一种预破碎混合布齿的PDC钻头.pdf

本发明公开了一种预破碎混合布齿的PDC钻头，包括钻头主体，在钻头主体端头均布五组PDC刀翼，在每组PDC刀翼上沿径向布置有多个PDC切削齿和预破碎齿，每个PDC切削齿工作面的前方对应布置有同轨的预破碎齿，或者预破碎齿与对应的PDC切削齿布置在相邻的PDC刀翼上，并且对应的预破碎齿与PDC切削齿位于同定位半径和同定位高度；钻头主体上还布置有五组喷嘴，五组喷嘴与五组PDC刀翼依次间隔分布。本发明的装置，增强PDC钻头在硬地层、软硬交错的夹层和含砾石地层中的适应性，钻井效率高，显著提高钻头的寿命。

1.  一种预破碎混合布齿的PDC钻头，其特征在于：包括钻头主体(1)，在钻头主体(1)端头均布五组PDC刀翼(3)，在每组PDC刀翼(3)上沿径向布置有多个PDC切削齿(5)和对应的预破碎齿(6)，每个PDC切削齿(5)工作面的前方布置有对应同轨的预破碎齿(6)，并且对应的预破碎齿(6)与PDC切削齿(5)位于同定位半径和同定位高度；
在钻头主体(1)上还布置有五组喷嘴(4)，五组喷嘴(4)与五组PDC刀翼(3)依次间隔分布。

2.  一种预破碎混合布齿的PDC钻头，其特征在于：包括钻头主体(1)，在钻头主体(1)端头均布五组PDC刀翼(3)，在每组PDC刀翼(3)上沿径向布置有多个PDC切削齿(5)和预破碎齿(6)，预破碎齿(6)与对应的PDC切削齿(5)布置在相邻的PDC刀翼(3)上；并且对应的预破碎齿(6)与PDC切削齿(5)位于同定位半径和同定位高度；
在钻头主体(1)上还布置有五组喷嘴(4)，五组喷嘴(4)与五组PDC刀翼(3)依次间隔分布。

3.  根据权利要求1或2所述的预破碎混合布齿的PDC钻头，其特征在于：所述的预破碎齿(6)的形状选用锥球齿、楔形齿、勺形齿、球形齿、锥台齿、菱锥齿、圆柱齿之一。

