本實(shí)用新型涉及一種在石油鉆探領(lǐng)域，尤其涉及一種具有多重切削功能的混合PDC鉆頭。

背景技術(shù)：

PDC鉆頭因其在軟到中硬地層鉆速快、進(jìn)尺高而在石油地質(zhì)鉆井工程得到越來越廣泛的應(yīng)用，但是如果遇到堅(jiān)硬地層和研磨性很強(qiáng)的地層，復(fù)合片會(huì)因?yàn)榭焖倌p或沖擊破裂而失去切削能力，鉆頭很快失效。

根據(jù)資料調(diào)研，現(xiàn)有硬地層破巖混合鉆頭多是采用牙輪與PDC齒的混合鉆頭或采用PDC齒與孕鑲金剛石塊的混合鉆頭來提高鉆頭的耐磨性和切削能力。以下是查找的一些專利和文獻(xiàn)資料。

專利號(hào)為“CN105275403”的中國(guó)專利公開了一種適用于硬地層的犁切型PDC鉆頭，包括鉆頭基體、刀翼、錐形PDC齒和聚晶金剛石復(fù)合片。聚晶金剛石復(fù)合片以后耙角切削巖石，錐形PDC齒則以正前角犁削巖石。錐形PDC齒頂部尖銳，容易吃入巖石，并在井底形成“犁溝”，釋放井底巖石內(nèi)應(yīng)力，降低巖石強(qiáng)度；聚晶金剛石復(fù)合片工作面較大，可以大面積地切削巖石。兩種不同結(jié)構(gòu)PDC齒的有機(jī)結(jié)合，可大大提高鉆頭的破巖效率，有效解決硬地層鉆井速度慢的問題，但無倫聚晶金剛石復(fù)合片還是錐形PDC齒的抗研磨性都不高，降低整個(gè)PDC鉆頭的壽命，這種鉆頭是單純的增加切削齒對(duì)地層進(jìn)行切削，這種結(jié)構(gòu)使得鉆頭的生產(chǎn)成本很高，同時(shí)鉆探效率低。

專利號(hào)為“CN105134084”的中國(guó)專利公開了一種預(yù)破碎混合布齒的PDC鉆頭，包括鉆頭主體，在鉆頭主體端頭均布五組PDC刀翼，在每組PDC刀翼上沿徑向布置有多個(gè)PDC切削齒和預(yù)破碎齒，每個(gè)PDC切削齒工作面的前方對(duì)應(yīng)布置有同軌的預(yù)破碎齒，或者預(yù)破碎齒與對(duì)應(yīng)的PDC切削齒布置在相鄰的PDC刀翼上，并且對(duì)應(yīng)的預(yù)破碎齒與PDC切削齒位于同定位半徑和同定位高度；本發(fā)明可在一定程度增強(qiáng)PDC鉆頭在中硬及軟硬交錯(cuò)地層的適應(yīng)性，但無法大幅提高鉆頭在硬地層的破巖效率和使用壽命。

專利號(hào)為“CN105484673”的中國(guó)專利公開了一種孕鑲金剛石鉆頭及制備方法，本發(fā)明公開一種孕鑲金剛石鉆頭及制備方法，所述扇形工作齒包括交替均勻分布的主工作齒和輔工作齒，所述主工作齒和所述輔工作齒之間設(shè)置有水口。該孕鑲金剛石鉆頭的扇形工作齒由不同性能、不同規(guī)格的主工作齒和輔工作齒交替間隔組合而成，主工作齒的硬度較高，耐磨性較強(qiáng)，是破碎巖石的主體部分，而輔工作齒的硬度較低，耐磨性較差，起輔助破碎巖石的作用和促進(jìn)主工作齒破碎巖石的作用；適用于硬地層鉆進(jìn)，鉆頭壽命可得到顯著提高，但由于磨削破巖，機(jī)械鉆速較低。

專利號(hào)為“CN103835657”的中國(guó)專利公開了一種效率高的PDC鉆頭，本發(fā)明包括鉆頭體、均勻設(shè)置在鉆頭體上的6個(gè)刀翼、鉆頭體上端的噴嘴和鉆頭體下端的連接件，所述的刀翼包括上刀翼和位于上刀翼下端的下刀翼，所述的上刀翼上設(shè)置有兩排切削齒，每排切削齒均有4個(gè)切削齒，所述的上刀翼與下刀翼不平行。其優(yōu)點(diǎn)在于：不易造成巖屑堆積，鉆進(jìn)效率高，缺點(diǎn)是抗研磨性低，不應(yīng)用于硬地層鉆井。

