[發明專利]一種具有自修復能力的長壽命鉆頭

有效

• 申請號: 201610281540.0
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105781426B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 楊迎新;劉清友;戚清亮;任海濤;林敏;張春亮;黃奎林
• 申請（專利權）人: 西南石油大學;成都為一石油科技有限公司
• 主分類號: E21B10/43
• 分類號: E21B10/43;E21B10/26
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 管高峰;錢成岑

本發明公開了一種具有自修復能力的長壽命鉆頭，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，包括鉆頭體和至少一個刀翼，刀翼上設置有若干第一組切削齒，刀翼布齒面和/或刀翼保徑面設置凹窩用以固定第一組切削齒，至少一個刀翼上設置有至少一個空槽和至少一個第二組切削齒，空槽內設置凹窩用以固定第二組切削齒，且第二組切削齒至少部分切削刃出露于空槽內表面。本發明能夠在鉆頭某區域的切削齒完全磨損后，新的切削齒自然出露，實現鉆頭的自修復，使“自修復”后的鉆頭能夠持續高效鉆進。

技術領域

本發明屬于石油天然氣、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，具體的講涉及一種長壽命鉆頭。

背景技術

PDC鉆頭是鉆井工程中最常用的鉆頭工具之一，特別是在當今石油、天然氣鉆井工程中，PDC鉆頭所取得的進尺數已經占到了油氣鉆井總進尺的80％以上，占有絕對重要的地位。

PDC鉆頭主要由鉆頭本體、連接螺紋和刀翼以及布置在刀翼上的聚晶金剛石復合片(即PDC齒，以下也簡稱為切削齒或復合片)組成。PDC鉆頭的刀翼包括主刀翼和副刀翼，它們的主要區別是在鉆頭的徑向視圖上看，延伸到鉆頭心部(或接近鉆頭心部)的刀翼稱之為主刀翼，其他刀翼稱之為副刀翼。

在對PDC鉆頭做徑向布齒設計時，其中一條很重要的設計曲線叫做PDC鉆頭的“切削輪廓線”，即在PDC鉆頭布齒覆蓋圖中與鉆頭各切削齒齒刃輪廓線相切的曲線，也可視為鉆頭上各切削齒齒刃輪廓線的包絡曲線。鉆頭的切削輪廓線代表了鉆頭所鉆出井底的基本輪廓形狀特征。此外，“刀翼輪廓線”也是PDC鉆頭的一條重要特征曲線，切削齒固結在刀翼上，其超出刀翼輪廓線的部分為齒的出露部分，切削齒的出露高度是決定鉆頭侵入巖石能力的重要因素。一般情況下，刀翼輪廓線的大部分區域與鉆頭的切削輪廓線平行或接近平行。根據設計習慣，通常將鉆頭的切削輪廓線和刀翼輪廓線分為四個區域(曲線段)，即內錐區域、冠頂區域、肩部區域和保徑區域。

衡量PDC鉆頭工作性能的指標主要有兩個，一個是鉆速，另一個工作壽命，而影響PDC鉆頭工作性能的因素主要包括PDC齒的性能參數(以耐磨性和抗沖擊性為主)、PDC齒的結構參數(齒的直徑、齒形等)、布齒密度和布齒方式。而在PDC鉆頭設計時，需要綜合考慮具體的鉆井條件(尤其是地層條件)，并據此選擇合適的切削齒規格型號、布齒密度和布齒方式。在PDC鉆頭鉆巖過程中，隨著鉆頭切削齒的磨損，鉆速逐漸下降。通常用鉆頭上各區域PDC齒直徑的磨損量作為其磨損評價與分級的基本依據。PDC鉆頭屬于固定切削齒鉆頭，如果鉆頭某局部區域上的PDC齒磨損殆盡，鉆頭的切削能力即喪失。當PDC鉆頭鉆遇復雜地層(如軟硬交替地層、硬研磨性地層、含礫石夾層等)時，PDC鉆頭上切削齒的磨損或損壞速度顯著加快，從而導致鉆頭壽命較短，進尺偏少。

當鉆頭上的切削齒發生明顯磨損后，鉆頭的破巖效率隨即下降。一個能使鉆頭破巖效率得以恢復的方法是對鉆頭進行修復。修復的方法是將已磨損的切削齒換成新齒重新焊接在刀翼體上的齒窩中，或將舊齒的未磨損面調整為工作面(已磨損部分位于齒窩中，新刃口轉至外部)重新焊接。這樣，已磨損的鉆頭就被修復成一只“新鉆頭”。實施鉆頭修復通常有兩個條件：其一，鉆頭的刀翼本體未發生顯著磨損；其二，必須將鉆頭起出后方可進行修復。

與用于極硬地層的孕鑲金剛石鉆頭不同，PDC鉆頭屬于表鑲式鉆頭，即鉆頭的切削齒鑲嵌(主要是焊接)在鉆頭的冠部表面，正常工作時鉆頭表面的切削齒與巖石接觸并實施切削功能，而刀翼本體一般不接觸巖石，除非切削齒已經發生比較大的磨損。

中國專利200620033337.3公開了一種“具有二級齒結構的聚晶金剛石復合片鉆頭”，該專利所述方案在鉆頭前排的切削齒設計為兩組聚晶金剛石復合片縱向布置，其中一組為一級齒，另一組為二級齒，一個一級齒和一個二級齒組合在一起形成連續切削結構。該方案通過在刀翼上布置二級齒的方式增加了鉆頭總的復合片數量，并且在二級齒不影響鉆頭初始吃入能力的情況下，提高了鉆頭關鍵區域復合片的磨損高度，起到了延長鉆頭使用壽命、增加進尺的目的。