[发明专利]一种随钻取芯PDC钻头

说明书

本发明提供了一种随钻取芯PDC钻头，包括：钻头体(6)以及钻头体(6)内部的空间，钻头体(6)中部设置塑芯齿(1)，内部的空间内设置取芯通道(3)和射流流道(8)，微岩芯(2)通过取芯通道(3)一端的排芯孔(4)排出，射流流道(8)连通钻头的内流道(5)以及取芯通道(3)，射流流道(8)的喷射出口处设置射流喷嘴(9)，用于喷射高速钻井液，使得取芯通道(3)产生抽吸效应，射流喷嘴(9)与断芯齿(10)和取芯孔(11)并列设置，取芯通道(3)从取芯孔(11)起，延伸至钻头保径端根部的设置于刀翼末端的倒角面上的排芯孔(4)，即切削齿的后方，PDC钻头内设置固定刀翼(7)，塑芯齿(1)一端设置喷嘴(12)。

技术领域

本发明涉及一种PDC钻头技术领域，特别是一种随钻取芯PDC钻头。

背景技术

在石油、地质勘探中，为了了解地层地质情况，查明储油、储气层的性质，需要对所钻地层进行岩石取心获得样本，以测定地层的矿物组分情况和确定地层岩石性质参数。岩心样本的获取质量和收获率，将直接影响地质分析的准确性。在常规PDC钻头钻进过程中，受PDC切削齿剪切作用影响，得到的岩屑大部分是尺寸很小的细沙子，不能进行精准的地质卡层及地质评价，代表性不强，不能满足地质录井需求，因此在实际钻井过程中，往往需要更换不同的钻头来满足钻进和取心的需求，但是其钻井成本高，尤其是全井段取心时，会严重影响建井周期和钻井效益。

目前出现了一些微取心PDC钻头，区别于常规PDC钻头的特征是钻头中心区域不再布置切削齿，而是形成取心槽，取心槽的一个侧面为斜平面并布置一个断心齿，与取心槽平滑连接的深流道排屑槽体积比其他流到的排屑槽体积大。在钻进过程中，钻心头部形成的岩心达到标称长度后，就会触碰到断心齿，利用横向作用力将岩心折断，在钻井液携带作用下从深流道排屑槽派出井底，后用于地层岩性检测。此外还有一种随钻取芯钻头，其设计理念是在正常PDC钻头中心取掉1-2颗齿，在钻头正常钻进过程中，在钻头中心区域连续形成岩心，同时不影响钻头切削结构，小尺寸岩心长度不断增长到标称长度，就会接触到一个岩心破坏装置，利用横向作用力将岩心切断。在两个前置刀翼中间有一个较大且较深的槽，小尺寸岩心就会通过这个中空区域运移到环空中。这个中空区域始终保持敞开状态，防止钻头堵塞等风险的发生。

与传统PDC钻头相比，随钻取芯钻头优势：提高机械钻速，普通钻头的切削面上，中心位置钻速最低，有效解决了取心难的问题，但是钻头的深流道排屑槽结构削弱了钻头体和刀翼的整体强度，影响了刀翼结构设计和钻头布齿设计，甚至影响钻头的井底流场。对此类微取芯钻头改进后不再设置深流道排屑槽，直接在取心空间的后方布置尖圆齿或是直接利用切削刃使岩心断裂，然后排出井底流场，但这种结构仅仅是依靠岩石本身的机械力来推动断裂的岩芯向外移动，一旦岩心在取心孔附近发生憋卡，就会造成钻头的顶心现象，不能有效钻进岩石。

在实际使用过程中，这类微取心钻头都是依靠喷嘴射流作用将切削产生的岩芯和岩屑通过外流到排屑槽排出井底。由于岩心与岩屑在尺寸上相差较大，钻井液的水力分配难以同时兼顾两者，导致部分岩心(或岩屑)不能及时排出井底，从而被钻头重复切削，不利于钻头有效钻进。同时，未及时排出井底的岩芯在钻头体及刀翼的旋转带动下不断与井底或井壁发生碰撞，被刀翼积压和刮切，使得微岩心受损破碎，降低了岩心的获取率。

因此需要设计新的PDC钻头，克服现有技术的缺陷。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种随钻取芯PDC钻头，同时考虑结构对钻头强度和刚性等力学性能的影响，同时避免水力能量分配不均以及重复切削等现象的发生。通过在钻头体内部设置取芯通道和射流流道，通过射流产生的抽吸作用将岩心派出井底，结合破岩仿真与液固两相流理论，研究了在岩心、岩屑与钻井液混合流动的流场中，射流喷嘴直径大小对取芯通道中抽吸效果的影响规律，为相关水力结构设计提供参考，现场试验表明，该钻头在取芯尺度以及提速方面取得了很好的效果。