[发明专利]一种粒子冲击PDC钻井钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种粒子冲击钻井PDC钻头，适用于硬地层和强研磨性地层钻井，属于石油钻井工程技术领域。

背景技术

我国大部分区块由于早期对中浅部地层油气资源的钻探开发，现在油田普遍进入开采的中后期（枯竭期），现如今，在深部硬地层以及复杂地质条件下找寻油气资源是目前陆地勘探开发的重要工作。在整个钻井过程中，地层的硬度以及钻进难度随着井深的增加呈指数递增。然而国内现阶段在硬和极硬、强研磨性地层钻井中存在通病，即，钻井速度慢、周期长，钻具寿命短，整体成本高。

粒子冲击钻井技术是近年来兴起的一种有效提高硬和极硬、强研磨性地层钻进速度的高新技术。粒子冲击钻井系统主要包括三个组成部分：粒子注入系统、粒子回收系统和粒子冲击钻头。粒子冲击钻头作为粒子冲击钻井系统的重要组成部分，其目的是实现以粒子射流冲击破岩为主，钻头破岩为辅的效果。以高压钻井液为介质，将粒子和钻井液的均匀混合浆体从喷嘴喷射出来，形成能量高度集中的高速粒子射流，因粒子本身具有一定的质量和硬度，故具有良好的磨削、穿透、冲蚀能力，与常规水射流相比，粒子射流不仅能够降低破岩能耗及大大提高破岩能力，而且将射流的初始泵压大大降低。

粒子冲击钻头的破岩方式是粒子射流破岩为主，机械破岩为辅，通过高压粒子射流冲击破岩形成体积破碎坑，并进一步对岩石进行破碎，钻头上的切削齿主要是用来切削井壁，保护钻头喷嘴和钻头本体，提高钻头的抗磨损能力。自该技术提出，经过一系列的室内和现场试验，对钻头内腔结构及外形进行优化，但现有的粒子冲击钻头依然存在以下缺陷：

（1）喷嘴布置角度和位置不合理，形成的粒子射流无法实现井底全覆盖；

（2）喷嘴结构本身未进行优化，密集性差、扩散偏大、速度衰减偏高；

（3）内腔喷嘴入口处及内腔形状未进行优化，内腔易出现涡流，磨削钻头体内表面；

（4）布齿结构不合理，刀翼设计不能完全配合喷嘴布置；

（5）排屑槽结构过小，未进行优化设计。

发明内容

本发明的目的：本发明要解决的技术问题是改进现有技术所存在的缺陷，提供一种能够用于粒子冲击钻井过程中的粒子冲击钻井PDC钻头。

本发明的特征：粒子冲击PDC钻头为五刀翼胎体PDC钻头，主要由钻头基体、钻头中心体、刀翼、切削齿、保径齿、排屑槽和喷嘴组成，钻头刀翼和钻头中心体联成一体，钻头上部为钻头基体，下部连接着钻头中心体，在中心体处分布五个刀翼，每两个刀翼之间有排屑槽，刀翼与刀翼之间存在一定角度，切削齿按一定规则分布在刀翼顶端表面，保径齿分布在刀翼外侧表面，后排加减震齿托,目的是提高钻头的抗冲击能力，在齿托里面加入金刚石聚晶，硬质合金块等。三种喷嘴按照次序分布实现对井底全覆盖；刀翼冠部轮廓采用短外锥，浅内锥多圆弧轮廓或短抛物线轮廓结构；布齿结构选择1613复合片作为主齿复合片实行中等密度布齿；刀翼形状采用螺旋刀翼。

一种粒子冲击PDC钻井钻头，包括钻头基体和钻头中心体，所述钻头中心体设置在钻头基体上部，所述钻头中心体外周按照力学平衡设置有一号长刀翼、二号短刀翼、三号短刀翼、四号长刀翼和五号短刀翼，所述一号长刀翼、二号短刀翼、三号短刀翼、四号长刀翼和五号短刀翼相邻之间设置有排屑槽，所述一号长刀翼、二号短刀翼、三号短刀翼、四号长刀翼和五号短刀翼的刀翼顶端外表面设置有多个切削齿，所述一号长刀翼、二号短刀翼、三号短刀翼、四号长刀翼和五号短刀翼的到翼顶端外表面设置有多个保径齿。

所述钻头中心体上表面设置有中心喷嘴、第一中间喷嘴、第二中间喷嘴、第一边喷嘴和第二边喷嘴。

所述一号长刀翼为直线双圆弧型，其布置4个保径齿和6个切削齿。

所述二号短刀翼为直线双圆弧型，其刀翼顶端外表面设置有4个保径齿和4个切削齿。

所述三号短刀翼为直线双圆弧型，其刀翼顶端外表面设置有4个保径齿和4个切削齿。

所述四号长刀翼为直线双圆弧型，其刀翼顶端外表面设置有4个保径齿和7个切削齿。

所述五号短刀翼为直线双圆弧型，其刀翼顶端外表面设置有4个保径齿和5个切削齿。

所述中心喷嘴为圆锥形，位于钻头中心体的中心位置。

所述第一中间喷嘴和第二中间喷嘴为圆锥形，所述第一中间喷嘴位于钻头中心体的左下方，述第二中间喷嘴位于钻头中心体的右上方。

所述第一边喷嘴和第二边喷嘴为圆锥形，所述第一边喷嘴位于钻头中心体的右下方，所述第二边喷嘴位于钻头中心体的左上方。