一种应用于页岩气钻井的金刚石钻头技术领域
本发明涉及一种金刚石钻头，尤其涉及一种应用于页岩气钻井的能够在泥、
页岩地层钻进的金刚石钻头。
背景技术
在近年来备受重视的页岩气资源作为非常规油气资源的开发中，钻机常常
在泥页岩地层钻进，多数钻井作业会遇到复杂地层，这种情况下，钻头成为能
否成功钻进和影响钻井效率的重要因素。申请号为“201410618305.9”的中国专
利申请，提出了在泥页岩地层钻井的PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头的简称)，
该钻头在泥页岩地层钻进，有一定的实用性。然而，在页岩气钻井中，经常会
遇到硬地层或硬夹层，有时还会遇到含硅质较高研磨性地层，常规定向井用的
PDC钻头，主要是通过PDC齿(聚晶金刚石复合片)的剪切运动方式来实现钻
进，在钻头的鼻部和肩部，由于PDC齿在钻头轮廓上的载荷分布特点，容易过
早损坏，造成PDC钻头的机械钻速变得非常缓慢；有时一只新的PDC钻头，在
硬夹层钻井中，钻头可能会快速出现鼻部环磨、台肩磨圆和钻头缩径的情况；
这些都使PDC钻头在硬夹层钻井中存在工作不平稳、钻头局部切削齿过载、钻
头扭矩波动的问题，造成钻头过早失效，会增加钻井成本、降低钻井效率。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种应用于页岩气钻井的金
刚石钻头。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种应用于页岩气钻井的金刚石钻头，包括钻头体，所述钻头体上分布有
多条刮刀，所述刮刀的轮廓包括内锥、鼻部、外锥、台肩和保径块，所述刮刀
上设有切削齿；以所述刮刀切削时的旋转方向为前方，所述钻头体上的所述刮
刀中，至少有一条刮刀上包括一种前排剪切齿和一种后排齿；所述前排剪切齿
为圆片剪切齿、圆形斜面剪切齿和锥台斜面剪切齿中的一种或几种，所述后排
齿为后排剪切齿或后排限位齿；所述后排剪切齿为圆片剪切齿，所述后排限位
齿为球头齿、平头齿和锥形齿中的一种或几种。
具体地，所有刮刀中至少有一条刮刀采用以下结构：
所述钻头体上的所述刮刀中，至少包括一条刮刀，其前排齿由前排圆片剪
切齿组成，其后排齿包括后排圆片剪切齿；该前排圆片剪切齿分布于该刮刀轮
廓的内锥、鼻部、外锥、台肩和保径块，该前排圆片剪切齿与切削面之间设有
0°～35°的后倾角；该后排圆片剪切齿分布于该刮刀轮廓的鼻部、外锥和台肩，
该后排圆片剪切齿与切削面之间设有15°～30°的后倾角；该前排圆片剪切齿
的出露高度大于该后排圆片剪切齿的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
或者，所述钻头体上的所述刮刀中，至少包括一条刮刀，其刮刀上包含有
前排齿和后排齿，其前排齿由前排圆片剪切齿组成，其后排齿包括后排限位齿；
该前排圆片剪切齿分布于该刮刀轮廓的内锥、鼻部、外锥、台肩和保径块，该
前排圆片剪切齿与切削面之间设有0°～35°的后倾角；该后排限位齿为球头
齿、平头齿和锥形齿中的一种或几种，该后排限位齿分布于该刮刀轮廓的内锥、
鼻部、外锥和台肩，该后排限位齿与切削面之间设有-8°～+8°的前倾角；该前
排圆片剪切齿的出露高度大于该后排限位齿的出露高度，高度差在0～2.5毫米
之间。
或者，所述钻头体上的所述刮刀中，至少包括一条刮刀，其刮刀上包含有
前排齿和后排齿，其前排齿由前排圆形斜面剪切齿和/或前排锥台斜面剪切齿组
成，其后排齿包括后排限位齿；该前排齿分布于该刮刀轮廓的内锥、鼻部、外
锥和台肩，该前排齿与切削面之间设有10°～25°的后倾角；该后排限位齿为
球头齿、平头齿和锥形齿中的一种或几种，该后排限位齿分布于该刮刀轮廓的
内锥、鼻部、外锥和台肩，该后排限位齿与切削面之间设有-8°～+8°的前倾角；
该前排齿的出露高度大于该后排限位齿的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
作为优选，所述圆形斜面剪切齿的圆形斜切削面与齿柱圆形底平面之间的
