[实用新型]一种具有增强定向易控性的PDC钻头

说明书

技术领域

本实用新型涉及石油天然气钻探工程、矿山开采、地质钻探、建筑工程、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是一种具有增强定向易控性的PDC钻头。

背景技术

随着社会对油气资源需求量的增加，赋存条件较差的油气资源以及新型油气资源的开采成为必然，例如深层油气、页岩气、煤层气、海洋油气资源等等。在新的油气资源开采的条件下，钻井作业面临新的需求。总体而言，井身结构面临更深远、更复杂的情况；对于井型而言，定向井、水平井、分支井等技术大量运用。而造斜段作为这些井身结构中的变向部位，其作业过程的质量、效率对于钻井费用、钻井时间等有较大影响。

在井眼造斜过程中，传统PDC钻头存在造斜曲率过大、钻头磨损严重、井壁不光滑、时常卡钻、造斜摩擦阻力过大、实际轨迹较设计轨迹偏离较大等缺陷，这与当下提出的低成本、高效率的钻井理念相违背。针对这种现状，国内外许多专家对钻头在井眼造斜过程中出现的种种问题进行了大量研究。但大多数研究都停留在钻具组合和弯接头设计等方面，鲜有研究综合考虑PDC钻头心部形状对井眼造斜的影响。

PDC钻头在砂岩和泥岩地层机械钻速高、钻头工作寿命长、耐高温能力强于牙轮钻头，同样适合定向井、水平井施工。现在PDC钻头已成为油气钻井的主力钻头，但在定向井作业中，常出现初始造斜困难、方位不稳、钻头偏移趋势增加、钻头进尺缓慢等现象。在影响PDC钻头定向钻进能力因素中，心部形状的设计特点尤为关键。决定着定向造斜是否成功，稳斜阶段能否保持平稳钻进。如图5所示，现有的PDC钻头竖心现象比较严重，造斜易控性能较差。其在造斜过程中，钻进距离为h，角度为β，切削齿钻进过程负载（破岩）与空载体积结果直接决定了钻头的偏转能力，如图7所示，其钻头在中心处负载与空载体积变化大，钻头造斜可靠性差，规径齿的破岩结果导致钻头扭矩增加，造斜困难。

作为常规能源的重要补充能源页岩气的开发，资源的开采难度较大，钻探不同于常规钻井，钻井中的丛式井及水平定向井较多，这就需要PDC钻头具有良好的定向性和造斜易控性，从而缩短开采前期的周期，符合钻井的经济理念。

随着大量油田的过度开采，油田单井产量逐渐下降。如何在现有井口的基础上增加单井采收率，已成为众多专家研究的主要课题。在已发现油田区块上另钻油井，不仅会增加业主方投资，而且会给当地环境造成较大破坏。因此，在已钻油井的基础上进行二次开发（通过打斜井、水平井、丛式井等造斜方法到达探明的油层）符合时下的经济理念和环境保护要求。

从钻头现场使用的情况来看，钻头偏转能力的大小直接决定了井眼实际造斜轨迹与设计轨迹的相符程度。钻头偏转能力强，其造斜段的实际轨迹与设计轨迹相符程度高，能较好解决初始造斜困难、方位不稳等问题，可大大节约到达目的油层的时间与费用，同时降低造斜段井下工具发生事故的风险；相反，钻头偏转能力弱，其造斜段的实际轨迹与设计轨迹相符程度低，增加钻头到达目的油层的时间，同时增加了井下工具的磨损力度和井下事故风险。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种具有良好的偏转性能，规径部位不主动切削和使钻头工作平稳的具有增强定向易控性的PDC钻头。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：一种具有增强定向易控性的PDC钻头，包括钻头体、冠部和切削齿，冠部沿钻头体底面和侧面设置，冠部的回转轮廓线上设置有多个切削齿，所述的冠部的回转轮廓线由依次连接的心部、鼻部、外侧、肩部和规径段组成，所述的心部为凹球面，与鼻部的轮廓平滑连接，凹球面在钻头径向上的分布半径R1大于1/4钻头半径，小于3/4钻头半径，凹球面的曲率半径R2大于1/4钻头半径，小于5倍钻头半径；靠近钻头体中心处的切削齿为中心齿。

所述的中心齿为复合片切边齿，切边长度为L，切角为γ：0＜L≤D，30°≤γ≤90°，且其切边与外圆的一个交点在钻头体的轴线上。

所述的肩部对应的轮廓为球面结构，其径向尺寸D对应为钻头设计直径，与规径段的轮廓平滑连接；所述的规径段对应的轮廓为圆锥结构，且其对应的锥面与钻头体的轴线的夹角≤5°。

本实用新型具有以下优点：

1、钻头心部为凹球面，在定向井钻进和造斜过程中，井底岩石中心部位形成一个球面，其心部与井底贴合更好，心部的转向阻力更小，具有良好的偏转性能，使实际造斜轨迹与理论设计轨迹能够较好地吻合。