双级切削结构钻头.pdf

本发明公开了一种用于石油天然气钻井的双级切削结构钻头，包括钻头体、硬质合金切削件、PDC切削件和喷嘴。这种双级切削结构钻头的硬质合金切削件的出露高度大于PDC切削件的出露高度，硬质合金切削件组成第一级切削结构，PDC切削件组成第二级切削结构。硬质合金切削件的排布密度较小，但能够完全覆盖井底，PDC切削件的排布密度与常规PDC钻头相当。这种双级切削结构钻头能够在中间含有砾石层的地层中有效地钻进。

1.  一种双级切削结构钻头，包括钻头体(1)、硬质合金切削件(2)、PDC切削件(3)和喷嘴(4)，其特征在于硬质合金切削件(2)的出露高度大于PDC切削件(3)的出露高度，硬质合金切削件(2)组成第一级切削结构，PDC切削件(3)组成第二级切削结构。

2.  根据权利要求1所述的双级切削结构钻头，其特征在于硬质合金切削件(2)的排布密度较小，但能够完全覆盖井底，PDC切削件(3)的排布密度与常规PDC钻头相当。

双级切削结构钻头
                        技术领域
本发明涉及一种石油天然气钻井钻头，具体地说，是一种具有双级切削结构的钻井钻头，属于对PDC钻头的结构改进。
                        背景技术
常规PDC钻头在可钻性较好的均质地层中，具有机械钻速快、使用寿命长的优点。但在钻井过程中，经常会遇到如下这种层序的地层：上下都是可钻性较好的地层，而中间夹着一段较薄的可钻性很差的砾石层。若在这种地层中采用常规PDC钻头钻井，一般在钻遇砾石层时，坚硬的砾石会对钻头产生很大的冲击作用，使PDC切削件遭到严重损坏，从而使钻头失去切削地层的能力，因此缩短了钻头的使用寿命。
                        发明内容
为了克服上述常规PDC钻头只能适应钻可钻性较好的均质地层，而不能钻中间含有砾石层的地层的缺陷，本发明提供了一种石油天然气钻井钻头，它能够有效地钻穿中间含有砾石层的地层。本发明的目的就是为钻井现场提供一种双级切削结构钻头。
为了达到上述目的，本发明包括钻头体、硬质合金切削件、PDC切削件和喷嘴。按照本发明，这种双级切削结构钻头的硬质合金切削件的出露高度大于PDC切削件的出露高度，硬质合金切削件组成第一级切削结构，PDC切削件组成第二级切削结构。本发明硬质合金切削件的排布密度较小，但能够完全覆盖井底，PDC切削件的排布密度与常规PDC钻头相当。
在钻井过程中，经常会遇到如下这种层序的地层：上下都是可钻性较好的地层，而中间夹着一段较薄的可钻性很差的砾石层。本发明的双级切削结构钻头在钻这种地层时，由于硬质合金切削件的出露高度大于PDC切削件的出露高度，所以首先参与切削地层的是由硬质合金切削件组成的第一级切削结构，因为地层的可钻性较好，且硬质合金切削件的排布密度较小，所以可以获得较快的机械钻速。由于硬质合金切削件的整体抗冲击能力是根据所钻具体地层中砾石的坚硬程度和砾石层的厚度设计的，且在径向上是按照近似等功率方式布置的，所以本发明的第一级切削结构既能够钻穿砾石层，又能够在钻完砾石层时使大多数硬质合金切削件从根部折断。这样，在钻过砾石层后，本发明的第一级切削结构就失去了切削地层的能力，而且由于硬质合金切削件的损坏是从根部折断的，所以不会增大承压面积，此后参与切削的仅仅是由PDC切削件组成的第二级切削结构，又由于PDC切削件的排布密度与常规PDC钻头相当，因而本发明可以像常规PDC钻头一样在可钻性较好的地层中获得较快的机械钻速。由于本发明的双级切削结构钻头能够以较快的机械钻速连续钻完中间含有砾石层的地层，所以与常规PDC钻头相比，本发明延长了使用寿命，提高了钻井效率。
本发明将通过具体实例结合附图加以说明。
                        附图说明
图1是本发明所述的一种双级切削结构钻头切削件排布示意图；
图2是图1中A-A剖视示意图。
                    具体实施方式
参照图1和图2用于石油天然气钻井的双级切削结构钻头，包括钻头体1和在钻头体1的端面上安装着的若干个硬质合金切削件2、若干个PDC切削件3以及数个喷嘴4。在径向上，PDC切削件3的布置采用的是同大多数常规PDC钻头一样的近似等切削方式，而硬质合金切削件2的布置是近似等功率方式。硬质合金切削件2的出露高度大于PDC切削件3的出露高度4.0-5.5mm，硬质合金切削件2组成第一级切削结构，PDC切削件3组成第二级切削结构。硬质合金切削件2的排布密度较小，约为1.5，但能够完全覆盖井底；而PDC切削件3的排布密度约为3.0，与中密度布齿的常规PDC钻头相当。数个喷嘴4根据清洗和冷却的要求分布在钻头端面上的不同部位。
根据上述方案制造出的双级切削结构钻头在钻中间含有砾石层的地层时，由于硬质合金切削件2地出露高度大于PDC切削件3的出露高度，所以首先参与切削地层的是由硬质合金切削件2组成的第一级切削结构。因为位于砾石层上面的地层的可钻性较好，且硬质合金切削件2的排布密度较小，所以本发明的双级切削结构钻头在位于砾石层上面的地层中可以获得较快的机械钻速。由于硬质合金切削件2的整体抗冲击能力是根据所钻具体地层中砾石的坚硬程度和砾石层的厚度设计的，硬质合金切削件2在径向上是按照近似等功率方式布置的，所以本发明的第一级切削结构既能够钻穿砾石层，又能够在钻完砾石层时使大多数硬质合金切削件2从根部折断。这样，在钻过砾石层后，本发明的第一级切削结构就失去了切削地层的能力，而且由于硬质合金切削件2的损坏是从根部折断的，所以不会增大承压面积，此后参与切削的仅仅是由PDC切削件3组成的第二级切削结构，又由于PDC切削件3的排布密度与常规PDC钻头相当，因而本发明可以像常规PDC钻头一样在位于砾石层下面的可钻性较好的地层中获得较快的机械钻速。