夹角角度为5°～25°；所述锥台斜面剪切齿的锥台斜切削面与锥台圆形底平面
之间的夹角角度为5°～25°；所述锥形齿的锥形切削面与齿柱中心线之间的夹
角角度为28°～66°。
作为优选，所有的所述切削齿中，锥形齿、球头齿和剪切齿均为聚晶金刚
石复合齿或由多晶超研磨材料制造的复合齿。
上述所有结构中，各切削齿的名称含义如下：
前排齿：在近年来的页岩气钻井中，使用的常规PDC钻头的刮刀常常采用
双排齿的布齿方式，以刮刀切削时的旋转方向为前方，在刮刀前排布置的切削
齿通常称为前排齿；
后排齿：与前排齿相对应，在刮刀后排布置的切削齿通常称为后排齿；
剪切齿：常规PDC钻头的刮刀上安装有圆片PDC齿，以剪切方式切削地层，
并依适当的后倾角实现钻头的快速钻井，这种圆片PDC齿在钻头刮刀上的装配
形式，以剪切方式切削地层的切削齿称为剪切齿；
限位齿：常规PDC钻头的后排齿都有限制PDC钻头切深的作用，不是剪切
齿的装配形式且具有限制PDC钻头切深功能的齿柱称作限位齿，限位齿一般垂
直安装在PDC钻头的刮刀轮廓上。
其它名称根据字面理解即可，比如：前排剪切齿为设于前排的剪切齿，后
排剪切齿为设于后排的剪切齿。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设计多种切削齿混合搭配和钻头切深控制的钻头切削齿结构，
能降低钻头的扭矩波动，提高钻头抗研磨和抗冲击的能力，延长钻头切削齿的
寿命，并提高钻头的切削能力、适应能力和机械钻速，增强钻头的稳定性，为
用户降低钻井成本；具体表现为：
1、采用刮刀式双排齿布齿结构，提高了钻头的适应范围；同一刮刀的前后
排齿，提高了钻头设计变化和选择的能力，可以根据钻井地层特点，选择合适
的结构。
2、采用刮刀式双排齿布齿结构，优选合适的出露高度，控制钻头的每转切
深，可以提高钻头的稳定性，有利于减小扭矩波动和工具面的控制。
3、采用刮刀式双排齿布齿结构，可以依据定向井和水平井钻井的作业方式，
采用合适的刮刀轮廓结构；依据地层的硬度和研磨性特点，选择不同切削齿类
型应用在刮刀轮廓的不同位置；可以根据不同齿的特点和破岩特点，提高钻头
的抗冲击，抗研磨能力，提高钻头的机械钻速和钻头寿命，达到减低用户钻井
成本的目的。
附图说明
图1是本发明所述应用于页岩气钻井的金刚石钻头的剖视主视图；
图2是本发明所述页岩气钻井的金刚石钻头的俯视图结构示意图之一；
图3是本发明所述页岩气钻井的金刚石钻头的俯视图结构示意图之二；
图4A是本发明所述页岩气钻井的金刚石钻头的俯视图结构示意图之三；
图4B是本发明所述页岩气钻井的金刚石钻头的俯视图结构示意图之四；
图4C是本发明所述页岩气钻井的金刚石钻头的俯视图结构示意图之五；
图4D是本发明所述页岩气钻井的金刚石钻头的俯视图结构示意图之六；
图5是本发明所述圆片剪切齿的主视结构示意图；
图6是本发明所述圆片剪切齿的俯视结构示意图；
图7是本发明所述圆形斜面剪切齿的主视结构示意图；
图8是本发明所述圆形斜面剪切齿的俯视结构示意图；
图9是本发明所述锥台斜面剪切齿的主视结构示意图；
图10是本发明所述锥台斜面剪切齿的俯视结构示意图；
图11是本发明所述圆片剪切齿在刮刀上的后倾角变化示意图；
图12是本发明所述限位齿中的平头齿的主视结构示意图；
图13是本发明所述限位齿中的平头齿的俯视结构示意图；
图14是本发明所述限位齿中的球头齿的主视结构示意图；
图15是本发明所述限位齿中的球头齿的俯视结构示意图；
图16是本发明所述限位齿中的锥形齿的主视结构示意图；
图17是本发明所述限位齿中的锥形齿的俯视结构示意图；
图18是本发明所述限位齿中的锥形齿在刮刀上的前倾角变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图3、图4A、图4B、图4C和图4D所示，本发明所述应用
于页岩气钻井的金刚石钻头包括钻头体10，钻头体10上分布有多条刮刀11，
刮刀11的轮廓包括内锥7、鼻部6、外锥5、台肩4和保径块3，刮刀11上设
有切削齿9；以刮刀11切削时的旋转方向为前方，钻头体10上的刮刀11中，
