一种适用于火山岩地层取心的PDC钻头
技术领域
本实用新型涉及石油钻探工具技术领域，更具体地讲，涉及一种适用于火山岩地层取心的PDC钻头。
背景技术
无论对于常规地质勘探钻进、油气井钻进还是服务于地质学研究的科学钻探来说，岩心都是最重要的深部地下地质信息载体。因此，如何在不同地质条件下采取到高质量的岩心，始终是钻探工作者所面临的一个永恒的课题。
在我国松辽盆地南部长岭断陷东岭鼻状构造带营城组火山岩，营三段为灰色砂砾岩、细砂岩与灰色泥岩互层；营二段为灰色含砾细砂岩、细砂岩与深灰色泥岩互层；营一段上部发育灰色凝灰岩与泥岩呈不等厚互层，中部发育灰色安山岩和灰色玄武岩，下部发育灰色安山岩、凝灰岩与灰色泥岩呈不等厚互层。该段地层岩石硬度高，地层可钻性极差，以往在该段取心时都是运用孕镶取心钻头或天然金刚石取心钻头，但根据发明人在实践中发现，PDC齿虽然硬度高，但抗冲击能力和抗热磨损能力的限制，PDC钻头在硬地层、高研磨磨性地层钻进时，很容易导致切削齿的快速磨损失效，而最典型的失效形式之一就是造成冲击崩齿，进而导致机械钻速慢、取心周期长，导致岩心长时间在泥浆中浸泡，容易遭成污染及收获率低，因此如何提高取心钻头工作效率具有非常重要的意义。
实用新型内容
为解决上述针对现有常规取心钻头在火山岩地层中钻进时容易出现崩齿的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种适用于火山岩地层取心的PDC钻头，巧妙地采用斧型齿和奔驰齿组合布齿方式，使之具有很强的攻击性，提高破岩效率，能够提高机械钻速，同时能够提高钻头在硬地层中的使用寿命，具有较好的推广使用价值。
本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种适用于火山岩地层取心的PDC钻头，包括钻头基体和设置在钻头基体上的钻头冠部，所述钻头冠部中心位置具有取芯孔，围绕所述取芯孔周向上布置有若干个自所述取芯孔向外延伸的刀翼，若干个刀翼上混合布置有切削齿，所述切削齿包括有斧型齿和奔驰齿。
本技术方案中的斧型齿是指远离钻头冠部一端呈斧型刀刃形状凸出的切削齿；
本技术方案中的奔驰齿是指远离钻头冠部一端呈奔驰logo形状凸出的切削齿，其切削面具有由中部向边缘轮廓延伸凸出设置的三条齿脊，三条齿脊沿切削面周向等角度均布；
由此本技术方案采用斧型齿和奔驰齿组合布齿方式，由斧型齿能够对地层进行预破碎，释放地层应力，提高破岩效率；结合奔驰齿具有分级切削的功能，其配合设计成独特的钻头结构，使之具有强的攻击性，能够提高机械钻速；应用于硬度高的火山岩地层中，具有很高的抗冲击性能及抗磨损性能，能够提高钻头在硬地层中的使用寿命，具有较好的推广使用价值。
作为优选，在所述钻头冠部上布置有9-12个刀翼，以使每个刀翼上均匀布置有至少一排斧型齿和/或奔驰齿。本技术方案中刀翼沿钻头冠部的布置形式及布置数量，以使斧型齿及奔驰齿的布置更加均匀，可有效提升钻头的稳定性，针对硬度高的地层岩石在井过程中能够尽量通过攻击性的斧型齿和奔驰齿进行破岩，利于提高钻头破岩效率。
作为优选，每个所述刀翼上的布置的切削齿类型相同，且至少设置有两颗斧型齿或奔驰齿。由此采用排列组合的方式布置斧型齿和奔驰齿，由取芯孔向钻头冠部轮廓边缘延伸的每个刀翼排列布置的切削齿类型相同，当驱动钻头发生运动钻进时，每排斧型齿或奔驰齿能够产生相同的作用力，提高钻头的稳定性，有效降低对钻头切削齿的冲击和磨损失效。
作为进一步优选，相邻两个刀翼上的布置的切削齿类型不同，以使设置有斧型齿的刀翼与设置有奔驰齿的刀翼交错布置。以充分利用斧型齿的预破碎功能及奔驰齿的分级切削的功能，以使钻头具有更强的攻击性，进一步提高机械钻速。
