[发明专利]一种宽适用范围的PDC钻头

说明书

本发明提供了一种宽适用范围的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面，凹槽中设有填充体，填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，填充体与凹槽的侧壁固定相连。本发明提供的PDC钻头由于设置了凹槽和填充体，既能够在软地层中的获得较高的钻速，又能够在硬地层中具备较强的吃入能力。

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种宽适用范围的PDC钻头。

背景技术

钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC(Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片)钻头作为现有钻头技术中的一个重要种类，在石油钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头通过PDC齿切削岩石进行破岩，在软至中硬地层中，能够获得理想的钻速，在油气钻井中到了广泛的应用。

随着浅层油气资源的开发殆尽，油气勘探开发的重点逐渐转向深层、深海。通常情况下，深部地层的岩石材料较硬、研磨性强，可钻性差。PDC钻头，在这些地层中钻进，往往不能获得较高的机械钻速，其中，最重要的一个原因就是受限于切削齿的吃入能力。特别是，随着地层深度的增加，硬-塑性地层越来越多，切削齿不能有效吃入地层，钻进效率低，且易发生振动，进而造成切削齿的快速失效。

特别的，制约PDC钻头在硬地层高效钻进的原因是钻头发生磨损后，切削齿与岩石的接触面积增加，切削齿的钻进比压急剧下降，钻进效率很低，甚至会因此造成起钻，增加钻井成本，延长钻井周期。

发明内容

本发明提供了一种宽适用范围的PDC钻头，以解决现有技术中存在的：软至中硬地层钻速快，而在硬地层中，因PDC钻头吃入岩石的能力减弱，而造成机械钻速低的问题。

本发明是这样实现的：

一种宽适用范围的PDC钻头，包括钻头本体、刀翼和第一切削齿，第一切削齿为聚晶金刚复合片，刀翼与钻头本体固定相连或一体成型，第一切削齿设于刀翼上，第一切削齿上设有凹槽，凹槽一端贯通至第一切削齿的前工作面，凹槽中设有填充体，填充体的耐磨性弱于金刚石层的耐磨性，填充体与凹槽的侧壁固定相连。

本发明提供的PDC钻头上，设置了带有凹槽的齿，且凹槽中设置了耐磨性弱于金刚石层耐磨性的填充体。在软地层中钻进时，填充体用于与金刚石层一起参与切削岩石，从而能够获得较高的钻速。在硬地层中钻进时，由于填充体的耐磨性相对较弱，因此，填充体的磨损速度快于金刚石层，使得填充体逐渐被磨损，而重新在第一切削齿上形成凹槽。凹槽的形成，使得第一切削齿刃口具有较高的钻进比压高，吃入能力能够得到保证，同时能够形成较大的岩脊。岩脊形成后，岩脊本身受到了较大的应力，且两侧缺少支撑岩体，更容易被破坏，进一步有利于钻速的提高。因此，本发明提供的PDC钻头既能够适应软地层的钻进，又能够适应硬地层的钻进。本发明还有另一个意想不到的效果：在硬地层钻进时，填充体磨损后，在井底形成岩脊，增加了切削齿与井底岩石的侧向接触面，减弱横向振动。

在本发明的较佳的实施例中，填充体为由碳化钨和/或硬质合金制作而成的结构体。

进一步的，作为一种优选，填充体与凹槽的侧壁通过高温高压粘结相连。

在本发明的较佳的实施例中，凹槽另一端贯通至第一切削齿的侧面，沿PDC齿的前工作面指向PDC齿的后工作面的方向，凹槽的横截面尺寸逐渐减小。PDC齿与刀翼之间连接往往是这样实现的：PDC齿的侧面上靠近后工作面的一端与刀翼通过粘结相连。因此，通过本发明提供的上述结构，PDC齿的后工作面及附近的侧面能够保持完整的柱体形状，从而有利于保证PDC齿与刀翼之间的粘结稳定性。

在本发明的较佳的实施例中，凹槽另一端贯通至第一切削齿的后工作面。通过这种结构，有利于降低凹槽的加工难度。