文章“適合大港濱海區(qū)塊硬地層的PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)”中針對(duì)大港油田硬地層針對(duì)性的設(shè)計(jì)了一種PDC鉆頭，通過對(duì)PDC鉆頭的冠部輪廓、刀翼、布齒和水力性能等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了適合該地層的M432215.9mm七刀翼PDC鉆頭。隨后實(shí)驗(yàn)證明比牙輪鉆頭有所提高，但由于僅采用一種PDC復(fù)合片，無法保證鉆頭的壽命和破巖速度，遇到硬度高、研磨性強(qiáng)的地層因無限位齒，容易崩齒而使鉆頭失效。

文章“適合于研磨性硬地層的新型孕鑲金剛石鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究”中提及了一種新型孕鑲金剛石鉆頭，該鉆頭通過室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選胎體配方和金剛石參數(shù)，優(yōu)化剖面形狀并采用等間距高密度徑向布齒及橫臥和豎立兩種方式，設(shè)計(jì)了一種新型孕鑲金剛石鉆頭，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明比牙輪鉆頭的機(jī)械鉆速和壽命均有提高，但同樣因該鉆頭是單一齒型破巖，且攻擊性不強(qiáng)，因此該鉆頭在井下工作時(shí)間會(huì)因孕鑲齒的強(qiáng)抗研磨性而得到延長(zhǎng)，但破巖速度則比PDC鉆頭降低，因此不利于硬地層破巖的提速增效。

因此，目前還沒有比較理想的針對(duì)于硬地層鉆井的PDC鉆頭。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的特征和優(yōu)點(diǎn)在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實(shí)踐本實(shí)用新型而學(xué)習(xí)。

為克服現(xiàn)有鉆頭不能有效對(duì)硬度高、研磨性強(qiáng)的地層進(jìn)行鉆探的問題，本實(shí)用新型通過在刀翼上設(shè)置呈一定位置關(guān)系設(shè)置的PDC切削齒、金剛石復(fù)合片和金剛石孕鑲塊，從而能夠針對(duì)硬度高、研磨性強(qiáng)的地層進(jìn)行鉆探，解決了現(xiàn)有鉆頭不能有效對(duì)此類地層進(jìn)行鉆探的問題。

本實(shí)用新型提供一種具有多重切削功能的混合PDC鉆頭，包括：

本體，其上設(shè)有若干個(gè)刀翼；

若干個(gè)金剛石復(fù)合片，設(shè)置在所述刀翼上；

若干個(gè)切磨齒，設(shè)置所述刀翼上，每個(gè)所述切磨齒均與其中一個(gè)所述金剛石復(fù)合片處于同一圓周運(yùn)動(dòng)軌跡上；所述切磨齒包括金剛石孕鑲塊和PDC切削齒中的至少一種。

