一種保護面上鑲嵌pdc切削齒的空氣錘鑽頭的製作方法

2023-07-26 05:02:26

一種保護面上鑲嵌pdc切削齒的空氣錘鑽頭的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭，包括鑽頭體和鑽頭齒；所述的鑽頭體由中心平面、保護面、中心噴嘴、側噴嘴構成；所述的鑽頭齒包括硬質合金球齒、PDC切削齒；所述的中心平面為圓形平面，設置在空氣錘鑽頭體端面中心位置，在中心平面的外端設有徑向對稱分布的保護槽，保護槽的一側面設為保護面，保護面與中心平面的夾角為15°～35°，在每個保護槽底面設有側噴嘴，PDC切削齒鑲嵌在內傾保護面上，中心平面上的硬質合金球齒的頂面較保護面上的PDC切削齒的頂面高2～3mm，該鑽頭無論在軟質地層、軟硬交錯地層或是硬質地層都能保證較高的機械鑽速。
【專利說明】一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種用於石油、天然氣空氣衝旋鑽井的一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭，尤其適合跨地層連續性的空氣鑽井作業。

【背景技術】
[0002]常規泥漿鑽井常使用牙輪鑽頭及PDC鑽頭，其破巖方式為鑽壓壓持下的靜壓切肖IJ，針對軟質地層破巖效果較好，但是在深部硬質地層及軟硬交錯地層破巖性能較差、機械轉速偏低。牙輪鑽頭及PDC鑽頭多採用PDC切削齒，其特點是徑向切削能力較強，但是由於PDC切削齒的設計初衷是保證牙齒在旋轉鑽井中具備較強的徑向刮削能力，因此其抗軸向衝擊載荷的能力較弱。
[0003]空氣錘鑽井屬於新興鑽井技術，其配套的平底衝擊鑽頭(如專利號為201020565193.2的保徑空氣錘鑽頭及專利號為201020129018.9的雙斜面空氣錘鑽頭)，作業時硬質合金球齒首先侵入巖石，進行高頻衝擊破碎，上部鑽機傳遞的扭矩使硬質合金球齒對巖石進行迴轉切削，其破巖方式為衝擊破碎為主，迴轉切削為輔。平底衝擊鑽頭多採用硬質合金球齒，其特點是具有高效軸向衝擊破巖的能力，但是其徑向刮削能力相對PDC切削齒要弱很多。因此平底衝擊鑽頭針對深部硬質地層破巖效果好，但是在軟質地層及軟硬交錯地層破巖性能也不穩定、提速效果不大明顯。
[0004]相較於常規泥漿鑽井，空氣錘鑽井具有多項技術優勢:在深部硬質地層的高機械鑽速、有利於高徒易斜構造地層防斜打快、有效治理惡性井漏、有利於發現低壓低滲透油氣層、有利於保護儲層及提高採收率，具有巨大的應用前景及發展空間。隨著空氣錘鑽井技術的迅速發展，單個鑽頭的進尺能力已經發展到幾百甚至幾千米，但是受制於平底衝擊鑽頭使用地層的限制，空氣錘鑽井技術的使用範圍也受到很大程度的影響。因此研究一種地層適應性強，能長時間、跨地層、連續性作業的空氣錘鑽頭，必將大大推動空氣錘鑽井這項新技術的發展。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是:為了解決平底衝擊鑽頭在現場使用中出現的地層適用性不強的技術問題。針對空氣衝旋鑽井作業時地層跨度大、井深、鑽遇地層巖性複雜多變等特性，本實用新型設計了一種全新的空氣錘鑽頭，在中心平面上設計了內傾保護面，保護面上鑲嵌PDC切削齒，並使PDC切削齒的齒頂較硬質合金球齒的齒頂低2?3mm，使硬質合金球齒承受絕大部分的衝擊載荷，保證了 PDC切削齒在軸向高頻衝擊載荷下的使用壽命，特別適合空氣衝旋鑽井跨地層連續性作業。
[0006]為了達到上述目的，本實用新型採用以下技術方案:一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭，包括鑽頭體和鑽頭齒；所述的鑽頭體由中心平面、保護面、中心噴嘴、側噴嘴構成；所述的鑽頭齒包括硬質合金球齒、PDC切削齒；所述的中心平面為圓形平面，設置在空氣錘鑽頭體端面中心位置，在中心平面的外端設有徑向對稱分布的保護槽，保護槽的一側面設為保護面，保護面與中心平面的夾角為15°?35°，在每個保護槽底面設有側噴嘴，PDC切削齒鑲嵌在內傾保護面上，中心平面上的硬質合金球齒的頂面較保護面上的roc切削齒的頂面高2?3mm。
[0007]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:在不影響鑽頭衝擊破巖性能的基礎上，在保護面上安置了 PDC切削齒，大大強化了空氣錘鑽頭的迴轉切削能力，鑽頭鑽井作業時切削齒與硬質合金球齒各司其職，無論在軟質地層、軟硬交錯地層或是硬質地層，該鑽頭都能保證較高的機械鑽速，克服了平底衝擊鑽頭在適用地層上的局限性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭的鑽頭體結構示意圖；
[0009]圖2是一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭的鑽頭齒結構示意圖。
[0010]1.中心平面；2.保護面；3.中心噴嘴；4.側噴嘴；5.硬質合金球齒；6.PDC切削齒。

