阅读说明：本技术 适合于破碎坚硬玄武岩地层的pdc钻头 (PDC drill bit suitable for crushing hard basalt stratum ) 是由 杨震 魏长青 於昌峰 陈�峰 肖玉帅 袁泽 吴泽良 李朋朋 漆登威 周涛 田方正 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及钻井钻头技术领域,具体涉及一种适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头。该钻头包括刀座和刀翼。刀座的上端设置有与钻铤连接的外螺纹。刀座的底端设置有多个喷嘴。多个刀翼固定在刀座的侧面上。相邻两个刀翼间具有不同的夹角,在刀座的底端形成排屑槽。刀翼具有切削部和保径部。切削部包括切割鼻部和曲面部,切割鼻部被置于刀座的底端。曲面部的一端与切割鼻部相连,另一端与保径部相连。曲面部呈多段阶梯状。多个主动切削齿沿着切削部的第一外轮廓线排布。多个辅助切削齿沿着切削部的第二外轮廓线分布。本发明通过对结构的改进,为钻探坚硬地层时,提供了一种钻进速度更快、耐磨性和稳定性更好的PDC钻头。(The invention relates to the technical field of drilling bits, in particular to a PDC (polycrystalline diamond compact) bit suitable for crushing a hard basalt stratum. The drill comprises a tool apron and a tool blade. The upper end of the cutter holder is provided with an external thread connected with the drill collar. The bottom of blade holder is provided with a plurality of nozzles. A plurality of blades are fixed on the side surface of the tool apron. Different included angles are formed between every two adjacent cutter wings, and a chip groove is formed at the bottom end of the cutter holder. The blade has a cutting portion and a gauge portion. The cutting portion includes a cutting nose portion and a curved portion, the cutting nose portion being disposed at a bottom end of the holder. One end of the curved surface part is connected with the cutting nose part, and the other end of the curved surface part is connected with the diameter-protecting part. The curved surface part is in a multi-section ladder shape. A plurality of active cutting teeth are arranged along a first outer contour of the cutting portion. A plurality of secondary cutting teeth are distributed along the second contour of the cutting portion. The invention provides the PDC drill bit with higher drilling speed and better wear resistance and stability when drilling a hard stratum by improving the structure.)

适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头

技术领域

本发明涉及钻井钻头技术领域，具体涉及一种适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头。

背景技术

在钻井过程中，钻头作为主要的破岩工具，通过研磨作用，切削岩石，形成井眼，一个优良井眼的形成除了与钻时、钻头本身的性能之外还与地层与钻头的配伍性有关。PDC钻头主要用于泥岩、砂岩、以泥质胶结为主且胶结松散的小粒径砾岩、膏岩和灰岩等地层。现有的PDC钻头在实际钻探中钻遇坚硬玄武岩时，钻时加长，钻速变慢，钻头磨损程度加快、岩屑堆积造成重复研磨情况多，钻头散热慢。这些原因导致了钻头寿命的降低。

现有技术公开了一种适用于砾硬地层钻进的锥形齿钻头，包括钻头基体，钻头基体表面设有若干个刀翼。刀翼上设有若干PDC切削齿，PDC切削齿包括圆柱形齿，相邻刀翼的间隙处设有排屑槽，排屑槽上设有若干喷嘴。PDC切削齿还包括工作面呈锥形面的圆锥形齿。通过对齿形结构的改进，缓解了现有PDC钻头钻进时，切削齿崩损、磨损严重、切削效率低，使用寿命短等问题。但是，该钻头对钻进速度的提升有限。

综上所述，在选用PDC钻头针对坚硬的玄武岩地层进行钻探时，如何提高PDC钻头的钻进速度、使用寿命及稳定性，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

现有技术文献：

专利文献1：CN207470124U一种适用于砾硬地层钻进的锥形齿钻头

发明内容

本发明的目的在于，为钻探中遇坚硬地层时，提供一种钻进速度更快、耐磨性和稳定性更好的阶梯状的PDC钻头。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头，包括：

刀座，所述刀座的上端设置有与钻铤连接的外螺纹，刀座的底端设置有多个喷嘴；

刀翼，多个刀翼固定在刀座的侧面上，相邻两个刀翼间具有不同的夹角，在刀座的底端形成排屑槽，刀翼具有切削部和保径部，切削部呈阶梯状从刀座的底端向侧面延伸，保径部在刀座的侧面与切削部相连；