4.  根据权利要求1或2所述的预破碎混合布齿的PDC钻头，其特征在于：所述的预破碎齿(6)的后倾角α范围为-45°≤α≤45°。

一种预破碎混合布齿的PDC钻头
技术领域
本发明属于石油钻探设备技术领域，涉及一种预破碎混合布齿的PDC钻头。
背景技术
目前在石油天然气钻井中主要是用三牙轮钻头和PDC钻头。PDC钻头的破岩机理为刮削破岩，三牙轮钻头的破岩机理为冲击压碎。由于岩石的抗剪强度远小于抗压强度，所以PDC钻头的破岩效率和破岩速度远大于三牙轮钻头。但是PDC钻头又有其显著的缺点，即不能适应硬地层、软硬交错的夹层地层和含砾石的地层。
如何解决PDC钻头在这些地层中钻井效率低、寿命短的问题，已经成为了PDC钻头技术的一大难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种预破碎混合布齿的PDC钻头，解决了现有技术中存在的PDC钻头在硬地层、软硬交错的夹层和含砾石的地层中的适应性差，钻井效率低、寿命短的问题。
本发明所采用的技术方案是，
第一种，一种预破碎混合布齿的PDC钻头，包括钻头主体，在钻头主体端头均布五组PDC刀翼，在每组PDC刀翼上沿径向布置有多个PDC切削齿和对应的预破碎齿，每个PDC切削齿工作面的前方布置有对应同轨的预破碎齿，并且对应的预破碎齿与PDC切削齿位于同定位半径和同定位高 度；在钻头主体上还布置有五组喷嘴，五组喷嘴与五组PDC刀翼依次间隔分布。
第二种，一种预破碎混合布齿的PDC钻头，包括钻头主体，在钻头主体端头均布五组PDC刀翼，在每组PDC刀翼上沿径向布置有多个PDC切削齿和预破碎齿，预破碎齿与对应的PDC切削齿布置在相邻的PDC刀翼上；并且对应的预破碎齿与PDC切削齿位于同定位半径和同定位高度；在钻头主体上还布置有五组喷嘴，五组喷嘴与五组PDC刀翼依次间隔分布。
本发明的预破碎混合布齿的PDC钻头，其特征还在于：
预破碎齿的形状选用锥球齿、楔形齿、勺形齿、球形齿、锥台齿、菱锥齿、圆柱齿之一。
预破碎齿的后倾角α范围为-45°≤α≤45°。
本发明的有益效果是，通过钻头刀翼上预破碎齿预先破碎岩石，并在井底形成连续的圆环形齿坑，降低岩石强度，PDC切削齿利用之前形成的齿坑能够更容易地吃入地层，提高其破岩效率。主要包括以下特点：
1)提高破岩效率和机械钻速：由于通过钻头刀翼上预破碎齿预先地破碎岩石，并在井底形成连续的圆环形齿坑，降低岩石强度，PDC切削齿利用之前形成的齿坑能够更容易地吃入地层，从而提高破岩效率和机械钻速。
2)减少PDC切削齿热磨损现象：由于预破碎齿已经预先地破碎了部分岩石，能够有效地减少PDC切削齿与岩石的接触面积和切削体积，能大幅度地减少PDC切削齿的热磨损和热能集中的现象。
3)提高钻头寿命：由于每一颗PDC切削齿的切削轨迹上都对应了有预破碎齿，同时PDC切削齿热磨损现象的减少，因而可以大幅提高PDC切削齿的工作寿命和钻头的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1的布齿俯视图；
图3是本发明实施例1的布齿周向位置图；
图4是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6工作的主视图；
图5是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6工作的俯视图；
图6是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图；
图7是本发明实施例1的1号刀翼的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图；
图8是本发明实施例2的结构示意图；
图9是本发明实施例2的布齿俯视图；
图10是本发明的预破碎齿6的后倾角布置的表示图。
图中，1.钻头主体，2.接头，3.PDC刀翼，4.喷嘴，5.PDC切削齿，6.预破碎齿，7.预破碎齿坑，8.切削齿坑，9.井底轮廓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明的结构是，包括钻头主体1，钻头主体1与接头2连接为一个整体，在钻头主体1端头均布五组PDC刀翼3(即五组PDC刀翼3半包围均布在钻头主体1端头)，在每组PDC刀翼3上沿径向布置有多个PDC切削齿5及对应的预破碎齿6，每个PDC切削齿5工作面的前方布置有对应同轨的预破碎齿6，并且预破碎齿6与对应的PDC切削齿5位于同定位半径和同定位高度；钻头主体1上还布置有五组喷嘴4，五组喷嘴4与五 组PDC刀翼3依次间隔分布，用于清洗五组PDC刀翼3的钻头流道；
参照图2，罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表钻头的1-5组PDC刀翼3，每组PDC刀翼3上的PDC切削齿5与预破碎齿6对应布置。
预破碎齿6的形状选用锥球齿、楔形齿、勺形齿、球形齿、锥台齿、菱锥齿、圆柱齿之一；预破碎齿6的材料选用硬质合金、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、孕镶金刚石、天然金刚石、立方氮化硼、硬质合金、金刚石或立方氮化硼的切削齿。
预破碎齿6的后倾角α范围为-45°≤α≤45°。
根据需要，预破碎齿6与对应的PDC切削齿5可以布置在同一个PDC刀翼3上，或者布置在相邻的PDC刀翼3上。
实施例1
参照图1-图2，是实施例1的PDC钻头结构，每一颗预破碎齿6同轨(同定位半径和同定位高度)地布置在每组PDC刀翼3上对应的PDC切削齿5工作面的前方；预破碎齿6的轴向定位高度与PDC切削齿5相等。
参照图3、图4、图5，每组PDC刀翼3上的PDC切削齿5与对应的预破碎齿6都位于相同的定位半径上，且顺着钻头旋转方向，预破碎齿6布置在PDC切削齿5工作面的前方，能够比PDC切削齿5预先破碎岩石。
预破碎齿6的形状采用的是锥球齿，其中锥顶位置的球面半径为R2，其材料为硬质合金。
预破碎齿6的后倾角为15°，该角度的轴向力最小，同时吃入地层能力最强。
图6是本发明实施例1的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图(所有的PDC切削齿5与预破碎齿6投影到同一平面上)，通过该方 法布齿，形成了井底轮廓9。
图7是本发明实施例1的第一组PDC刀翼3的PDC切削齿5与预破碎齿6的混合布齿井底覆盖图(第一组PDC刀翼3上的PDC切削齿5与预破碎齿6投影到同一平面上)，PDC切削齿5与预破碎齿6布置在钻头的刀翼3上，形成了井底轮廓9。
实施例2
参照图8、图9，实施例2与实施例1主体结构基本相同，其区别在于，其预破碎齿6与对应的PDC切削齿5布置在相邻的PDC刀翼3上。
具体设置是，如图9中罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表钻头的第1-5组PDC刀翼3，设置在I组PDC刀翼3上的PDC切削齿5所对应的预破碎齿6布置在II组PDC刀翼3上，设置在Ⅱ组PDC刀翼3上的PDC切削齿5所对应的预破碎齿6布置在Ⅲ组PDC刀翼3上，依次类推；预破碎齿6与PDC切削齿5同定位半径和同定位高度，顺着钻头旋转方向，预破碎齿6布置在PDC切削齿5工作面的前方，能够比PDC切削齿5预先破碎岩石。
预破碎齿6的形状选用楔形齿，其材料为聚晶金刚石复合体。
图10是本发明的预破碎齿6的后倾角布置的表示方法，α为预破碎齿的轴线与井底轮廓9的法线的夹角。沿着钻头旋转方向，当α≥0°时，为正后倾角，当α＝0°时，为零后倾角，当α≤0°时，为负后倾角。
实施例2中的各个预破碎齿6的后倾角为0°。
本发明的预破碎混合布齿的PDC钻头，其工作原理是，
参照图5、图6、图7和图10，通过PDC刀翼3上的预破碎齿6预先破碎岩石，并在井底形成连续的圆环形预破碎齿坑7，降低岩石强度；然后， PDC切削齿5利用之前形成的预破碎齿坑7能够更容易地吃入地层，刮切破岩形成切削齿坑8，得到井底轮廓9，提高其破岩效率。
本发明的装置，与常规的PDC钻头相比，采用预破碎混合布齿方式，能使PDC切削齿更容易吃入地层，提高钻头的破岩效率和机械钻速；同时类似于“双排齿”的布齿方法，能显著提高钻头的寿命。本发明的预破碎混合布齿的PDC钻头增强了PDC钻头在硬地层、软硬交错的夹层和含砾石地层中的适应性，防止钻头因受到强烈的冲击载荷造成PDC切削齿5失效，解决现有PDC钻头在这些地层中钻井效率低，寿命短的问题。