[發明專利]一種寬刃口切削齒和PDC鉆頭及布齒方法

在審

• 申請號: 201911255255.1
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN112943105A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 韓一維;況雨春;朱光輝;陳煉;秦超;劉志鵬
• 申請（專利權）人: 成都海銳能源科技有限公司;西南石油大學
• 主分類號: E21B10/54
• 分類號: E21B10/54;E21B10/43
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種寬刃口切削齒和PDC鉆頭及布齒方法。鉆頭體上的切削齒為寬刃口切削齒，寬刃口切削齒的寬切削刃的曲率小于寬刃口切削齒的原始切削刃的曲率或寬切削刃為直線，采用寬刃口切削齒使鉆頭的徑向切削輪廓與徑向布齒輪廓更加吻合。本發明的目的旨在通過鉆頭的結構來改善PDC鉆頭磨損的問題，延長切削齒磨損壽命，使切削齒的磨損與預期磨損趨勢相符，對鉆頭的損壞預測性更強，有利于設計與改進；實現破巖能量合理分配，提高破巖效率。

技術領域

本發明涉及石油鉆探鉆具技術領域，特別涉及一種寬刃口切削齒和PDC鉆頭及布齒方法。

背景技術

PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復合片）鉆頭是目前石油天然氣鉆井工程中使用得最多的破巖工具之一。PDC鉆頭多為刀翼式結構形式，PDC齒布置在鉆頭體的刀翼冠部上，刀翼之間形成鉆頭的水力流道。PDC齒由聚晶金剛石層和硬質合金基座復合而成，傳統PDC齒采用圓柱形齒，一個個圓柱形PDC齒組成鉆頭的切削輪廓。圓柱齒組成的切削輪廓與理論輪廓有差異，導致鉆頭實際破巖工作狀態與理想設計工況差別較大，難以分析鉆頭的工作狀況及磨損損壞情況，給鉆頭的設計優化帶來困難；在鉆頭布齒中，采用圓柱形齒布齒會導致鉆頭產生巖脊現象，為減緩此現象的發生，需要對圓柱形齒進行加密布齒；圓柱形齒在鉆進時，齒與井底巖石的接觸圓弧，將直接侵入變成了曲線的包絡，增加了接觸面積，削弱了齒及鉆頭的吃入（侵入）能力。

PDC鉆頭切削齒的磨損是在機械、熱、化學的綜合作用下，產生摩擦磨損、剝落磨損、粘結磨損以及氧化磨損等的結果，是一個十分復雜的過程。其中，摩擦磨損是任何刀具切削過程中都存在的物理現象。

隨著淺層油氣資源的不斷枯竭，油氣勘探開發正從常規油氣藏向低滲透和非常規油氣藏轉變，從淺層向深層、超深層發展，導致鉆井難度越來越大。采用常規PDC鉆頭在極硬、強研磨性和硬塑性等地層中，機械鉆速低，使用壽命短，因此，需要采用新的PDC鉆頭及布齒方法解決難鉆地層的鉆井提速問題。

發明內容

本發明的目的在于提出一種寬刃口切削齒和PDC鉆頭及布齒方法，旨在通過該鉆頭的結構來改善PDC鉆頭磨損的問題，從而實現破巖能量合理分配，提高破巖效率。

為了達到上述目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種寬刃口切削齒和PDC鉆頭及布齒方法，包括鉆頭體及鉆頭體上布置的切削齒，所述鉆頭體上至少有一顆切削齒為寬刃口切削齒，所述寬刃口切削齒的寬切削刃的曲率小于寬刃口切削齒的原始切削刃的曲率或寬切削刃為直線，或所述寬刃口切削齒的寬切削刃的輪廓的曲率小于寬刃口切削齒的原始切削刃的曲率或寬切削刃的輪廓為直線，且所述寬切削刃或寬切削刃的輪廓至原始切削刃的圓心的距離S的范圍為0.2R≤S≤0.95R，R為原始切削刃的半徑或短徑。

本專利中規定，在寬切削刃兩端點連線垂直的方向上，切削齒的原始切削刃的圓心與寬切削刃上最遠點之間的距離為S。

重疊度是指，鉆頭上徑向兩相鄰齒原始切削刃半徑分別為R1和R2，兩鄰齒齒心之間的距離為L，則兩齒的重疊度為(R1+R2-L)/(R1+R2)。原始切削刃是指切削齒的寬切削刃以外的切削刃補全后的切削刃（如圖5所示，切削齒按原切削刃補全后的切削刃7即為原始切削刃）。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

（1）在鉆頭上采用寬刃口切削齒，這種寬刃口切削齒與巖石接觸面為直齒線或較大曲率半徑的曲線，旨在通過該齒形結構來降低破巖過程中常規鉆頭初期齒磨損現象，延長切削齒磨損壽命，降低出現損壞PDC齒甚至本體的情況，同時該齒形結構與預期磨損趨勢相符，對鉆頭的損壞預測性更強，便于對鉆頭磨損前以及磨損后的工作性能進行分析優化，有利于設計與改進。