【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0012]參考附圖1至圖2，一種保護面2上鑲嵌PDC切削齒6的空氣錘鑽頭，包括鑽頭體和鑽頭齒；所述的鑽頭體由中心平面1、保護面2、中心噴嘴3、側噴嘴4構成；所述的鑽頭齒包括硬質合金球齒5、PDC切削齒6 ;所述的中心平面I為圓形平面，設置在空氣錘鑽頭體端面中心位置，在中心平面I的外端設有徑向對稱分布的保護槽，保護槽的一側面設為保護面2，保護面2與中心平面I的夾角為15°?35°，在每個保護槽底面設有側噴嘴4，PDC切削齒6鑲嵌在內傾保護面2上，中心平面I上的硬質合金球齒5的頂面較保護面2上的PDC切削齒6的頂面高2?3mm。
[0013]PDC切削齒6在空氣錘工作時可以避免承受大部分的衝擊力，保證了其使用壽命。
[0014]中心噴嘴3和側噴嘴4噴出的高速氣流能夠使巖屑迅速排出，防止重複破碎，提高破巖效率。
[0015]實施案例:
[0016]在軟質地層，巖石呈塑性破碎，鑽頭工作時，中心平面I上的硬質合金球齒5首先接觸井底，在衝擊力的作用下對巖石產生彈性變形及塑性破碎，隨著硬質合金球齒5侵入深度的增加，PDC切削齒6在吃入巖石的同時產生剪切切削作用。在軟質地層，徑向切削的破巖效果要好於軸向衝擊，鑽頭的破巖主要靠PDC切削齒6的剪切刮削,硬質合金球齒5的軸向衝擊可以使PDC切削齒6在切削作業前具有更大的侵深，使PDC切削齒6迴轉一次得到更大的切削破巖量，且鑽頭的高頻衝擊還可以造成巖石的局部損傷，降低巖石的強度，這種新型鑽頭結構設計使得硬質合金球齒5與PDC切削齒6在破巖時互相協作，在軟質地層具有較好的破巖效果。
[0017]在軟硬交錯地層及硬質地層，巖石呈脆性破碎，鑽頭工作時，中心平面I上的硬質合金球齒5首先接觸井底，對巖石產生衝擊破碎，巖石與硬質合金球齒5接觸處形成破碎坑，破碎坑周圍形成密實核、中間裂紋、側向裂紋、徑向裂紋，隨著硬質合金球齒5侵入深度的增加，PDC切削齒6在吃入巖石的同時產生徑向切削力。由於巖石的非均質性及各向異性，硬質合金球齒產生的裂紋形態不盡相同，但是總的來說破碎坑間脊部區域的裂紋分布主要有兩種情況:一是徑向裂紋相互貫通深入發展；另一種是徑向裂紋處於萌發狀態，裂紋細小且不發達。不論是哪種情況，PDC切削齒6的徑向切削都會對相鄰破碎坑間脊部區域產生很大的影響:對於徑向裂紋相互貫通的相鄰破碎坑間脊部區域，PDC切削齒6的迴轉刮削可以直接形成大的崩塊；對於徑向裂紋細小且不發達的相鄰破碎坑間脊部區域，PDC切削齒6的迴轉刮削可以使徑向裂紋、側向裂紋的端部的應力集中，加速徑向裂紋、側向裂紋的拓展，為硬質合金球齒5的下次衝擊創造有利的井底環境，促進硬質合金球齒5的軸向衝擊破巖。
[0018]綜上所述，本領域的普通技術人員閱讀本實用新型文件後，根據本實用新型的技術方案和技術構思無需創造性腦力勞動而作出其它各種相應的變換方案，均屬於本實用新型所保護的範圍。
【權利要求】
1.一種保護面上鑲嵌PDC切削齒的空氣錘鑽頭，其特徵在於:包括鑽頭體和鑽頭齒；所述的鑽頭體由中心平面、保護面、中心噴嘴、側噴嘴構成；所述的鑽頭齒包括硬質合金球齒、PDC切削齒；所述的中心平面為圓形平面，設置在空氣錘鑽頭體端面中心位置，在中心平面的外端設有徑向對稱分布的保護槽，保護槽的一側面設為保護面，保護面與中心平面的夾角為15°?35°，在每個保護槽底面設有側噴嘴，PDC切削齒鑲嵌在內傾保護面上，中心平面上的硬質合金球齒的頂面較保護面上的PDC切削齒的頂面高2?3mm。
【文檔編號】E21B10/46GK203835273SQ201320852886
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】羅衡, 劉興華, 林安邦, 葉海春, 劉德臣 申請人:中海油安全技術服務有限公司