一種流道表面具有凹坑的抗泥包pdc鉆頭的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體下部設(shè)有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭，上部設(shè)有若干刀翼，刀翼之間的溝槽形成鉆頭的流道槽，所述流道槽表面設(shè)有至少兩個(gè)凹坑，該凹坑底面為從坑底最深處向上延伸至流道槽表面的斜面。本實(shí)用新型能明顯減輕巖屑在流道槽的粘著趨勢，防止流道堵塞，達(dá)到抗泥包的目的，從而提高鉆頭鉆進(jìn)效率，延長鉆頭使用壽命，降低鉆井成本。
【專利說明】 一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]PDC鉆頭是一種利用聚晶金剛石復(fù)合片(即roc齒，亦簡稱切削齒或齒)對巖石產(chǎn)生刮切或剪切作用破巖的鉆頭，是現(xiàn)今鉆井工程中使用的主要破巖工具之一，特別是在中軟地層的鉆進(jìn)中PDC鉆頭使用得最多。為了使鉆頭的切削結(jié)構(gòu)和水力結(jié)構(gòu)達(dá)到更好的工作效果，在設(shè)計(jì)、制造鉆頭時(shí)，通常按照一定的規(guī)律將PDC齒分成若干組，同組的roc齒固結(jié)在同一個(gè)齒座上，每個(gè)齒座以及分布于其上的PDC齒構(gòu)成一個(gè)切削結(jié)構(gòu)單元，此單元稱為刀翼(齒座為刀翼體)。刀翼之間的溝槽就形成了鉆頭的流道槽。流道槽主要是便于鉆井流體攜帶巖屑從井底排出。流道上假設(shè)理想流向線，所謂理想流向線，是指鉆頭在井底工作時(shí)，鉆井液流體從鉆頭噴嘴噴出后，在井底、井壁巖石與鉆頭流道之間流動(dòng)時(shí)主流流體的流動(dòng)方向。
[0003]PDC鉆頭在較快鉆進(jìn)或快速鉆進(jìn)時(shí)，特別是在遇到軟泥巖地層、易吸水膨脹的地層或軟硬交錯(cuò)的地層時(shí)，巖屑量較大，巖屑容易粘附并逐漸聚結(jié)在鉆頭的流道表面，阻塞流道，形成泥包。鉆頭泥包會(huì)使鉆頭的鉆巖能力顯著下降，而且使切削齒難以有效冷卻，齒的磨損速度加劇，導(dǎo)致鉆速降低，鉆頭使用壽命縮短。泥包嚴(yán)重時(shí)，鉆頭基本無鉆進(jìn)能力，無法形成明顯進(jìn)尺，此時(shí)需起下鉆更換鉆頭，這將明顯降低鉆井效率，增加鉆井成本。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的就是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，解決了 PDC鉆頭的泥包問題，提高鉆井效率，降低鉆井成本。
[0005]本實(shí)用新型的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體下部設(shè)有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭，上部設(shè)有若干刀翼，刀翼之間的溝槽形成鉆頭的流道槽，所述流道槽表面設(shè)有至少兩個(gè)凹坑，該凹坑由凹坑底面和凹坑側(cè)面構(gòu)成，該凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面。
[0007]作為優(yōu)選，所述凹坑底面的坡度角α < 40° ;所述凹坑側(cè)面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:3。
[0008]凹坑底面的坡度角α是指凹坑底面與流道槽表面之間的夾角。在本實(shí)用新型中坡度角規(guī)定為:凹坑底面最深點(diǎn)或凹坑底面最深處的幾何中心點(diǎn)與交線一(凹坑底面與流道槽表面的交線)的中點(diǎn)之間的連線，此連線與凹坑所在位置的原始流道槽表面的切平面之間的夾角。原始流道槽表面的切平面，是指原始流道槽表面在凹坑坑口幾何中心處的切平面。
[0009]本實(shí)用新型的思路來源于生活在土壤中或者棲息于地洞中的動(dòng)物的降阻抗粘附的體表。為了減少泥土的粘附，某些動(dòng)物的體表從宏觀上呈現(xiàn)幾何非光滑的體表特征，如蜣螂、螻蛄、穿山甲等動(dòng)物的非光滑體表。這些動(dòng)物在黏濕土壤中具有降阻抗粘附的體表，其體表呈現(xiàn)出典型的非光滑特征，這些動(dòng)物體表的降阻抗粘附效果非常明顯。
[0010]鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液流體攜帶巖屑從流道槽表面運(yùn)移，巖屑與流道槽表面接觸。如果流道槽表面為光滑表面，巖屑量較大時(shí)，運(yùn)移任務(wù)量大，巖屑易于粘附在流道槽表面，形成巖屑團(tuán)，使流道不暢通，巖屑運(yùn)移困難，甚至堵塞流道，形成泥包。