可選地，處于在同一圓周運(yùn)動(dòng)軌跡上的所述金剛石復(fù)合片的頂端比所述切磨齒的頂端高1-3mm。

可選地，所述PDC切削齒設(shè)置在所述刀翼的冠部。

可選地，所述刀翼包括間隔設(shè)置的第一刀翼與第二刀翼；所述PDC切削齒僅設(shè)置在所述第二刀翼上。

可選地，所述金剛石復(fù)合片設(shè)置在所述刀翼的其中一側(cè)邊緣上。

可選地，所述金剛石復(fù)合片為圓錐形，所述圓錐形的頂點(diǎn)朝向所述與其處于同一圓周運(yùn)動(dòng)軌跡的所述切磨齒。

可選地，所述刀翼為4個(gè)或6個(gè)。

可選地，還包括泥漿流道，設(shè)置在相鄰兩個(gè)所述刀翼之間。

可選地，還包括噴嘴，設(shè)置在所述本體上。

可選地，所述噴嘴包括直徑不同的第一噴嘴與第二噴嘴。

本實(shí)用新型公開了一種具有多重切削功能的混合PDC鉆頭，包括鉆頭本體，所述鉆頭本體上設(shè)置有若干個(gè)刀翼，刀翼均設(shè)置有若干個(gè)金剛石復(fù)合片；刀翼上均設(shè)置有若干個(gè)金剛石孕鑲塊；部分刀翼上設(shè)置有若干個(gè)PDC切削齒，PDC切削齒間隔設(shè)置于部分刀翼的冠部；在同一個(gè)刀翼上，每一個(gè)金剛石復(fù)合片對(duì)應(yīng)設(shè)置在其中一個(gè)金剛石孕鑲塊或者PDC切削齒的運(yùn)動(dòng)軌跡上。利用金剛石復(fù)合片和金剛石孕鑲塊及PDC切削齒的不同特性的有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)τ捕容^高的地層進(jìn)行鉆探，大大提高鉆頭的破巖效率和使用壽命，達(dá)到提高鉆井效率，縮短鉆井周期、降低鉆井成本的目的。

通過閱讀說明書，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更好地了解這些技術(shù)方案的特征和內(nèi)容。

附圖說明

下面通過參考附圖并結(jié)合實(shí)例具體地描述本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式將會(huì)更加明顯，其中附圖所示內(nèi)容僅用于對(duì)本實(shí)用新型的解釋說明，而不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的任何意義上的限制，在附圖中：

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的具有多重切削功能的混合PDC鉆頭的俯視示意圖。

圖2為圖1所示的具有多重切削功能的混合PDC鉆頭的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型提供一種具有多重切削功能的混合PDC鉆頭，包括：本體4，其上設(shè)有若干個(gè)刀翼1a、1b；若干個(gè)金剛石復(fù)合片3，設(shè)置在刀翼上；若干個(gè)切磨齒，設(shè)置刀翼上，每個(gè)切磨齒均與其中一個(gè)金剛石復(fù)合片處于同一圓周運(yùn)動(dòng)軌跡上；切磨齒包括金剛石孕鑲塊2和PDC切削齒5中的至少一種，其中，PDC切削齒例如是為錐形PDC切削齒。具體來說，在同一個(gè)刀翼上，每一個(gè)金剛石復(fù)合片3均對(duì)應(yīng)設(shè)置在其中一個(gè)金剛石孕鑲塊2或者PDC切削齒5的圓周運(yùn)動(dòng)軌跡上。這樣在鉆井時(shí)，能夠使得同一軌跡上的金剛石孕鑲塊2及PDC切削齒5和金剛石復(fù)合片3對(duì)巖石進(jìn)行同位置的接觸，鉆進(jìn)效率更高，在進(jìn)行堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)工作時(shí)，不管是金剛石復(fù)合片3還是金剛石孕鑲塊2或是PDC切削齒5先與地層接觸，其工作時(shí)的軌跡都是一致的，這樣能夠快速而穩(wěn)定地在地層中鉆探出軌跡，使得鉆頭對(duì)地層的鉆頭工作效率高。

上述金剛石復(fù)合片3是一種金剛石和硬質(zhì)合金基體組成的復(fù)合材料，具有硬度高、耐磨性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油鉆井、地質(zhì)勘探等行業(yè)。金剛石孕鑲塊2是采用小粒度的金剛石燒結(jié)粘合在碳化鎢胎體上組成的復(fù)合材料，用于對(duì)硬質(zhì)巖層進(jìn)行磨削。PDC切削齒5是由硬質(zhì)合金基體和聚晶金剛石層兩部分組成的復(fù)合材料，具有良好的耐磨性和抗沖擊性，可以以前傾角犁削巖石，破巖阻力小，可以達(dá)到減小鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩和扭矩波動(dòng)、提高PDC鉆頭破巖效率和抗沖擊性的目的。

本實(shí)施例中，刀翼包括間隔設(shè)置的第一刀翼1a與第二刀翼1b；而PDC切削齒5僅設(shè)置在第二刀翼1b上；也就是說，在第一刀翼1a上設(shè)有金剛石孕鑲塊2和金剛石復(fù)合片3，但是不存在PDC切削齒5；在第二刀翼1b上設(shè)有金剛石孕鑲塊2、金剛石復(fù)合片3以及PDC切削齒5。具體實(shí)施時(shí)，PDC切削齒5可以設(shè)置在第二刀翼1b的冠部6，該冠部6的較短且平緩，內(nèi)錐較淺，如此可以增強(qiáng)鉆頭攻擊力。

