[发明专利]一种高稳定性非平面齿PDC钻头

说明书

本发明公开了一种高稳定性非平面齿PDC钻头，涉及油气资源勘探器械领域，改进常规切削齿变为轴不对称双曲面切削齿，大大提高了钻头在钻井作业中的稳定性，具体方案为：包括分别设置在钻头首尾两侧的连接部和钻头主体，钻头主体包括钻头冠部和在钻头冠部外侧环形间隔设置的若干切削刀翼，每个切削刀翼通过保径本体与钻头冠部连接，钻头冠部上设有若干钻头喷嘴，切削刀翼上设有若干切削齿；切削齿远离切削刀翼的一侧为切削部，切削部表面中部设有凸脊，凸脊将切削部表面分割为轴不对称的面a和面b；切削部表面朝向钻头切削作用力方向。本发明在钻井过程中，钻头能够保持动态平衡的高稳定性，具有切削效率高、适用范围广、稳定性强的优点。

技术领域

本发明涉及油气资源勘探器械领域，更具体地说，它涉及一种高稳定性非平面齿PDC钻头。

背景技术

常规PDC钻头在均质性地层中钻井时，具有机械钻速快、寿命长、进尺高等优点。但在非均质性地层等复杂难钻地层条件下钻井时，钻头易出现剧烈振动而导致机械钻速降低，且易引发钻头蹦齿磨损、切削齿金刚石层异常脱落等现象，如砾岩层、软硬交错地层中PDC钻头常因剧烈跳钻振动而引发钻头蹦齿起钻，PDC钻头横向及黏滑振动大易导致钻头偏磨，进而降低钻头破岩效率与破岩稳定性，难以满足高效钻井要求。

对于非均质性地层，需注意PDC钻头切削刃在切削过程中的稳定性，欠平衡力瞬时作用在切削刃上的冲击载荷能导致切削齿破碎，缩短钻头寿命。研究PDC钻头切削结构、力平衡特性、特殊结构性能对钻头破岩效率和破岩稳定性的影响，对于PDC钻头结构优化设计、正确高效使用、提高钻头机械钻速与趟钻井尺具有重要意义。

而现有的PDC钻头面临稳定向不足、易受振动损坏的难点，地层适应性范围窄的技术的缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高稳定性非平面齿PDC钻头，在传统PDC钻头的基础上，改进常规切削齿变为轴不对称双曲面切削齿，适应切削齿在地层的不对称切削特征，大大提高了钻头在钻井作业中的稳定性，同时特殊的轴不对称双曲面切削齿能够增大切削角度、切削力，提升破岩效率，提高了钻头在软地层中的切削效率。实现了PDC钻头在非均质性地层等难钻地层中安全高速钻井，避免钻头振动损坏并提高钻头使用寿命的目的。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种高稳定性非平面齿PDC钻头，包括分别设置在钻头首尾两侧的连接部和钻头主体，钻头主体包括钻头冠部和在钻头冠部外侧环形间隔设置的若干切削刀翼，每个切削刀翼通过保径本体与钻头冠部连接，钻头冠部上设有若干钻头喷嘴，切削刀翼上设有若干切削齿；切削齿远离切削刀翼的一侧为切削部，切削部表面中部设有凸脊，凸脊将切削部表面分割为轴不对称的面a和面b；切削部表面朝向钻头切削作用力方向。

在上述方案中，钻头通过连接部与动力组件连接，钻头冠部通过保径本体与切削刀翼连接，在钻井过程中，切削齿的切削部运动对土岩进行切割，通过设置凸脊，使得钻头在工作过程中，切削齿以压裂和切削混合的方式进行破岩，被切割下的岩屑条由一条转变为两条，并沿面a和面b滑动并掉落；尤其在钻探非均质性地层时，钻头能够在高速旋转的钻井过程中保持高稳定性，减少钻头蹦齿起钻，钻头偏磨等情况，综合提升钻井效率，并且延长了钻头的使用寿命。且将切削部表面分割为两个不对称的面，能够更好的起到对凸脊进行承力作用，降低凸脊的磨损，进一步延长切削齿的使用寿命。且设置凸脊，能够使得在钻井过程中，切割下的岩屑条由一条转变为不同曲面方向上的两条，岩屑条不附着于复合片曲面上，提高了剪切效率。

作为一种优选方案，切削部的面a和面b分别沿凸脊至切削部表面边缘设置为凹曲面，面a和面b呈中心对称。

通过将面a和面b设置为凹曲面，相对于凸脊至切削部表面边缘呈平面的情况，在钻头凸脊逐渐磨损后，仍然能够很长一段时间保持凸脊的尖锐程度，更大程度的保持切削齿的工作性能，提高切削齿的使用寿命。

作为一种优选方案，凸脊呈S型。