至少有一条刮刀11上包括一种前排剪切齿和一种后排齿；所述前排剪切齿为圆
片剪切齿、圆形斜面剪切齿和锥台斜面剪切齿中的一种或几种，所述后排齿为
后排剪切齿或后排限位齿；所述后排剪切齿为圆片剪切齿，所述后排限位齿为
球头齿、平头齿和锥形齿中的一种或几种；这里的所述圆形斜面剪切齿的圆形
斜切削面与齿柱圆形底平面之间的夹角角度为5°～25°；所述锥台斜面剪切齿
的锥台斜切削面与锥台圆形底平面之间的夹角角度为5°～25°；所述锥形齿的
锥形切削面与齿柱中心线之间的夹角角度为28°～66°。
图1中还显示出了两条刮刀11之间的排屑槽13、钻头体10上的喷嘴8、
中心水道2和接头1，接头1上加工有连接螺纹，钻井时，金刚石钻头通过接头
1上的螺纹与井下钻具组合连为一体进行钻井作业；这些结构为金刚石钻头的常
规结构。
说明，上述结构为总体结构，根据实际需要，前排切削齿和后排切削齿的
具体齿型有不同变化，下面对其不同变化的结构进行具体描述。说明：下述各
种齿都是切削齿9中的一种；下述描述中对同一种齿可能采用了不同的数字标
记，是由于不同用途附图中的齿并不一定是一一对应的。
本发明公开的第一种具体结构：
如图1和图2所示，钻头体10上的刮刀11中，至少包括一条刮刀11，其
前排齿由前排圆片剪切齿15组成，其后排齿包括后排圆片剪切齿14；该前排圆
片剪切齿15分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5、台肩4和保径
块3，该前排圆片剪切齿15与刮刀切削面之间设有0°～35°的后倾角；该后
排圆片剪切齿14分布于该刮刀11的轮廓的鼻部6、外锥5和台肩4，该后排圆
片剪切齿14与切削面之间设有15°～30°的后倾角；该前排圆片剪切齿15的
出露高度大于该后排圆片剪切齿14的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
图2中还示出了多个其它后排齿12，其它后排齿12为平头齿或球头齿。其
它后排齿12分布于刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6和台肩4；其它后排齿12
与切削面之间设有-8°～+8°的前倾角。前排圆片剪切齿15的出露高度大于其
它后排齿12的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
本发明公开的第二种具体结构：
如图1和图3所示，钻头体10上的刮刀11中，至少包括一条刮刀11，其
前排齿由前排圆片剪切齿15组成，其后排齿包括后排限位齿，该后排限位齿为
球头齿18；该前排圆片剪切齿15分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外
锥5、台肩4和保径块3，该前排圆片剪切齿15与切削面之间设有0°～35°的
后倾角；该球头齿18分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩
4，该球头齿18与切削面之间设有-8°～+8°的前倾角；该前排圆片剪切齿15
的出露高度大于该球头齿18的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
图3中还示出了多个其它后排齿12，其它后排齿12为平头齿或球头齿。其
它后排齿12分布于刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6和台肩4；其它后排齿12
与切削面之间设有-8°～+8°的前倾角。前排圆片剪切齿15的出露高度大于其
它后排齿12的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
本发明公开的第三种具体结构：
如图1和图4A所示，钻头体10上的刮刀11中，至少包括一条刮刀11，其
刮刀11至少包括多个前排圆片剪切齿15和多个后排锥形齿44；该前排圆片剪