作为优选，所述切削齿的前倾角取值范围为15°-20°，其出刃高度取值范围为13-20mm。经发明人实践中运用所得，将切削齿的前倾角设计为15°-20°，出刃高度设计为13-20mm，在保证切削齿抗冲击性能及抗磨损性的同时，具有很好的破岩效果，利于节省能量提高钻头破岩效率。
本技术方案中切削齿的出刃高度是指切削齿的向外凸出的顶部距离钻头冠部的高度。
作为优选，所述斧型齿的顶部金刚石层具有一向外凸出的第一齿脊，第一齿脊由斧型齿顶部向上延伸的两倾斜面相交所形成，并以使两倾斜面靠近斧型齿轮廓边缘的一端采用弧面过渡。由此斧型齿的金刚石层第一齿脊采用倾斜面及与斧型齿弧面过渡结合设计，以利于提高斧型齿预破碎能力，使得地层应力解除释放，进而提高破岩效率，降低斧型齿破岩负荷。
作为进一步优选，所述第一齿脊两倾斜面所形成的夹角α取值范围为130°-150°；所述弧面半径R取值范围为15-20mm。经发明人实践中运用所得，将第一齿脊的脊夹角α取值范围设计为130°-150°，出刃高度设计为13-20mm，针对不同地层在均具有很好的破岩效果，利于提高斧型齿预破碎能力。
作为优选，所述奔驰齿的顶部金刚石层具有一中心圆柱和三条第二齿脊，三条第二齿脊自中心圆柱向奔驰齿的外缘轮廓呈等角度均匀分布；且相邻两条第二齿脊之间形成有切削面。由此本技术方案中设计的奔驰齿具有由第二齿脊和切削面构成的二级切削刃，二级切削刃由中心圆柱提供稳定支撑，以充分实现其分级切削的功能，从而具有非常强的攻击性，能够提高钻头机械钻速，同时结合斧型齿的设计又可保证钻头具有高的抗冲击性能，从而提高钻头在硬地层中的使用寿命。
作为进一步优选，所述第二齿脊两斜面形成的脊夹角γ取值范围为60°-90°，且第二齿脊的脊高度H取值范围为1-1.5mm；第二齿脊的斜面与切削面形成的夹角β取值范围为2° -5°。经发明人实践中运用所得，将第二齿脊的脊夹角γ取值范围设计为60°-90°，脊高度H取值范围设计为1-1.5mm，第二齿脊的斜面与切削面形成的夹角β取值范围设计为2° -5°，针对不同地层在均具有很好的破岩效果，利于提升奔驰齿的分级切削能力。
作为优选，相邻两个刀翼之间形成有面槽，在钻头冠部内侧具有高压流道，在所述钻头冠部外侧具有与面槽相对应的排屑槽，以使通过所述面槽使得所述排屑槽与钻头冠部内侧对应的高压流道连通。由此能够保证切削齿得到充分的冷却和清洗，及时带走岩屑，避免泥岩夹层出现泥包及重复切削的现象。
作为优选，本技术方案提供的钻头内保径、外保径布置有天然金刚石，能够有效保证岩心的质量，利于岩石力学分析。
如上所述，本实用新型至少具有如下有益效果：
1.本实用新型采用斧型齿和奔驰齿组合布齿方式，能够充分结合斧型齿对地层进行预破碎功能及奔驰齿的分级切削的功能，以使钻头具有很强的攻击性，更容易吃入火山岩硬地层，有利于提高切削效率，并可有效保证切削齿抗冲击性能及抗磨损性，在节省能量的同时，以显著提高钻头机械钻速。
2.本实用新型钻头冠部的形状设计能够提供刀翼以及位于刀翼切削齿的合理布置，以使斧型齿及奔驰齿的布置更加均匀，便于提升钻头的稳定性，针对硬度高的地层岩石在井过程中能够尽量通过攻击性的斧型齿和奔驰齿进行破岩，形成稳定切削面，利于提高钻头破岩效率。
3.本实用新型优化后的切削齿参数经过现场实践所得，针对不同地层通过调整切削齿参数均具有很好的破岩效果，以充分实现斧型齿的预破碎功能及奔驰齿的分级切削的功能，释放地层应力，提高破岩效率，并具有高的抗冲击性能，能够提高钻头在硬地层中的使用寿命。
