[發明專利]一種具有橫向噴射水力結構的PDC鉆頭

無效

• 申請號: 201410543935.4
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號: CN104329031A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 張占奎;王秀彬;李少偉;張國亮;王建濤;劉偉京
• 申請（專利權）人: 滄州格銳特鉆頭有限公司
• 主分類號: E21B10/60
• 分類號: E21B10/60
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及石油天然氣、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質、水文等領域使用的鉆探用鉆頭，具體的講是涉及一種具有橫向噴射水力結構的PDC鉆頭。

背景技術

PDC鉆頭水力結構的主要功能是有效地清除井底巖屑和冷卻PDC齒，因此水力結構對鉆頭的破巖效率有較大影響。由于PDC鉆頭鉆速快、產生的巖屑多,在軟泥巖地層，鉆壓過大，地層或鉆屑與鉆頭表面形成直接接觸，造成鉆頭泥包。鉆頭泥包后PDC齒吃入地層困難，降低鉆頭的機械鉆速。

PDC齒具有很高的硬度和耐磨性，但PDC齒的缺點是熱穩定性差，在工作中，切削齒底部磨損面在壓力作用下一直與巖石表面滑動摩擦要產生大量的摩擦熱，當切削齒清洗冷卻條件不好，局部溫度較高時，就有可能導致切削齒的熱摩損（350-700℃時切削齒的磨損速度很快，這一現象稱為切削齒的熱磨損）而影響鉆頭正常工作，所以鉆頭要避免熱磨損出現就必須有很好的水力清洗冷卻，潤滑作用配合工作，這就是要求鉆井液從水眼流出后水力分布要合理，能有效地保護切削齒，這即是對鉆頭水力計的基本要求之一。

PDC鉆頭的水力結構及水力參數引起的井底巖屑的清除程度對鉆進時的機械鉆速有較大的影響。井底巖屑清除是依靠鉆頭水眼的射流水力來完成的，在現有技術中由于水眼設置在鉆頭刀翼之間的排屑槽上，在水眼四周形成低壓區，部分巖屑被高壓的水力包圍在該區域內難以有效的清除，特別是在深井作業中，往往由于水力功率不夠，井底巖屑更加清除不充分，使巖屑留在井底而造成重復切削，導致實際水力結構及水力參數對鉆速有較大的影響。

發明內容

針對上述存在的問題，本發明要解決的技術問題是提供一種具有橫向噴射水力結構的PDC鉆頭，這種鉆頭改進了鉆頭的水力結構設計，能夠使鉆頭達到較好的清洗效果，減少泥包的幾率；還能加強PDC齒的清洗和冷卻，使鉆頭的壽命達到最大化，通過提高巖屑清楚效率，使鉆頭獲得更高的機械鉆速。

為了解決上述技術問題，本發明一種具有橫向噴射水力結構的PDC鉆頭包括成為一體的鉆頭體、刀翼、排屑槽和水眼，其特征在于：所述排屑槽在相鄰的刀翼之間，排屑槽的左側為刀翼的前端面，排屑槽的右側為刀翼的后端面；所述刀翼的前端面上釬焊有用于切削巖石的PDC齒；所述水眼包含常規水眼和橫向水眼，該常規水眼設置于刀翼右側的排屑槽上，而橫向水眼設置在刀翼的徑向端面處。

在上述技術方案中，所述橫向水眼的水力噴射出口方向指向對面的排屑槽，且橫向水眼的出水孔中心線與其所指向的排屑槽左側刀翼的內錐線相交的夾角小于等于5°。如果該夾角偏大并刀翼上方偏轉，會降低橫向水眼射流對PDC齒的冷卻效果；如果該夾角偏大并向排屑槽表面偏轉，會使橫向水眼射流對鉆頭體直接沖擊，對鉆頭體造成不必要的過大水力沖蝕。合理的噴射角度使橫向水眼的射流基本沿著刀翼上PDC齒的從鉆頭內側到鉆頭外側的布齒方向，因此橫向水眼的水力噴射到井底返回的鉆井液能夠加強對PDC齒進行有效的清洗和冷卻，達到延長PDC齒壽命的作用。

所述橫向水眼通過彎曲的水道與鉆頭的中心水道接通。鉆井液通過鉆頭的中心水道，進入上述的彎曲水道從橫向水眼射流出來形成水柱。

鉆井液從水眼射流出來后形成的水柱直徑逐漸變大，為了使射流水柱不能直接沖擊刀翼上的復合片導致沖擊損壞，因此需使射流水柱需與PDC齒端面保持合適的空間距離，而射流水柱又不能距離PDC齒端面太遠，太遠又影響到PDC齒的冷卻效果。因此所述橫向水眼的出水孔中心線與刀翼右側面的距離d為15mm—25mm。

作為優選所述水道的出水孔中心線與刀翼右側面的距離d為20mm。

在鉆頭上設置的橫向水眼數量為1個或2個。對于只設置1個橫向水眼的PDC鉆頭，所述橫向水眼設置于刀翼中的第二長刀翼的徑向端面處，噴射出口方向指向刀翼中最長的刀翼右側的排屑槽,該排屑槽內沒有設置常規水眼。雖然鉆頭上只設置一個橫向水眼，但是鉆頭在井底轉動一周，所述橫向水眼的射流水柱能對井底進行360°的井底巖屑清除。

對于設置２個橫向水眼的PDC鉆頭，在刀翼中最長刀翼和第二長刀翼右側的排屑槽上都沒有安裝有常規水眼，其中在最長刀翼的徑向端面處設置的橫向水眼噴射出口方向指向第二長刀翼右側的排屑槽，第二長刀翼的徑向端面處設置的橫向水眼噴射出口方向指向最長刀翼右側的排屑槽。由于鉆頭上設置了2個橫向水眼，能夠明顯加強對井底巖屑的清除，提高鉆進液的攜巖能力，降低PDC齒重復切削巖石的可能性，達到提高機械鉆速的作用。

由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是：