CN103343667B - 一种齿穴防冲蚀钢体pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于石油及地质钻井领域的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，包括钻头体和刀翼，刀翼的前面和后面敷焊耐磨层，刀翼的前面上方开设有齿穴，齿穴中安设有复合片切削齿，其特征在于在齿穴前端沿齿穴边缘开设穴槽，穴槽内敷焊耐磨层。本发明增强了齿穴前部的抗冲蚀能力，从而延长了钢体PDC钻头的使用寿命；通过齿穴周围局部敷焊料的增加和耐磨层的厚度递减，使得齿穴周围的耐磨层得到更为合理的分布，在强化齿穴防冲蚀性能的前提下，可以降低整体覆焊材料的消耗和钻头加工成本。通过在刀翼鼻部及肩部的后面设置向内倾斜的坡面，能有效的减少岩屑在刀翼后面与井底面之间产生干涉，降低钻头的钻进阻力，提高了钻头的破岩效率，从而提高钻头的机械钻速。

Description

一种齿穴防冲蚀钢体PDC钻头

技术领域

本发明涉及一种用于石油及地质钻井领域的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，属于石油地质钻具技术领域。

技术背景

钢体PDC钻头在长时间使用时或者井底泥浆含砂量较重时，靠近喷嘴附近位置的齿穴容易被冲蚀。这种情况的出现，主要是冲蚀部位所受的壁面切应力较大，而该处防护能力却相对不足。现有钢体PDC钻头切削齿齿穴部位的覆焊厚度为1.5~2mm，常易出现由于钻头齿穴被冲蚀引起的钻头早期失效问题。油田现场对钢体PDC钻头的要求是使用寿命能够长，可多次修复。因此，必须保证钻头在长时间使用时不出现冲蚀，以延长钻头的使用寿命。但现有的钢体PDC钻头防冲蚀结构尚难满足上述使用要求。

另一方面，现有PDC钻头的刀翼后面即刀翼的外轮廓面为平直面，也即刀翼后面与刀翼前面的夹角为90°或略小于90°。当钻头高速钻进时，由于钻头是螺旋向下运动，在切削齿破岩后，钻头刀翼的鼻部及肩部产生的岩屑量较多，在齿后面会有一定的滞留，从而形成刀翼后面的岩屑堆积，岩屑堆积不仅会限制钻头切削齿的吃入地层的深度，磨损钻头刀翼后面，而且也会增加钻头的钻进阻力，从而限制了钻头机械钻速的进一步提高，降低钻头使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种齿穴防冲蚀钢体PDC钻头。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：包括钻头体和刀翼，刀翼的前面和后面敷焊耐磨层，刀翼的前面上方开设有齿穴，齿穴中安设有复合片切削齿，其特征在于在齿穴前端沿齿穴边缘开设穴槽，穴槽内敷焊耐磨层。