[0011]本實(shí)用新型鉆頭的流道槽表面設(shè)有凹坑，凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面，凹坑底面的坡度角Ct <40°，凹坑底面所占的流道區(qū)域(凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積)相對凹坑側(cè)面所占的流道區(qū)域(凹坑側(cè)面向流道槽原始表面的投影面積)的比例明顯要大，凹坑底面與流道槽表面夾角為較小的銳角，過渡平緩，而側(cè)面與流道槽表面夾角較陡。流道槽表面具有凹坑，使得表面不光滑，表面類似于動(dòng)物體表的鱗片，此種表面結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生防巖屑粘附的效果，其原因在于:
[0012]1.流道槽表面的凹坑能減少巖屑與流道槽接觸的面積，從而減少巖屑在流道槽表面的粘附。
[0013]2.凹坑內(nèi)能儲(chǔ)存潤滑液(鉆井液)，其能對從流道槽表面流過的巖屑起潤滑作用，使巖屑與流道槽表面的粘附力和摩擦力大大下降。
[0014]3.凹坑的凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面，坑底至流道槽表面過渡平緩，而凹坑的側(cè)面與流道槽表面過渡陡峭。巖屑在鉆井液的攜帶下在流道槽表面運(yùn)移，當(dāng)巖屑流經(jīng)凹坑時(shí)，由于坑底至流道槽表面過渡平緩，巖屑與凹坑底面之間形成楔形空間，鉆井液流體在楔形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，根據(jù)動(dòng)壓原理，凹坑內(nèi)的流體將對經(jīng)過凹坑的巖屑產(chǎn)生明顯的托舉力(將巖屑推離流道表面的作用或趨勢力)作用，減少巖屑與流道槽表面的接觸與粘附，降低巖屑在流道槽表面的摩阻。若坑底與流道槽過渡陡峭，坑底與流道槽過渡不平緩，巖屑經(jīng)過凹坑時(shí)，將不能產(chǎn)生明顯的托舉作用。因此本實(shí)用新型所涉及的凹坑有利于巖屑的運(yùn)移流動(dòng)，防止巖屑的堆積和滯留。
[0015]4.凹坑的凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面，坑底至流道槽表面過渡平緩，而凹坑的側(cè)面與流道槽表面過渡陡峭，當(dāng)巖屑在流道槽表面從凹坑的陡峭的側(cè)面一方流向平緩的另一方時(shí)，巖屑易于跨過凹坑，使巖屑與坑底的接觸機(jī)會(huì)顯著減少，特別是使巖屑難以接觸坑底深處；當(dāng)巖屑在流道槽表面從凹坑的陡峭的側(cè)面一方流向平緩的另一方時(shí)，其流過凹坑時(shí)的跨越過程是平緩且自然的，有利于巖屑的順暢運(yùn)移。
[0016]5.由于凹坑底面向上延伸與流道槽表面相交過渡平緩自然，從凹坑的陡峭的側(cè)面一方流向平緩的另一方時(shí)將不會(huì)在平緩一方滯留，不會(huì)使巖屑形成堆積。
[0017]因此，本實(shí)用新型能明顯減少或防止巖屑在流道槽表面的附著、堆積，防止流道堵塞及鉆頭泥包，從而提高鉆頭的鉆進(jìn)效率，降低鉆井成本。
[0018]作為優(yōu)選，所述凹坑底面的坡度角α < 30° ;所述凹坑側(cè)面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:4。
[0019]當(dāng)SI相對S2較大、坡度角α較大時(shí)，凹坑底面與流道槽表面的過渡陡峭，巖屑跨越凹坑時(shí)的運(yùn)移流動(dòng)順暢性較差。S1:S2越小、坡度角α越小時(shí)，凹坑底面與流道槽表面的過渡越平緩，凹坑側(cè)面與流道槽表面的過渡越陡峭，巖屑越容易跨越凹坑，巖屑運(yùn)移越順暢。[0020]作為優(yōu)選，所述凹坑底面與流道槽表面的交線為交線一，其長度為LI ;凹坑側(cè)面與流道槽表面的交線為交線二，其長度為L2，LI與L2的關(guān)系為:0.2L2 ^ LI ^ L2。
[0021]當(dāng)交線一太短時(shí)，凹坑底面與流道槽表面的過渡區(qū)域太窄，巖屑跨越凹坑時(shí)的運(yùn)移流動(dòng)順暢性較差；當(dāng)交線一太長時(shí)，凹坑底面與側(cè)面形成的陡峭區(qū)域較窄，實(shí)際凹坑的凹陷部分就較小，不利于潤滑液(鉆井液)的儲(chǔ)存及潤滑效果的發(fā)揮。
[0022]作為優(yōu)選，所述交線一和交線二構(gòu)成凹坑的坑口邊緣線，該坑口邊緣線為鱗片形、半圓形、矩形或梯形。