切齿15分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5、台肩4和保径块3，
该前排圆片剪切齿15与切削面之间设有0°～35°的后倾角；该锥形齿44分布
于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该锥形齿44与切削面
之间设有-8°～+8°的前倾角；该前排圆片剪切齿15的出露高度大于该锥形齿
44的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
本发明公开的第四种具体结构：
结合图1和图4B，钻头体10上的刮刀11中，至少包括一条刮刀11，其刮
刀11至少包括多个前排锥台斜面剪切齿45和多个后排锥形齿44；该前排锥台
斜面剪切齿45分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该
前排锥台斜面剪切齿45与切削面之间设有10°～25°的后倾角；该后排锥形齿
44分布于钻头刮刀11轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该锥形齿44与
切削面之间设有-8°～+8°的前倾角；该前排锥台斜面剪切齿45的出露高度大
于该后排锥形齿44的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
本发明公开的第五种具体结构：
结合图1和图4C，钻头体10上的刮刀11中，至少包括一条刮刀11，其刮
刀11至少包括多个前排圆形斜面剪切齿48和多个后排锥形齿44；该前排圆形
斜面剪切齿48分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该
圆形斜面剪切齿48与切削面之间设有10°～25°的后倾角；该后排锥形齿44
分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该后排锥形齿44
与切削面之间设有-8°～+8°的前倾角；该前排圆形斜面剪切齿48的出露高度
大于该后排锥形齿44的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
本发明公开的第六种具体结构：
结合图1和图4D，钻头体10上的刮刀11中，至少包括一条刮刀11，其刮
刀11至少包括多个前排锥台斜面剪切齿45和多个后排球形齿58；该前排锥台
斜面剪切齿45分布于该刮刀11的轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该
前排齿与切削面之间设有10°～25°的后倾角；该后排球形齿58分布于钻头刮
刀11轮廓的内锥7、鼻部6、外锥5和台肩4，该后排球形齿58与切削面之间
设有-8°～+8°的前倾角；该前锥台斜面剪切齿45的出露高度大于该后排球形
齿58的出露高度，高度差在0～2.5毫米之间。
上述六种具体结构中，钻头体10上所有的切削齿9中，选择锥形齿、球头
齿和所有剪切齿(包括圆片剪切齿、圆形斜面剪切齿和锥台斜面剪切齿)均优
选为聚晶金刚石复合齿或由多晶超研磨材料制造的复合齿。
下面切削齿附图是上述六种具体结构中,用得较多齿的结构，下面结合图例
进行具体说明：
如图5和图6所示，一种圆片剪切齿A，包括聚晶金刚石复合材料和/或多
晶超研磨材料构成的圆片形金刚石层61、曲面结合面65和多晶粒炭化钨复合材
料形成的基体68，在高温高压环境中形成。圆片剪切齿A与刮刀的切削面之间
有一个前、后倾斜的夹角，一般称作后倾角，该后倾角设置在0°～35°之间的
范围。
如图7和图8所示，一种圆形斜面剪切齿B，为特殊结构的剪剪切齿。该
齿有圆片形斜面金刚石层71，圆片形斜面金刚石层71由聚晶金刚石复合材料和
/或多晶超研磨材料构成，具有抗冲击、抗研磨和热稳定的性能；该齿还包括非
平面的结合面74、复合材料形成的结合层76和多晶粒炭化钨复合材料形成的基
体79。该齿在高温高压环境中形成。圆形斜面剪切齿B的斜面金刚石层71与结