按上述方案，所述的齿穴为半圆弧孔或大半圆弧孔，所述的沿齿穴边缘开设的穴槽为曲率半径大于齿穴圆弧半径的半圆弧槽或大半圆弧槽。

按上述方案，所述的穴槽轴向深度为2~6mm，所述的穴槽径向深度为2~6mm。

按上述方案，所述的刀翼前面敷焊的耐磨层厚度为1~2 mm，覆焊厚度由上至下梯度递减。

按上述方案，所述的刀翼后面敷焊的耐磨层弯折延伸至刀翼背面，厚度为1~2 mm，由前至后递减。

按上述方案，所述刀翼的肩部上方为保径段，在保径段斜面敷焊耐磨层。

按上述方案，所述的保径段斜面上开设有凹坑或凹槽，在凹坑或凹槽中敷焊耐磨层。

按上述方案，在刀翼的鼻部和/或肩部的后面即外轮廓面设置向内倾斜的坡面。

按上述方案，所述的向内倾斜的坡面起始处距复合片切削齿齿穴底部2~6mm，从起始处向后延伸至刀翼背面。

按上述方案，所述的向内倾斜的坡面最低处与起始处的垂直距离大于或等于4mm。

按上述方案，所述的向内倾斜的坡面的两头通过过渡坡面与刀翼其余部分的平直后面相衔接。

按上述方案，所述的耐磨层为镍基碳化钨耐磨层或铁基碳化钨耐磨层。

  本发明的有益效果在于：1、增强了齿穴前部的抗冲蚀能力，从而延长了钢体PDC钻头的使用寿命；2、通过齿穴周围局部敷焊料的增加和耐磨层的厚度递减，在齿穴周围能覆焊相对多的表面强化材料，使得齿穴周围的耐磨层得到更为合理的分布，在强化齿穴防冲蚀性能的前提下，可以降低整体覆焊材料的消耗，降低钻头加工成本；3、在保径段斜面敷焊耐磨敷焊层，增强了PDC钻头保径斜面耐磨能力，在定向钻进长时间的频繁短起操作中，能够有效减少保径段斜面的磨损，从而避免定向井钢体PDC钻头因保径段先期失效导致钻头失效，单只定向井钢体PDC钻头的钻进进尺因此提高了10%~25%，从而延长钻头使用寿命；而在保径段斜面上开设凹坑和凹槽可使耐磨敷焊层与保径段斜面咬合得更为牢固，更有效的保护钢体PDC钻头的保径段斜面；4、通过在岩屑量较多的刀翼鼻部及肩部的后面设置向内倾斜的坡面，不仅增强了钻头鼻部、肩部切削齿的清洗与冷却，快速将钻进产生的岩屑排走，而且能有效的减少岩屑在刀翼后面与井底面之间产生干涉，降低钻头的钻进阻力，提高了钻头的破岩效率，从而提高钻头的机械钻速、延长钻头的使用寿命，对岩屑量不多的内锥和其它部分的刀翼后面保持平直面不变，保证了内锥和其它部分与井底的接触面积，从而保证了钻头钻进的稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的齿穴部分的局部剖视图。

图2为本发明一个实施例的刀翼部分前面敷焊耐磨层的分布示意图。

图3为本发明一个实施例的立体结构图。

图4为本发明第二个实施例的立体结构图。

图5为本发明第二个实施例中保径段斜面部分的局部视图。

图6为本发明第二个实施例中保径段斜面部分的另一种结构的局部视图。

图7为本发明第三个实施例的立体结构图。

图8为图7的俯视结构图。

图9为图8中的A-A剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

第一个实施例如图1、2、3所示，包括钻头体10和间隔安设在钻头体外周及端面向外突起的弯折形刀翼4，刀翼之间为排屑槽，排屑槽中设置有喷嘴5，刀翼的前面上方开设齿穴，所述的齿穴为大半圆弧孔，在齿穴前端沿齿穴边缘开设穴槽，穴槽的曲率半径大于齿穴圆弧半径，为大半圆弧槽，穴槽轴向深度为3mm，径向深度为4mm，穴槽内敷焊耐磨层6。所述的齿穴沿刀翼前面外轮廓间隔排列安设，分布于刀翼的内锥部、鼻部、肩部及保径段，齿穴中安设有圆柱状的复合片切削齿1；在刀翼的前面和后面均敷焊耐磨层，所述的刀翼前面敷焊的耐磨层2厚度由上至下梯度递减，其中近齿穴的上半部分前面区域7耐磨层厚度较厚为2~1.5mm，下半部分前面区域8的耐磨层厚度递减，为1.5~1mm；刀翼前面的耐磨层与穴槽的耐磨层敷焊成一体。所述的刀翼后面敷焊的耐磨层弯折延伸至刀翼背面，厚度由前至后递减，由2 mm厚度逐步递减至1mm。在钻头加工过程中，首先把齿穴结构加工出来，在复合片对应的位置采用石墨替片粘在齿穴位置，然后用敷焊耐磨材料按图1、图2所示的敷焊结构进行敷焊。其中穴槽周围区域的敷焊耐磨层厚度最厚，靠近齿穴周围区域的敷焊耐磨层厚度其次，离开齿穴周围区域的敷焊耐磨层厚度最薄，表面敷焊的材料为镍基碳化钨。