所述保径部镶嵌有多个复合片；

所述切削部包括切割鼻部和曲面部，切割鼻部被置于刀座的底端，曲面部的一端与切割鼻部相连，另一端与保径部相连，曲面部呈多段阶梯状，切削部具有主动切削齿和辅助切削齿；

多个主动切削齿沿着切削部的第一外轮廓线排布，多个辅助切削齿沿着切削部的第二外轮廓线分布。

优选地，所述主动切削齿和辅助切削齿均沿着切削部的外轮廓线排布，外轮廓线为切削部沿着刀座轴向延伸的轮廓线；

所述外轮廓线包括第一外轮廓线和第二外轮廓线，多个主动切削齿沿着第一外轮廓线排布，多个辅助切削齿沿着第二外轮廓线排布。

作为优选，曲面部具有两段阶梯，两段阶梯间呈第一圆弧段过渡，曲面部与切割鼻部之间呈第二圆弧段过渡，曲面部与保径部之间呈第三圆弧段过渡。

作为优选，阶梯在水平方向上的宽度为60mm。

作为优选，适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头具有5个刀翼，刀翼为直刀翼，复合片在刀翼的保径部均匀排列，复合片的排列方式为七排八列的阵列，便于将切削地层时产生的径向力完全累加到保径部，提高切削部的稳定性。

作为优选，刀翼为螺旋刀翼，切削地层时产生的径向力一部分加载在保径部，将因转动而产生的震动破坏降低到最小化。

作为优选，主动切削齿和辅助切削齿均为PDC切削齿。

作为优选，每一个主动切削齿都具有独立的运动轨迹，即钻头的每一条切削曲面轨迹只对应一个主动切削齿，用于提高钻头攻击地面的能力，提高稳定性。

作为优选，位于切割鼻部的主动切削齿的后倒角为20°，位于曲面部的主动切削齿的后倒角为25°，位于保径部的主动切削齿的后倒角为30°。较大的后倒角可以提高钻头的抗冲击能力和研磨能力，较小的后倒角可以提高机械钻速。为钻头的切削部和保径部的主动切削齿设置不同大小的后倒角，用于平衡钻头的转速与寿命，提升钻头的整体性能。

作为优选，位于切割鼻部的辅助切削齿的后倒角为15°，位于曲面部的辅助切削齿的后倒角为20°，位于保径部的辅助切削齿的后倒角为25°。辅助切削齿的设置用于减轻主动切削齿的磨损，提高钻头的工作寿命。主动切削齿进入地层的一定深度后，辅助切削齿和地层接触分担过高的钻压，减小主动切削齿的受力。

作为优选，排屑槽呈正螺旋排布在刀翼之间，喷嘴被设置在排屑槽内，有利于快速排出岩石屑，相同泵压下产生较大的钻头转动力，有利于定向钻进。排屑槽的布置减轻了从喷嘴出来的高速流体产生的旋涡，减轻水力能量损失，充分携带岩屑，避免岩屑的重复研磨，提高了钻速。

本发明提供的一种适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头与现有技术相比，具有如下实质性特点和进步：

1、该钻头切削部的多个阶梯状设计，大大加强了钻头的攻击地层性能，适合于对坚硬地层的破碎及钻进；

2、该钻头的主动切削齿采用单一模式布置，即每一个主动切削齿都具有独立的运动轨迹，钻头的每一条切削曲面轨迹只对应一个主动切削齿辅助切削齿。在提高钻头攻击地面的能力的同时，保证了钻头的钻进速度，提高了钻头的稳定性；

3、该钻头辅助切削齿的设置，避免了主动切削齿吃入深度过大导致承受过高的冲击载荷而破碎的问题，保护了主动切削齿，提高了钻头的使用寿命，同时可以减小布齿密度，提高了钻速。

附图说明

图1是本发明实施例的适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头的主视图；

图2是图1的仰视图。

附图标记：刀座1、外螺纹2、刀翼3、排屑槽4、喷嘴5、切削部31、保径部32、复合片33、主动切削齿34、辅助切削齿35、切割鼻部311、曲面部312。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1-2所示的一种适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头，钻头呈阶梯型，用于钻井行业，适用于对坚硬的地层进行钻探。该钻头采用逐级破碎岩石的方式成井，先利用钻头切割鼻部的的切削齿对坚硬地层进行破碎，形成大块的岩石块，再利用多段阶梯状曲面部的切削齿对岩石块进行逐级破碎，最终利用钻头的保径部保证井径的尺寸。其中，辅助切削齿协助主动切削齿进行钻进，用于保护主动切削齿，提高钻速及钻头的使用寿命。被切割的岩石屑，通过钻井液的冲刷从排屑槽向上排出切削工作面，避免岩石屑堆积造成反复研磨的情况发生，保护钻头。