[0023]作為優(yōu)選，所述凹坑的深度c為0.3-5mm,長度d≥2mm。
[0024]作為優(yōu)選，所述流道槽上相鄰凹坑相交，這種結(jié)構(gòu)有利于擴(kuò)大流道槽上凹坑區(qū)域面積，從而取得更好的減小巖屑粘附和防泥包效果。
[0025]作為優(yōu)選，所述流道槽上相鄰凹坑邊緣之間的最短距離為0-5mm，對于該距離的選取主要考慮的是，如果凹坑之間距離過大，會(huì)造成光滑流道槽區(qū)域過大，防巖屑粘附效果不佳。
[0026]作為優(yōu)選，所述流道槽上的凹坑成排平行布置，這種結(jié)構(gòu)便于凹坑加工實(shí)現(xiàn)。
[0027]作為優(yōu)選，所述流道槽上的凹坑平行交錯(cuò)布置，這種結(jié)構(gòu)使得巖屑或巖屑團(tuán)在交錯(cuò)區(qū)域更容易被破碎分解，防泥包效果更好。
[0028]所述凹坑在流道槽上順著理想流向線由深及淺排布。如果凹坑在流道槽上沿理想流向線由淺及深排布，會(huì)使得巖屑從平緩的底面流向陡峭的側(cè)面，反而不利于巖屑的流動(dòng)，造成巖屑堆積，形成巖屑團(tuán)。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于:本實(shí)用新型能明顯減輕巖屑在流道槽的粘著趨勢，防止流道堵塞，達(dá)到抗泥包的目的，從而提高鉆頭鉆進(jìn)效率，延長鉆頭使用壽命，降低鉆井成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是凹坑的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是凹坑的俯視圖；
[0033]圖4是凹坑的剖視圖；
[0034]圖5是相鄰凹坑相交時(shí)的示意圖；
[0035]圖6是凹坑成排平行布置時(shí)的示意圖；
[0036]圖7是凹坑平行交錯(cuò)布置時(shí)的示意圖；
[0037]圖8是巖屑與凹坑的作用原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0039]實(shí)施例一
[0040]參見圖1至圖4所示，一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體I，該鉆頭本體I下部設(shè)有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭2，上部設(shè)有若干刀翼3，刀翼3之間的溝槽形成鉆頭的流道槽4，所述流道槽4表面設(shè)有至少兩個(gè)凹坑5，所述凹坑5由凹坑底面51和凹坑側(cè)面52構(gòu)成，該凹坑底面51從坑底直接延伸到流道槽4的表面。所述凹坑底面51的坡度角α < 40° ;所述凹坑側(cè)面52向流道槽4原始表面的投影面積SI與凹坑底面51向流道槽4原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 ^ 1:3。凹坑底面51與流道槽4表面的夾角為銳角，過渡平緩，而凹坑側(cè)面52與流道槽4表面的夾角為鈍角，較陡。凹坑底面51與流道槽4表面的交線為交線一 53，其長度為LI ;凹坑側(cè)面52與流道槽4表面的交線為交線二 54，其長度為L2，LI與L2的關(guān)系為:0.2L2 ^ LI ^ L2。
[0041]參見圖1，所述凹坑在流道槽上順著理想流向線由深及淺排布。
[0042]所述交線一 53和交線二 54構(gòu)成凹坑5的坑口邊緣線，該坑口邊緣線可以為鱗片形、半圓形、矩形或梯形，本實(shí)施例中該坑口邊緣線為鱗片形。
[0043]參見圖8，在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，由于流道槽4表面設(shè)有凹坑5，流道槽4表面的凹坑5能減少巖屑與流道槽4接觸的面積，從而減少巖屑在流道槽4表面的粘附，凹坑5內(nèi)能儲(chǔ)存潤滑液6，即鉆井液，其能對從流道槽4表面流過的巖屑7起潤滑作用，使巖屑7與流道槽4表面的粘附力和摩擦力大大下降。凹坑5的凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽4的表面與流道槽4相交，坑底至流道槽4表面過渡平緩，而凹坑5的側(cè)面與流道槽4表面過渡陡峭，當(dāng)巖屑7在流道槽4表面從凹坑5的陡峭的側(cè)面一方流向平緩的另一方時(shí)，其流過凹坑5時(shí)的跨越過程是平緩且自然的，有利于巖屑7的順暢運(yùn)移，也不會(huì)使巖屑形成堆積。當(dāng)巖屑流經(jīng)凹坑時(shí)，由于坑底至流道槽表面過渡平緩，巖屑與凹坑底面之間形成楔形空間，鉆井液流體在楔形空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，根據(jù)動(dòng)壓原理，凹坑內(nèi)的流體將對經(jīng)過凹坑的巖屑產(chǎn)生明顯的托舉力作用。因此，本實(shí)用新型能明顯減少或防止巖屑7在流道槽4表面的附著、堆積，防止流道堵塞及鉆頭泥包，從而提高鉆頭的鉆進(jìn)效率，降低鉆井成本。