4.本实用新型通过优化钻头内外保径，能够有效保证岩心的质量，利于岩石力学分析；同时采用两个刀翼之间形成的面槽设计，以使排屑槽与高压流道连通，能够保证切削齿得到充分的冷却和清洗，及时带走岩屑，避免泥岩夹层出现泥包及重复切削的现象。
附图说明
图1是本实用新型实施例适用于火山岩地层取心的PDC钻头的结构示意图；
图2是本实用新型实施例中PDC钻头的俯视示意图；
图3A是本实用新型实施例斧型齿的正视图；
图3B是本实用新型实施例斧型齿的俯视图；
图4A是本实用新型实施例奔驰齿的正视图；
图4B是本实用新型实施例奔驰齿的俯视图。
说明书附图中的附图标记包括：1-钻头基体；2-外保径；3-钻头冠部；4-排屑槽；5-面槽；6-天然金刚石；7-内保径；8-高压流道；9-切削齿；10-斧型齿；11-第一齿脊；111- 倾斜面；112-弧面；20-奔驰齿；21-中心圆柱；22-第二齿脊；23-切削面；24-弧形过渡。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
实施例1
实施例基本如图1和图2所示：本实施例提供一种适用于火山岩地层取心的PDC钻头，用以解决火山岩地层硬度大给常规取心钻头带来限制，包括钻头基体1和设置在钻头基体1 上的钻头冠部2，钻头冠部2中心位置具有取芯孔，围绕取芯孔周向上布置有若干个自取芯孔向外延伸的刀翼，作为本实施例的优选，以在钻头冠部2上布置有9-12个刀翼，刀翼具体设计数量根据实际运用中不同地区岩层调整设计，本实施例以针对辽盆地南部长岭断陷东岭鼻状构造带营城组火山岩为例，将钻头冠部2刀翼布置设计有12个刀翼，12个刀翼分别列为：奇数刀翼BLD1、BLD3、BLD5、BLD7、BLD9、BLD11，以及偶数刀翼BLD2、BLD4、 BLD6、BLD8、BLD10、BLD12；12个刀翼上混合布置有切削齿9，本实施例提供的切削齿9 包括有斧型齿10和奔驰齿20；以使每个刀翼上均匀布置有至少一排斧型齿和/或奔驰齿；切削齿9的前倾角取值范围为15°-20°，其出刃高度取值范围为13-20mm；经发明人实践中运用所得，将切削齿9的前倾角设计为15°-20°，出刃高度设计为13-20mm，在保证切削齿9抗冲击性能及抗磨损性的同时，具有很好的破岩效果，利于节省能量提高钻头破岩效率。
其中，图3A示出了斧型齿10的正视图，图3B示出了斧型齿10的俯视图；本实施例提供的斧型齿10的直径为13mm，其前倾角取值为15°，斧型齿10的顶部金刚石层具有一向外凸出的第一齿脊11，第一齿脊11由斧型齿10顶部向上延伸的两倾斜面111相交所形成，并以使两倾斜面111靠近斧型齿10轮廓边缘的一端采用弧面112过渡，由此斧型齿10 的金刚石层第一齿脊11采用倾斜面111及弧面112过渡结合设计，以利于提高斧型齿10 预破碎能力，使得地层应力解除释放，进而提高破岩效率，降低奔驰齿20破岩负荷。
作为优选，本实施例第一齿脊11两倾斜面所形成的夹角α取值范围为130°-150°；弧面半径R取值范围为15-20mm。经发明人实践中运用所得，将第一齿脊11的脊夹角α取值范围设计为130°-150°，出刃高度H2设计为13-20mm，针对不同地层在均具有很好的破岩效果，利于提高斧型齿10预破碎能力。