如图1结合图2所示示例的适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头包括刀座1、外螺纹2、刀翼3、排屑槽4和喷嘴5。

刀座1的上端设置有与钻铤连接的外螺纹2。刀座1的底端设置有多个喷嘴5，用于钻井液从中喷出。多个刀翼3固定在刀座1的侧面上。相邻两个刀翼3之间具有不同的夹角，用于非对称刀翼设计，减小钻头在钻进过程中产生的震动。

相邻两个刀翼3之间，在刀座1的底端形成排屑槽4，用于将岩石屑引导出切削工作面。

优选地，刀翼3具有切削部31和保径部32。切削部31呈阶梯状从刀座1的底端向侧面延伸，保径部32在刀座1的侧面与切削部32相连，形成多阶梯式的切削剖面，便于对坚硬的地层进行逐级破碎。

其中，保径部32上镶嵌有多个复合片33。多个复合片33用于保证钻井的井径尺寸，可以避免当刀翼切削部发生严重磨损时，不必停止钻井作业，保证一次下钻钻井的时长，提高钻井的效率。

切削部31包括切割鼻部311和曲面部312。切割鼻部311被置于刀座的底端，用于破碎地层的表面。曲面部312的一端与切割鼻部311相连，另一端与保径部32相连。曲面部312呈多段阶梯状，用于对岩石块进行逐级破碎。

切削部31具有主动切削齿34和辅助切削齿35。

主动切削齿34和辅助切削齿35均沿着切削部31的外轮廓线排布。外轮廓线为切削部31沿着刀座1轴向延伸的轮廓线。外轮廓线包括第一外轮廓线和第二外轮廓线。

多个主动切削齿34沿着切削部31的第一外轮廓线排布。多个辅助切削齿35沿着切削部31的第二外轮廓线排布。

当主动切削齿34进入地层的一定深度后，辅助切削齿35和地层接触分担过高的钻压，减小主动切削齿34的受力，减小主动切削齿34的磨损。辅助切削齿35的设置用于减轻主动切削齿35的磨损，提高钻头的工作寿命。同时，辅助切削齿35可以减小主动切削齿34的布齿密度，提高钻速。

优选地，曲面部312具有两段阶梯。两段阶梯间呈第一圆弧段过渡。曲面部312与切割鼻部311之间呈第二圆弧段过渡。曲面部312与保径部32之间呈第三圆弧段过渡。圆弧段过渡设计，有利于减小切削部31上切削齿受到的冲击载荷，进而保护切削齿，提高钻头的使用寿命。阶梯在水平方向上的宽度可优选为为60mm。

在一些实施例中，适合于破碎坚硬玄武岩地层的PDC钻头具有5个刀翼3。其中，刀翼3为直刀翼。复合片33在刀翼3的保径部均匀排列。复合片33的优选排列方式为七排八列的阵列，便于将切削地层时产生的径向力完全累加到保径部，提高切削部31的稳定性。

在另外的一些实施例中，刀翼3为螺旋刀翼，切削地层时产生的径向力一部分加载在保径部32，将因转动而产生的震动破坏降低到最小化。

优选地，主动切削齿34和辅助切削齿35均为PDC切削齿。

优选地，每一个主动切削齿34都具有独立的运动轨迹，即钻头的每一条切削曲面轨迹只对应一个主动切削齿34，用于提高钻头攻击地面的能力，提高稳定性。

在钻井过程中，切削齿较大的后倒角可以提高钻头的抗冲击能力和研磨能力，切削齿较小的后倒角可以提高机械钻速。为钻头的切削部31和保径部32的主动切削齿设置不同大小的后倒角，用于平衡钻头的转速与寿命，提升钻头的整体性能。位于切割鼻部311的主动切削齿34的后倒角优选为20°。位于曲面部312的主动切削齿34的后倒角优选为25°。位于保径部32的主动切削齿34的后倒角优选为30°。

优选地，位于切割鼻部311的辅助切削齿35的后倒角为15°。位于曲面部312的辅助切削齿35的后倒角为20°。位于保径部32的辅助切削齿35的后倒角为25°。辅助切削齿的后倒角设置用于减轻主动切削齿的磨损，提高钻头的工作寿命。

优选地，排屑槽4呈正螺旋排布在多个刀翼3之间。喷嘴5被设置在排屑槽4内，有利于快速排出岩石屑，相同泵压下产生较大的钻头转动力，有利于定向钻进。排屑槽4的布置减轻了从喷嘴5出来的高速流体产生的旋涡，减轻水力能量损失，充分携带岩屑，避免岩屑的重复研磨，提高了钻速。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。