[0044]實(shí)施例二 [0045]參見圖3和圖4，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于，所述凹坑5的深度c為
0.3_5mm，長度 d ^ 2mm。
[0046]凹坑5的這種深度和長度范圍是最容易加工的，如果凹坑5的長度和深度太小，加
工難度會(huì)非常大。
[0047]需要解釋的是:所謂凹坑5的長度是指在凹坑橫向或縱向方向最大的輪廓尺寸。
[0048]實(shí)施例三
[0049]參見圖5，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于，所述流道槽4上相鄰凹坑5相交，這種結(jié)構(gòu)有利于擴(kuò)大流道槽4上凹坑區(qū)域面積，從而取得更好的減小巖屑粘附和防泥包效果。
[0050]實(shí)施例四
[0051]參見圖6，本實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于，所述流道槽4上的凹坑5成排平行布置，且相鄰凹坑5邊緣之間的最短距離為0-5mm，對于該距離的選取主要考慮的是，如果凹坑5之間距離過大，會(huì)造成光滑流道槽區(qū)域過大，防巖屑粘附效果不佳。
[0052]實(shí)施例五
[0053]參見圖7，本實(shí)施例與實(shí)施例四的不同之處在于，所述流道槽4上的凹坑5平行交錯(cuò)布置，這種結(jié)構(gòu)使得巖屑或巖屑團(tuán)在交錯(cuò)區(qū)域更容易被破碎分解，防泥包效果更好。
[0054]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，包括鉆頭本體，該鉆頭本體下部設(shè)有聯(lián)接鉆桿的螺紋接頭，上部設(shè)有若干刀翼，刀翼之間的溝槽形成鉆頭的流道槽，其特征在于:所述流道槽表面設(shè)有至少兩個(gè)凹坑，該凹坑由凹坑底面和凹坑側(cè)面構(gòu)成，該凹坑底面從坑底直接延伸到流道槽表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑底面的坡度角α <40° ;所述凹坑側(cè)面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑底面的坡度角α <30° ;所述凹坑側(cè)面向流道槽原始表面的投影面積SI與凹坑底面向流道槽原始表面的投影面積S2的比值的范圍為SI:S2 <1:4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑底面與流道槽表面的交線為交線一，其長度為LI ;凹坑側(cè)面與流道槽表面的交線為交線二，其長度為L2，LI與L2的關(guān)系為:0.2L2 ^ LI ^ L2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述交線一和交線二構(gòu)成凹坑的坑口邊緣線，該坑口邊緣線為鱗片形、半圓形、矩形或梯形。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述凹坑的深度c為0.3_5_，長度d ^ 2_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上相鄰凹坑相交。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上相鄰凹坑邊緣之間的最短距離為0-5mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上的凹坑成排平行布置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流道表面具有凹坑的抗泥包PDC鉆頭，其特征在于:所述流道槽上的凹坑平行交錯(cuò)布置。
【文檔編號】E21B10/46GK203603768SQ201320738499
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】林敏 , 楊迎新, 曾力哲, 徐強(qiáng), 陳煉, 任海濤, 周謐, 包澤軍, 周春曉 申請人:西南石油大學(xué), 四川川石·克銳達(dá)金剛石鉆頭有限公司, 四川川慶石油鉆采科技有限公司