同时，图4A示出了奔驰齿20的正视图，图4B示出了奔驰齿20的俯视图；本实施例提供的奔驰齿20的直径为13mm，其前倾角取值为17°，奔驰齿20的顶部金刚石层具有一中心圆柱21和三条第二齿脊22，三条第二齿脊22自中心圆柱21向奔驰齿20的外缘轮廓呈等角度均匀分布，每条第二齿脊22的顶部采用弧形过渡24；且相邻两条第二齿脊22之间形成有切削面23；由此本实施例中设计的奔驰齿20具有由第二齿脊22和切削面23构成的二级切削刃，二级切削刃由中心圆柱21提供稳定支撑，以充分实现其分级切削的功能，从而具有非常强的攻击性，能够提高钻头机械钻速，同时结合斧型齿10的设计又可保证钻头具有高的抗冲击性能，从而提高钻头在硬地层中的使用寿命。
作为优选，本实施例第二齿脊22两斜面形成的脊夹角γ取值范围为60°-90°，且第二齿脊22的脊高度H取值范围为1-1.5mm；第二齿脊22的斜面与切削面23形成的夹角β取值范围为2°-5°；中心圆柱21直径D取值范围为3-5mm。经发明人实践中运用所得，将第二齿脊22的脊夹角γ取值范围设计为60°-90°，第二齿脊的脊高度H取值范围设计为1-1.5mm，第二齿脊22的斜面与切削面23形成的夹角β取值范围设计为2°-5°，针对不同地层在均具有很好的破岩效果，利于奔驰齿20的分级切削能力。
此外，在相邻两个刀翼之间形成有面槽5，在钻头冠部2内侧具有高压流道8，高压流道8具体设置在钻头靠近取芯孔一侧，每个刀翼布置有一条R6的高压水道，在钻头冠部2外侧面具有与面槽5相对应的排屑槽4，以使面槽5与排屑槽4相连，面槽5与钻头冠部2 内侧对应的高压流道8连通，由此采用两个刀翼之间形成的面槽5设计，以使排屑槽4与高压流道8连通，能够保证切削齿9得到充分的冷却和清洗，及时带走岩屑，避免泥岩夹层出现泥包及重复切削的现象。
实施例二
实施例二与实施例一基本相同，其不同之处在于：作为实施例一的优选方案，本实施例采用在钻头冠部2每个刀翼上布置的切削齿9类型相同，且至少设置有两颗斧型齿10或奔驰齿20；作为优选，本实施例以提供每个刀翼布置两颗斧型齿10或三颗奔驰齿20为例，采用排列组合的方式布置斧型齿10和奔驰齿20，由取芯孔向钻头冠部2轮廓边缘延伸的每个刀翼排列布置的切削齿9类型相同，当驱动钻头发生运动钻进时，每排斧型齿10或奔驰齿20能够产生相同的作用力，提高钻头的稳定性，有效降低对钻头切削齿9的冲击和磨损失效。
实施例三
实施例三与实施例二基本相同，其不同之处在于：作为实施例二的优选方案，如图2 所示，本实施例相邻两个刀翼上的布置的切削齿9类型不同，以使设置有斧型齿10的刀翼与设置有奔驰齿20的刀翼交错布置，各刀翼斧型齿10与奔驰齿20的布置方式如下：BLD1、BLD3、BLD5、BLD7、BLD9、BLD11刀翼上分别布置有3颗13mm奔驰齿20，BLD2、BLD4、BLD6、BLD8、BLD10、BLD12刀翼上分别布置有2颗13mm斧型齿10，从而充分利用斧型齿10的预破碎功能及奔驰齿20的分级切削的功能，以使钻头具有更强的攻击性，进一步提高机械钻速。
作为优选，如图1所示，本实施例提供的钻头内保径7、钻头冠部2布置有天然金刚石 6，能够有效保证岩心的质量，利于岩石力学分析。
综上所述，本实用新型的有益效果是：提出一种适用于火山岩地层取心的PDC钻头，主要能够解决目前常规取心钻头在火山岩地层取心钻进时，切削齿9崩损严重、使用寿命短、机械钻速低等问题；其通过优化冠部形状、优选切削齿9齿型和切削齿9参数更容易吃入火山岩硬地层，有利于提高切削效率，并保持高的抗冲击性能，通过优化内钻头冠部2，保证岩心的质量，便于岩石力学分析。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例子而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