本實(shí)用新型將金剛石復(fù)合片3、PDC切削齒5和金剛石孕鑲塊2在同一鉆頭以及呈一定位置設(shè)置出現(xiàn)，使用這種鉆頭，在硬度大、研磨性強(qiáng)的地層中鉆井時(shí)，在鉆頭工作初期，在鉆壓力的作用下，金剛石復(fù)合片3能“吃”入地層，以刃部鋒銳的復(fù)合片切削巖石，PDC切削齒5和金剛石孕鑲塊2主要起到限制復(fù)合片過度“吃”入巖石的作用；當(dāng)金剛石復(fù)合片3磨損到一定程度后，同軌布置在后排的PDC切削齒5和孕鑲齒2開始參與破巖。PDC切削齒5可在光滑的井底犁出溝槽和產(chǎn)生微裂紋，改變井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)，從而提高鉆頭的破巖效率。金剛石孕鑲塊2則磨削巖石，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，并減緩金剛石復(fù)合片3和PDC切削齒5的磨損速度，提高鉆頭的工作壽命。因此在硬度高、研磨性強(qiáng)地層的鉆探中，使用這種鉆頭，可大大減少起下鉆具的時(shí)間，節(jié)省鉆井費(fèi)用，解決了現(xiàn)有鉆頭不能有效對(duì)硬度高、研磨性強(qiáng)的地層進(jìn)行鉆探的問題。

本實(shí)施例中，金剛石復(fù)合片3設(shè)置在刀翼的其中一側(cè)邊緣上。且金剛石復(fù)合片3為圓錐形，圓錐形的頂點(diǎn)朝向與其處于同一圓周運(yùn)動(dòng)軌跡的切磨齒。

在另一實(shí)施例中，針對(duì)已知地質(zhì)資料顯示所鉆井以堅(jiān)硬、研磨性強(qiáng)地層為主，可以使同一個(gè)刀翼上處于在同一圓周運(yùn)動(dòng)軌跡上的金剛石復(fù)合片3的頂端比切磨齒即金剛石孕鑲塊2或PDC切削齒3的頂端高1-3mm，例如是2mm。也就是說，金剛石復(fù)合片3的頂端與金剛石孕鑲塊2或PDC切削齒5的頂端之間的具有高度差H，H為1-3mm，例如是2mm。需要說明的是，這種結(jié)構(gòu)的混合PDC鉆頭，適用于以堅(jiān)硬地層為主的鉆井，即在“硬”地層，在大量的堅(jiān)硬地層中鉆進(jìn)，鉆頭工作初期，金剛石復(fù)合片3能“吃”入地層，以刃部鋒銳的金剛石復(fù)合片3切削巖石，PDC切削齒5和金剛石孕鑲塊2壓在堅(jiān)硬巖石上，主要起到限制金剛石復(fù)合片3過度“吃”入巖石的作用，但靠PDC切削齒5的犁切作用可在光滑的井底犁出溝槽和產(chǎn)生微裂紋，起到輔助破巖的作用，靠金剛石孕鑲塊2的“磨削”作用可減少金剛石復(fù)合片和PDC切削齒5的磨損，此時(shí)因金剛石孕鑲塊2和PDC切削齒5受力較小，基本不會(huì)出現(xiàn)磨損；當(dāng)金剛石復(fù)合片3磨損到一定程度后，同軌布置在后排的金剛石孕鑲塊2和PDC切削齒5作為主破巖齒開始參與破巖，金剛石孕鑲塊2上的天然金剛石顆粒開始“磨削”巖石，產(chǎn)生很多的微裂縫，同時(shí)PDC切削齒5在光滑的井底犁出溝槽，并產(chǎn)生微裂紋，改變井底巖石的應(yīng)力狀態(tài)，輔助金剛石復(fù)合片切削巖石，從而提高鉆頭的破巖效率。當(dāng)遇到少量軟地層時(shí)，復(fù)合片“吃”入地層進(jìn)行切削，可避免“泥包”，提高鉆井效率。

