[发明专利]一种具有自修复能力的长寿命钻头

说明书

本发明公开了一种具有自修复能力的长寿命钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，包括钻头体和至少一个刀翼，刀翼上设置有若干第一组切削齿，刀翼布齿面和/或刀翼保径面设置凹窝用以固定第一组切削齿，至少一个刀翼上设置有至少一个空槽和至少一个第二组切削齿，空槽内设置凹窝用以固定第二组切削齿，且第二组切削齿至少部分切削刃出露于空槽内表面。本发明能够在钻头某区域的切削齿完全磨损后，新的切削齿自然出露，实现钻头的自修复，使“自修复”后的钻头能够持续高效钻进。

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、水文等钻探设备技术领域，具体的讲涉及一种长寿命钻头。

背景技术

PDC钻头是钻井工程中最常用的钻头工具之一，特别是在当今石油、天然气钻井工程中，PDC钻头所取得的进尺数已经占到了油气钻井总进尺的80％以上，占有绝对重要的地位。

PDC钻头主要由钻头本体、连接螺纹和刀翼以及布置在刀翼上的聚晶金刚石复合片(即PDC齿，以下也简称为切削齿或复合片)组成。PDC钻头的刀翼包括主刀翼和副刀翼，它们的主要区别是在钻头的径向视图上看，延伸到钻头心部(或接近钻头心部)的刀翼称之为主刀翼，其他刀翼称之为副刀翼。

在对PDC钻头做径向布齿设计时，其中一条很重要的设计曲线叫做PDC钻头的“切削轮廓线”，即在PDC钻头布齿覆盖图中与钻头各切削齿齿刃轮廓线相切的曲线，也可视为钻头上各切削齿齿刃轮廓线的包络曲线。钻头的切削轮廓线代表了钻头所钻出井底的基本轮廓形状特征。此外，“刀翼轮廓线”也是PDC钻头的一条重要特征曲线，切削齿固结在刀翼上，其超出刀翼轮廓线的部分为齿的出露部分，切削齿的出露高度是决定钻头侵入岩石能力的重要因素。一般情况下，刀翼轮廓线的大部分区域与钻头的切削轮廓线平行或接近平行。根据设计习惯，通常将钻头的切削轮廓线和刀翼轮廓线分为四个区域(曲线段)，即内锥区域、冠顶区域、肩部区域和保径区域。

衡量PDC钻头工作性能的指标主要有两个，一个是钻速，另一个工作寿命，而影响PDC钻头工作性能的因素主要包括PDC齿的性能参数(以耐磨性和抗冲击性为主)、PDC齿的结构参数(齿的直径、齿形等)、布齿密度和布齿方式。而在PDC钻头设计时，需要综合考虑具体的钻井条件(尤其是地层条件)，并据此选择合适的切削齿规格型号、布齿密度和布齿方式。在PDC钻头钻岩过程中，随着钻头切削齿的磨损，钻速逐渐下降。通常用钻头上各区域PDC齿直径的磨损量作为其磨损评价与分级的基本依据。PDC钻头属于固定切削齿钻头，如果钻头某局部区域上的PDC齿磨损殆尽，钻头的切削能力即丧失。当PDC钻头钻遇复杂地层(如软硬交替地层、硬研磨性地层、含砾石夹层等)时，PDC钻头上切削齿的磨损或损坏速度显著加快，从而导致钻头寿命较短，进尺偏少。

当钻头上的切削齿发生明显磨损后，钻头的破岩效率随即下降。一个能使钻头破岩效率得以恢复的方法是对钻头进行修复。修复的方法是将已磨损的切削齿换成新齿重新焊接在刀翼体上的齿窝中，或将旧齿的未磨损面调整为工作面(已磨损部分位于齿窝中，新刃口转至外部)重新焊接。这样，已磨损的钻头就被修复成一只“新钻头”。实施钻头修复通常有两个条件：其一，钻头的刀翼本体未发生显著磨损；其二，必须将钻头起出后方可进行修复。

与用于极硬地层的孕镶金刚石钻头不同，PDC钻头属于表镶式钻头，即钻头的切削齿镶嵌(主要是焊接)在钻头的冠部表面，正常工作时钻头表面的切削齿与岩石接触并实施切削功能，而刀翼本体一般不接触岩石，除非切削齿已经发生比较大的磨损。

中国专利200620033337.3公开了一种“具有二级齿结构的聚晶金刚石复合片钻头”，该专利所述方案在钻头前排的切削齿设计为两组聚晶金刚石复合片纵向布置，其中一组为一级齿，另一组为二级齿，一个一级齿和一个二级齿组合在一起形成连续切削结构。该方案通过在刀翼上布置二级齿的方式增加了钻头总的复合片数量，并且在二级齿不影响钻头初始吃入能力的情况下，提高了钻头关键区域复合片的磨损高度，起到了延长钻头使用寿命、增加进尺的目的。