钻头与其它井下工具连接起来，一同下入井底，然后开泵循环钻井液并加压旋转钻进。在齿穴周围，即靠近齿穴周围的敷焊区域所受的钻井液冲击力最大，也是最容易产生冲蚀失效的位置，该处覆焊厚度最厚，因而抗冲蚀能力越强，而在其余敷焊区域钻井液产生的冲击力梯度减小，其覆焊厚度也相应的梯度减薄。因而达到了增强了齿穴前部的抗冲蚀能力，从而延长了对应的钻头的使用寿命。同时，由于敷焊层厚度梯度变化，减少了表面强化材料的使用，降低了钻头的加工成本。

第二个实施例如图4、5、6所示，在刀翼的肩部上方为保径段，保径段的上端为保径段斜面9，与上一个实施例的不同之处在于所述的保径段斜面大部分敷焊耐磨材料层，耐磨材料层为铁基碳化钨敷焊层，敷焊的耐磨材料层与未敷焊的保径段斜面齐平。可在保径段斜面上开设扁平凹坑，扁平凹坑沿斜面边沿开设，扁平凹坑中敷焊耐磨材料层。或在保径段斜面上沿斜面间隔开设纵向直槽，纵向直槽中敷焊耐磨材料层。耐磨材料层高度与斜面所留面平齐。

第三个实施例如图7、8、9所示，刀翼的前面开设齿穴，齿穴中安设有圆柱块状的复合片切削齿1，复合片切削齿沿刀翼外轮廓间隔排列安设，分布于刀翼的内锥部11、鼻部12和肩部13等，不同之处在于在刀翼的鼻部和肩部的后面即刀翼的外轮廓面的鼻部和肩部设置向内倾斜的坡面，所述的向内倾斜的坡面起始处与复合片切削齿齿穴底部的间距a为2.3mm，坡面从起始处向后延伸至刀翼背面14，坡面最低处（与背面的交界处）与起始处的垂直距离b为24.5mm。所述的向内倾斜的坡面的两头通过过渡坡面与刀翼其余部分的后面相衔接，刀翼其余部分的后面为平直面。

在钻井过程中，当切削齿吃入地层时，其在刀翼内锥部分产生的岩屑在刀翼后面滞留，但由于其岩屑量相对较少及切削齿有适当的露齿高，故其不对PDC钻头的机械钻速产生影响；在刀翼鼻部、肩部产生的岩屑相对较多，但刀翼后面为内倾坡面结构，这种坡面结构可有效的将岩屑运移至排屑槽，从而防止了岩屑对钻头向下运动的干涉，减少了岩屑对钻头刀翼后背面的磨损和摩擦阻力，进而提高了钻头的机械钻速，延长了钻头使用寿命。

Claims (8)

1.一种齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，包括钻头体和刀翼，刀翼的前面和后面敷焊耐磨层，刀翼的前面上方开设有齿穴，齿穴中安设有复合片切削齿，其特征在于在齿穴前端沿齿穴边缘开设穴槽，穴槽内敷焊耐磨层；所述的穴槽轴向深度为2~6mm；所述的穴槽径向深度为2~6mm；所述的刀翼前面敷焊的耐磨层厚度为1~2 mm，覆焊厚度由上至下梯度递减。

2.根据权利要求1所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于所述的齿穴为半圆弧孔或大半圆弧孔，所述的沿齿穴边缘开设的穴槽为曲率半径大于齿穴圆弧半径的半圆弧槽或大半圆弧槽。

3.根据权利要求1或2所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于所述的刀翼后面敷焊的耐磨层弯折延伸至刀翼背面，厚度为1~2 mm，由前至后递减。

4.根据权利要求1或2所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于所述刀翼的肩部上方为保径段，在保径段斜面敷焊耐磨层。

5.根据权利要求4所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于所述的保径段斜面上开设有凹坑或凹槽，在凹坑或凹槽中敷焊耐磨层。

6.根据权利要求1或2所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于在刀翼的鼻部和/或肩部的后面即外轮廓面设置向内倾斜的坡面。

7.根据权利要求6所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于所述的向内倾斜的坡面起始处距复合片切削齿齿穴底部2~6mm，从起始处向后延伸至刀翼背面。

8.根据权利要求7所述的齿穴防冲蚀钢体PDC钻头，其特征在于所述的向内倾斜的坡面最低处与起始处的垂直距离大于或等于4mm。