具體實(shí)施時(shí)，刀翼可以為4個(gè)或6個(gè)，具體來說，該混合PDC鉆頭的刀翼比一般金剛石鉆頭的刀翼厚，因此，混合PDC鉆頭刀翼數(shù)一般為4刀翼或6刀翼，若刀翼個(gè)數(shù)低于4個(gè)，則會(huì)出現(xiàn)布齒密度低，使鉆頭的切削效率低，減少使用壽命；若刀翼個(gè)數(shù)大于6個(gè)，則會(huì)造成泥漿流道窄，對(duì)鉆頭的冷卻和排屑不利；若刀翼個(gè)數(shù)為5個(gè)，則不利于三種破巖齒的均衡布置，容易導(dǎo)致鉆頭在井底破巖時(shí)的失穩(wěn)。

在又一實(shí)施例中，鉆頭本體4采用強(qiáng)化水力結(jié)構(gòu)，包括泥漿流道7，設(shè)置在相鄰兩個(gè)刀翼之間。泥漿流道7沿著鉆頭本體4的軸線向四周擴(kuò)散，且每一個(gè)泥漿通道7對(duì)應(yīng)設(shè)置在兩個(gè)刀翼之間。此外，為保證刀翼上第二排金剛石孕鑲塊2或PDC切削齒5的冷卻和排磨屑，在金剛石孕鑲塊2及PDC切削齒5和金剛是復(fù)合片3之間也設(shè)有泥漿流道，流道走向是由鉆頭的軸心線向四周擴(kuò)散。需要說明的是，泥漿流道7便于排泄磨屑以及沖洗金剛石復(fù)合片3和金剛石孕鑲塊2及PDC切削齒，使得其能夠快速降溫，所以其數(shù)量需要進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)。

此外，還包括噴嘴，噴嘴的尺寸、位置及數(shù)量均需進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)，本實(shí)施例中，噴嘴包括直徑不同的第一噴嘴8與第二噴嘴9。第一噴嘴8可以靠近刀翼的冠部設(shè)置，第二噴嘴9可以設(shè)置在相鄰的刀翼之間。例如，噴嘴可以包括為3個(gè)直徑為13的第一噴嘴以及6個(gè)直徑為12的第二噴嘴；或包括2個(gè)直徑為13的第一噴嘴以及4個(gè)直徑為12的第二噴嘴。

本實(shí)用新型提供一種具有多重切削功能的混合PDC鉆頭，包括鉆頭本體，鉆頭本體上設(shè)置有若干個(gè)刀翼，刀翼上均設(shè)置有若干個(gè)金剛石復(fù)合片；刀翼上均設(shè)置有若干個(gè)金剛石孕鑲塊，部分刀翼的冠部上設(shè)置有若干個(gè)PDC切削齒；在同一個(gè)刀翼上，每一個(gè)金剛石孕鑲塊和PDC切削齒對(duì)應(yīng)設(shè)置在其中一個(gè)金剛石復(fù)合片的運(yùn)動(dòng)軌跡上，本實(shí)用新型能夠?qū)?jiān)硬且研磨性強(qiáng)的地層進(jìn)行高效的鉆探，解決了現(xiàn)有鉆頭不能有效對(duì)堅(jiān)硬地層進(jìn)行鉆探的問題。

本實(shí)用新型提供的具有多重切削功能的混合PDC鉆頭可以應(yīng)用于直井、定向井和水平井等井型的硬地層石油鉆探領(lǐng)域，尤其適合于基地硬質(zhì)花崗巖地層的鉆進(jìn)，可以達(dá)到提高鉆頭的破巖效率和使用壽命，縮短鉆井周期、降低鉆井成本的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

以上參照附圖說明了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本實(shí)用新型的范圍和實(shí)質(zhì)，可以有多種變型方案實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。舉例而言，作為一個(gè)實(shí)施例的部分示出或描述的特征可用于另一實(shí)施例以得到又一實(shí)施例。以上僅為本實(shí)用新型較佳可行的實(shí)施例而已，并非因此局限本實(shí)用新型的權(quán)利范圍，凡運(yùn)用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效變化，均包含于本實(shí)用新型的權(quán)利范圍之內(nèi)。