[發(fā)明專利]一種適用于硬地層鉆進的金剛石鉆頭

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• 申請日: 2018-02-10
• 公開（公告）號: CN110145240A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊迎新;張春亮;牛世偉;林兆虎
• 申請（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué);成都為一石油科技有限公司
• 主分類號: E21B10/54
• 分類號: E21B10/54;E21B10/42;E21B10/43
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本發(fā)明公開了一種適用于硬地層鉆進的金剛石鉆頭，屬于鉆探領(lǐng)域。鉆頭包括鉆頭體、延伸自鉆頭體或固定在鉆頭體上的若干個刀翼、水眼或噴嘴，所述刀翼上設(shè)置有刮切齒，至少一個刀翼在鉆頭的周向位置延伸有加強座，加強座上設(shè)置有刮切齒。本發(fā)明技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)切削結(jié)構(gòu)的局部加強，增強硬地層鉆進的工作壽命，同時能夠降低鉆頭在硬地層鉆進過程中，因振動造成的切削齒過早失效。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程鉆孔施工、地質(zhì)鉆探、地?zé)徙@探、水文鉆探、隧道工程、盾構(gòu)及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及一種鉆進鉆頭。

背景技術(shù)

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，常用的有聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭（PDC鉆頭）、牙輪鉆頭以及孕鑲金剛石鉆頭。PDC鉆頭依靠高硬度、高耐磨性、具有自銳能力的聚晶金剛石復(fù)合片來剪切巖石，PDC鉆頭憑借在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低等優(yōu)點，在油氣勘探、地?zé)徙@井作業(yè)等工程中得到了廣泛使用。以PDC鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設(shè)置有多個切削元件（對PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復(fù)合片，簡稱復(fù)合片或PDC齒）。

據(jù)資料顯示，僅占總進尺20%的深部復(fù)雜地層，就花費了整個鉆井周期80%的總成本。難鉆地層主要是指地層的可鉆性差，具體表現(xiàn)為巖石的硬度高、不均質(zhì)程度高、研磨性強、溫度高等。這些巖石性質(zhì)條件可能存在各種復(fù)雜的組合、變化，且一般都具有較大的不可預(yù)知性，特別是在深井、超深井的深部地層表現(xiàn)尤其突出。鉆頭在復(fù)雜難鉆地層中鉆進的壽命短，需消耗更多的鉆頭，同時造成起下鉆頻繁，這已成為制約鉆井工程降本增效的技術(shù)瓶頸之一。

在鉆井過程中，PDC鉆頭的切削齒在鉆壓的作用下克服地應(yīng)力吃入地層，在扭矩的驅(qū)動下剪切破碎地層材料。相比于牙輪鉆頭沖擊碾壓的破巖方式，所需驅(qū)動扭矩較大。鉆進深部難鉆地層時，特別是在鉆遇軟硬交錯、含礫地層時，鉆頭吃入地層深度頻繁變化，鉆頭周向和軸向振動劇烈。此時，鉆頭切削齒承受大的周向軸向沖擊載荷，導(dǎo)致鉆頭崩齒、損壞、鉆具斷脫、及其他井下工具和測量儀器的損壞，嚴(yán)重影響鉆進效率。特別是在鉆頭的外三分之一區(qū)域的切削齒，由于線速度大，更容易受到損壞。當(dāng)PDC鉆頭切削齒發(fā)生磨損后，為保持一定的機械鉆速，經(jīng)常增加鉆壓，而扭矩對鉆壓特別敏感，隨著鉆壓的增加，扭矩增大，這就使鉆頭的工況更加惡劣，鉆頭更容易發(fā)生失效。

如何增加PDC鉆頭在深部難鉆地層中的工作壽命，減小鉆頭扭矩對鉆壓的敏感程度，是延長井下鉆具和鉆頭的使用壽命，是提高鉆井效率的重要技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提出一種鉆井用的PDC鉆頭，實現(xiàn)切削結(jié)構(gòu)的局部加強，增強硬地層鉆進的工作壽命，同時能夠降低鉆頭在硬地層鉆進過程中，因振動造成的切削齒過早失效。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種適用于硬地層鉆進的金剛石鉆頭，包括鉆頭體、延伸自鉆頭體或固定在鉆頭體上的若干個刀翼、水眼或噴嘴，所述刀翼上設(shè)置有刮切齒，至少一個刀翼在鉆頭的圓周方向延伸有加強座，加強座上設(shè)置通過齒窩而安裝的刮切齒。

對于本發(fā)明所涉及的鉆頭本體、刀翼、水眼、噴嘴為本領(lǐng)域公知的概念，在此不做贅述，可以參考如圖1~9及圖12~14，為本發(fā)明鉆頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為鉆頭體、2為刀翼、3為刮切齒、4為水眼或噴嘴。

“刮切齒”是指以刮切、剪切作用破碎巖石的切削元件，主要包括PDC齒（聚晶金剛石復(fù)合片）、TSP齒（熱穩(wěn)定金剛石聚晶片）、斧脊齒、以及具有微切削功能的孕鑲臥齒、以及其他具有非平面的金剛石切削齒。刮切齒的材料還可以為人造金剛石、天然金剛石、孕鑲金剛石、硬質(zhì)合金、立方氮化硼、陶瓷等。