[发明专利]一种固定切削齿钻头

说明书

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。现有钻头主要分为非固定切削齿钻头和固定切削齿钻头（或称，非固定切削结构钻头和固定切削结构钻头）两大类。所谓非固定切削齿钻头，是指在工作状态下，牙齿或切削齿与钻头体之间存在相对运动的钻头。若钻头上的切削齿始终与钻头体固结为一体，彼此之间没有相对运动，则称这类钻头为固定切削齿钻头。

非固定切削齿钻头的典型代表是牙轮钻头。牙轮钻头的牙齿固结在牙轮上，牙轮上的轴承孔与钻头体上的牙掌轴颈相配合，构成一个轴承单元。当钻柱驱动钻头旋转破岩时，牙轮一方面随钻头体一起公转，另一方面在井底岩石阻力的作用下绕牙掌轴颈自转，从而使牙轮上的牙齿依序交替破碎井底岩石。

固定切削齿钻头主要有刮刀钻头、PDC（聚晶金刚石复合片）钻头、孕镶金刚石钻头、天然金刚石钻头等金刚石类钻头，其典型代表是PDC（聚晶金刚石复合片）钻头。PDC钻头是钻井工程（特别是石油天然气钻井工程）中使用的主要钻头品种之一。PDC钻头工作时，钻头在钻压的作用下旋转钻进，依靠钻头上的PDC复合片对地层岩石的切削或刮切作用破碎岩石，从而在地层岩石中形成并逐渐延伸井筒。

聚晶金刚石复合片是PDC钻头上的切削元件，也称为PDC齿、复合片、切削齿或齿。PDC齿由聚晶金刚石层与基体复合而成。聚晶金刚石层的外端面是PDC齿的工作表面，称为PDC齿的切削工作面或切削面。PDC齿的切削工作面与PDC齿侧面相交，形成PDC齿的切削刃轮廓线（在忽略PDC齿切削面边缘倒角时即为金刚石层外端面的轮廓线）。PDC齿用焊接等方式附着在钻头本体上。通常，PDC齿之一部分暴露在钻头冠部表面4之外，为PDC齿的出露部分，剩余部分位于钻头冠部表面之内，为PDC齿的附着部分。PDC齿出露部分的高度称为PDC齿的出露高度。在钻头的钻进过程中，PDC齿会由于与岩石之间的强烈摩擦而逐渐发生磨损。通常情况下，如果PDC齿的出露部分磨损殆尽，就可以认为钻头的钻岩工作能力基本丧失，需要起钻以更换钻头。

PDC钻头最重要的性能指标有两项，即钻速和寿命。

决定钻头钻速的关键在于钻头上的PDC齿对岩石的吃入能力。在给定的钻压条件下，吃入能力越强，PDC齿吃入岩石的深度越深，钻头的钻速也就越快。一般情况下，切削刃轮廓线的曲率越高（对圆形齿而言，即切削齿的直径越小），切削齿吃入地层就越容易。因此，直径小的切削齿比直径大的切削齿更容易吃入地层。

决定钻头寿命的因素很多，其中最重要的是PDC齿的有效工作高度（即可磨损长度，也即PDC齿的出露高度），以及PDC齿的材料性能。当采用相同材质的PDC齿时，PDC齿的出露高度越高，寿命就越长。由于PDC钻头通常采用的是具有圆形齿刃轮廓的PDC齿（即圆柱形PDC齿），所以一般情况下，齿的直径较大时，出露高度值也较大，反之亦然。

随着PDC复合片材料技术和钻头设计技术的进步，PDC钻头的地层适用范围越来越宽，由原来只能钻进软至中硬地层逐渐向硬地层推广。在硬地层钻头的设计中，经常会面临复合片直径规格选择的矛盾：一方面，为了使PDC齿能够具备较好的吃入岩石能力，应该选择直径较小的复合片；但另一方面，硬地层钻进中复合片磨损速度更快，因此为保证钻头的工作寿命，需要选择直径较大的复合片。在实际钻头设计中，通常更重视钻头的钻速指标，选择直径小的切削齿。这样，虽然可以获得较快的钻速，却难以达到较高的工作寿命。

专利《具有二级齿结构的聚晶金刚石复合片钻头》（申请号：200620033337.3）和《具有独立式纵向后备切削结构的聚晶金刚石复合片钻头》（申请号：200720082270.7）均公开了一种后备（二级）齿结构的PDC钻头，其共同特点是后备齿均镶嵌于主齿（基齿）之后的钻头体内，即后备齿相对于钻头体向内布置。两专利的后备齿均在主齿磨损殆尽且钻头本体有部分磨损后才开始工作，目的在于延长钻头磨损状态下的使用时间。上述两专利方案主要适用于需要钻头在切削齿的出露部分全部磨损后仍具备较强钻进能力的场合。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种固定切削齿钻头，以同时增强PDC钻头吃入地层的能力和钻头的工作寿命。

本发明目的通过下述技术方案来实现：