齒22的情況發(fā)生；另一方面，自多個(gè)水嘴12噴出的鉆井液，也可對(duì)PDC鉆頭鉆遇泥巖后產(chǎn)生的巖屑進(jìn)行排除，使巖屑在水壓的作用下，自PDC鉆頭的周側(cè)與井筒內(nèi)壁之間的環(huán)空中排出。

當(dāng)然，在其他的實(shí)施例中，鉆頭本體1端部的多個(gè)刀翼2也可不區(qū)分主刀翼和副刀翼，該P(yáng)DC鉆頭可為常規(guī)鉆頭，也即PDC鉆頭的每個(gè)刀翼2的形狀大小一致，多個(gè)刀翼2沿鉆頭本體1的端部的圓周方向等間隔設(shè)置，每個(gè)刀翼2的橫截面沿鉆頭本體1的徑向向內(nèi)的方向由大端至小端逐漸收縮，且多個(gè)刀翼2的小端在鉆頭本體1的中心處匯聚。

該P(yáng)DC鉆頭的每個(gè)刀翼2的一側(cè)外緣上均焊接有多個(gè)前排切削齒21，且每一刀翼2的頂面上還設(shè)有多個(gè)后排切削齒22，該些后排切削齒22位于前排切削齒21的背刀面?zhèn)?，且均位于鉆頭本體1端部的肩部處，該些前排切削齒21和該些后排切削齒22均由聚晶金剛石材料制成，在本實(shí)施例中，前排切削齒21與后排切削齒22之間的距離為1.5mm～2mm。

如圖3所示，在本實(shí)用新型中，后排切削齒22的高度H高于前排切削齒21的高度h，該后排切削齒22的高度H和前排切削齒21的高度h是相對(duì)刀翼2頂面而言的，也即，自刀翼2頂面向上露出的前排切削齒21的高度為h，自刀翼2頂面向上露出的后排切削齒22的高度為H。本實(shí)用新型將后排切削齒22的高度H設(shè)計(jì)為高于前排切削齒21的高度h，這樣設(shè)計(jì)的好處是，通過(guò)該P(yáng)DC鉆頭鉆井的過(guò)程中，后排切削齒22首先在鉆巖上劃出多道破裂紋，以減小前排切削齒21切削地層的阻力，提高鉆井效率。在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，該后排切削齒22的高度H比前排切削齒21的高度h高2mm～3mm，即高度H與高度h的差值為2mm～3mm。

進(jìn)一步的，所述刀翼2的頂面一體形成有兩兩相對(duì)的多個(gè)凸起部(圖中未示出)用來(lái)固定所述后排切削齒22。這些凸起部的位置與每個(gè)后排切削齒22的位置一一對(duì)應(yīng)；所述后排切削齒22的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線處設(shè)有軸向通孔，所述軸向通孔內(nèi)穿設(shè)轉(zhuǎn)軸221，所述轉(zhuǎn)軸221的兩端分別固定在對(duì)應(yīng)的所述凸起部上。當(dāng)后排切削齒22接觸到地層后，后排切削齒22能夠相對(duì)轉(zhuǎn)軸221產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使各個(gè) 工作面能夠均勻工作，避免單一工作面磨損加劇。在本實(shí)施方式中所述后排切削齒22的形狀為正五棱柱體。所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的方向與所述前排切削齒21的排列方向一致。所述后排切削齒的軸向長(zhǎng)度為3mm～5mm。本實(shí)用新型將后排切削齒22設(shè)計(jì)為正五棱柱體的形狀，且能夠繞其軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了單一工作面磨損加劇，延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，該前排切削齒21的高度為h，單位mm；刀翼常數(shù)為N；地層可鉆極值為k；該后排切削齒22的鋼材抗壓強(qiáng)度為σ，單位kg/cm²；該P(yáng)DC鉆頭的直徑為R，單位mm；所述鉆頭本體的轉(zhuǎn)速為Φ，單位為r/min；所述后排切削齒的轉(zhuǎn)速為r，單位為r/min；該后排切削齒22的中點(diǎn)到PDC鉆頭的中心的距離為L(zhǎng)，單位mm；該后排切削齒的高度H(單位mm)為：

其中，當(dāng)?shù)兑?的個(gè)數(shù)為六個(gè)時(shí)，該刀翼常數(shù)N為0.0015，且對(duì)于泥巖地層，地層可鉆極值k為5～6。所述后排切削齒的轉(zhuǎn)速為r為：

因PDC鉆頭的半徑越大，其切削開(kāi)的巖層體積越大，需要的后排切削齒22的切削力越大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)后排切削齒22的高度H應(yīng)隨著其在鉆頭本體1上的位置不同而變化，從而達(dá)到充分切削鉆巖的作用。

本實(shí)用新型的適用于泥巖地層的PDC鉆頭，在每個(gè)刀翼2上均設(shè)置兩排切削齒，前排切削齒21為常規(guī)圓柱形切削齒，后排切削齒22設(shè)計(jì)為正五棱柱體形狀，后排切削齒22的高度比前排切削齒21的高度高2mm～3mm，且后排切削齒22能夠相對(duì)于轉(zhuǎn)軸221轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在使用本實(shí)用新型的PDC鉆頭鉆井的過(guò)程中，首先用后排切削齒22在鉆巖上劃出多道破裂紋，降低巖石的強(qiáng)度，減小前排切削齒21切削地層的阻力，提高了鉆井效率。同時(shí)，當(dāng)后排切削齒22在接觸地層后能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了單一工作面沖擊巖石，使后排切削齒22每個(gè)工作面都能均勻的切削巖石，延長(zhǎng)鉆頭壽命。

在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，例如在井眼直徑為215.9mm的井眼中，六刀翼的后排切削齒22的高度H與前排切削齒21的高度h的差值如下(自鉆頭本 體1的邊部位置向鉆頭本體1的中心方向)：

現(xiàn)有的鉆頭在青海油田某區(qū)塊應(yīng)用中，鉆至3000m硬脆性地層，由于地層強(qiáng)度高，單排齒鉆頭鉆速下降，單只鉆頭的進(jìn)尺僅為289m；換成本實(shí)用新型的PDC鉆頭后，機(jī)械鉆速基本保持不變，單只鉆頭進(jìn)尺延長(zhǎng)到410m，單只鉆頭的使用壽命提高了41.8％。同時(shí)由于鉆頭破碎巖石的效率提高，鉆井的鉆速能達(dá)到3.4m/h，提高了70％。

以上所述僅為本實(shí)用新型示意性的具體實(shí)施方式，并非用以限定本實(shí)用新型的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。