[发明专利]一种PDC微钻头、岩石可钻性测试装置及方法

说明书

本发明提供一种PDC微钻头、岩石可钻性测试装置及方法，所述PDC微钻头的切削齿轴面轮廓线形成钻孔底全覆盖，在钻进过程中切削齿与钻孔底的接触弧长固定不变，测试得出的数据更加精确，而且通过设置保径齿能确保钻进过程井眼尺寸固定不变，增加了钻孔深度，从而在一次钻进工作中，可以进行多次测试，减小误差的影响，该岩石可钻性测试装置及方法使用PDC微钻头进行旋转钻进岩石，一方面模拟了实际工作中PDC钻头与岩石相互作用，另一方面能够显著减小设备的体积，简化设备结构。

技术领域

本发明涉及石油天然气、矿山工程、岩石力学相关领域，具体而言，涉及一种PDC微钻头、岩石可钻性测试装置及方法。

背景技术

PDC钻头因其钻速快、寿命长、可靠性高以及综合经济效益高等优点，在石油、天然气、地热井钻探领域中广泛应用。在实际钻探工程中，通常用岩石可钻性作为指导PDC钻头设计的指标。岩石可钻性的实质是岩石抵抗钻头钻进的能力，岩石可钻性越强，岩石越容易破碎。但岩石可钻性并非岩石的固有力学特性，它是岩石和钻头的相互作用的结果，它与钻头的破岩形式有关，使用不同破岩机理的钻头破碎岩石得到的可钻性并不相同。也就是说，使用不同的钻头破碎同样的岩石，根据钻头的破岩机理不同，岩石展现出来的可钻性也不同。因此，应结合PDC钻头的实际工作行为针对性地形成PDC钻头的岩石可钻性测试方法。

如果采用真实比例PDC钻头进行岩石可钻性测试，会导致测试设备结构较为复杂，体积较大，操作繁琐，成本较高，因此真实比例PDC钻头显然是不适用于岩石可钻性的测试的。因此现有技术中的岩石可钻性测试方法有两种，均是采用尺寸相对于真实比例钻头较小的模拟测试钻头进行岩石可钻性测试，一种是采用一排可以滚动的齿轮，工作中旋转滚动压入破碎岩石，该种方法从原理上与PDC钻头的破岩机理完全不同，因此不能使用该种方法来测试针对PDC钻头的岩石可钻性。另一种方法是用两片PDC复合片旋转切削破碎岩石。该种方法在机理上符合PDC钻头的破岩形式，但是该方法在岩石可钻性测试过程中，PDC复合片没有形成钻孔底全覆盖，因此造成PDC复合片和岩石的接触弧线随时间而改变，不符合PDC钻头在破岩过程中的工作状态；另一方面，两片PDC复合片没有保径功能，钻进过程中井眼大小也是随着时间改变，与实际PDC钻头钻进岩石的工作行为存在较大的差异。该方法测试出的岩石可钻性不能准确地反映岩石抵抗PDC钻头的能力，会对PDC钻头的设计和应用造成误导。

可见，现有技术中的岩石可钻性测试方法中采用的模拟测试钻头，无论是采用滚动齿轮作为钻头，还是采用PDC复合片钻头，均不能准确模拟PDC钻头的实际工作行为，导致测试出来的数据不准确，从而无法指导实际PDC钻头的设计。但如果采用真实比例钻头进行岩石可钻性测试，又会导致测试设备结构较为复杂，体积较大，操作繁琐，成本较高。为了解决以上问题，急需设计一种新型的岩石可钻性测试模拟钻头，结合岩石可钻性测试装置和方法，能够准确模拟PDC钻头的实际工作行为，同时结构简单、体积较小和成本较低。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提供一种PDC微钻头、岩石可钻性测试装置及方法。其结构简单，能够经济地使用和制造；同时，可准确的模拟实际PDC钻头钻进岩石的工作行为，以达到可靠、简便和精准的测量岩石可钻性的目的。

本发明实施例的第一方面提供一种PDC微钻头，包括钻头主体和刀翼，所述刀翼固定设置在所述钻头主体的一端，所述刀翼的数量至少为两个且沿所述钻头主体周向间隔设置，所述刀翼上沿径向固定设置有切削齿，所述切削齿的当量齿数数量，其中s为单个刀翼上设置的所有切削齿的布齿轴面截面的总面积，r为所述切削齿的半径，每个刀翼上设置的所述切削齿的当量齿数数量 n大于等于1.5颗；所有所述刀翼上的所述切削齿形成的轴面布齿图中，切削齿轴面轮廓线形成钻孔底全覆盖，每个所述刀翼的径向最外的切削齿的轮廓均为轴面轮廓线中的最外端轮廓。

所述切削齿的横截面为整圆形或弓形或多个大小相等的圆径向重叠形成的串结圆形。

所述切削齿轴面轮廓线的每段切削轮廓对应的圆心与其相邻的圆心之间距离Lc范围为0.2rLc2r。