合层76的底平面72有一个5°～+25°夹角，安装在钻头刀翼相当于侧倾角；
钻井时，圆形斜面剪切齿B与刮刀的切削面之间有一个前、后倾斜的夹角，一
般称作后倾角，该后倾角设置在10°～25°之间的范围。
如图9和图10所示，一种锥台斜面剪切齿C，为特殊结构的剪剪切齿。该
齿包括锥台底平面83和斜平面81一起构成金刚石层切削面，锥台斜面剪切齿C
的金刚石层切削面83和81，由聚晶金刚石复合材料和/或多晶超研磨材料构成，
具有抗冲击、抗研磨和热稳定的性能；曲面结合面85和多晶粒炭化钨复合材料
形成的基体88一起在高温高压环境中形成该齿。锥台斜面剪切齿C斜平面81
与锥台底平面83有一个5°～+25°的夹角范围(或25°～+75°范围)在钻头
刮刀上相当于钻头钻井时的侧倾角；锥台斜面剪切齿C与钻头刮刀的切削面之
间有一个前、后倾斜夹角，一般称作后倾角，该后倾角设置在10°～25°之间
的范围。
图11是图5中圆片剪切齿A在刮刀11上的后倾角变化示意图，该后倾角
变化包括：正后倾角、负后倾角和0度后倾角，图11中的D、E分别代表正后
倾角、负后倾角的角度。圆片剪切齿A在刮刀上11的后倾角变化同样适用于圆
形斜面剪切齿B和锥台斜面剪切齿C的在刮刀11上的后倾角变化。
如图12和图13所示，一种平头齿F，包括圆柱平面91和多晶粒炭化钨复
合材料形成的基体97。平头齿F的轴线与钻头刮刀的切削面之间有一个前、后
倾斜夹角，一般称作前倾角，该前倾角在-8°～+8°之间。
如图14和15所示，一种球头齿G，为特殊金刚石齿，包括球面101构成
的球面金刚石层，该金刚石层由聚晶金刚石复合材料和/或多晶超研磨材料构
成，具有抗冲击、抗研磨和热稳定的性能；与非平面结合面105和多晶粒炭化
钨复合材料形成的基体107一起在高温高压环境中形成该齿。球头齿G也可以
选取整体为碳化钨材料的齿柱；球头齿G的轴线与钻头刮刀的切削面之间有一
个前、后倾斜夹角，一般称作前倾角，该前倾角在-8°～+8°之间。
如图16和图17所示，一种锥形齿H，为特殊金刚石齿；包括锥形面111
构成的锥面金刚石层，该锥面金刚石层由聚晶金刚石复合材料和/或多晶超研磨
材料构成，具有抗冲击、抗研磨和热稳定的性能；与非平面结合面115和多晶
粒炭化钨复合材料形成的基体118一起在高温高压环境中形成该齿。锥形面111
与锥形齿H的轴线有一个夹角113，角度在28°～+66°之间的范围。锥形齿H
的轴线与钻头刮刀的切削面之间有一个前、后倾斜夹角，一般称作前倾角，该
前倾角在-8°～+8°之间。
图18是图16中锥形齿H轴线在刮刀11上的前倾角变化示意图，该前倾角
变化包括：负前倾角、正前倾角和0度前倾角，图18中的J、K分别代表负前
倾角、正前倾角的角度。锥形齿H轴线在刮刀上11的前倾角变化同样适用于平
头齿F和球头齿G在刮刀11上的前倾角变化。
说明：本钻头中锥形齿和各种剪切齿中，存在多晶超研磨材料；多晶超研
磨材料包括人造金刚石和天然金刚石颗粒、人造金刚石和天然金刚石单晶和微
粒的混合，含有立方氮化硼等多晶超研磨材料；在实例中，多晶超研磨材料和
硬质合金基体在高温/高压(“HTHP”)的工艺过程中使用的催化剂材料，能够形
成希望的多晶超研磨材料的锥形齿和多晶超研磨材料的圆片剪切齿。
在上述形成多晶超研磨材料的高温/高压(“HTHP”)的工艺过程，在可加
热的高温/高压的压力机中完成。一般高温达1420℃的温度条件下，高压大约在
5.5GPa～7.8GPa之间的高压力条件下；尽管高温/高压(HTHP)工艺的准确操
作参数将根据正在使用的各种材料的具体成分和数量而发生变化。在高温/高压
的压力机中的压力可以在设定的具体恒定的高温/高压(“HTHP”)条件下，维持
大约在50秒～21分钟的时间内，能够形成多晶超研磨材料的锥形齿和多晶超研
磨材料的圆片剪切齿。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，
只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视
为落入本发明专利的权利保护范围内。