技术领域
[0001] 本
发明涉及一种PDC钻头技术领域，特别是一种新型防堵PDC钻头。
背景技术
[0002] PDC钻头自20世纪80年代使用以来，由于其独特的剪切破岩方式，在钻软到中硬度的均质砂泥岩
地层中机械钻速高、工作寿命长，已经成为油气钻井的主
力钻头，同时，随着钻头设计技术、金刚石超硬材料技术和制造加工技术的不断发展，PDC钻头的应用范围越来越广。随着油田勘探开发程度的不断提高，常规油气田的发现量在逐渐减少，开采难度也在加大，因此拟
页岩油气、
煤层气和
天然气水合物等非常规油气资源开发势在必行。然而，PDC钻头在拟页岩中钻进时容易出现泥包现象，岩屑粘附于钻头切削齿和刀翼顶面，使切削齿无法有效吃入地层，机械钻速降低或者无进尺，更严重的情况岩屑堵死水眼并逐渐积累塞满排屑槽，使得
泵压升高甚至蹩泵，导致被迫起钻现象，如果实在下钻时发生泥包钻头，还有可能造成拔
活塞，钻具刮井壁使泥饼下沉，形成环空阻塞的现象。
[0003] 造成PDC钻头泥包的原因主要是地质原因、泥浆性能和工程施工方面。
[0004] (1)地质因素：若所钻地层含泥页岩或者
石膏，这些岩屑易水化分散并
吸附于钻头表面，同时这些岩屑处理不及时，会污染泥浆，使泥浆性能下降，在钻进过程中，由于压差作用和不同渗透率，慢慢形成较差
质量的泥饼，这些泥饼极易造成钻头泥包。
[0005] (2)泥浆性能因素：当泥浆性能不好，泥浆的固相含量、
粘度、剪切力和抑制性不能达到要求，这时井底岩屑难以得到及时清除，易滞留于井眼，堵塞环空，在压差作用下，慢慢形成低质量的粗糙泥饼，同时如果泥浆的润滑性能差不能有效地保护钻头表面，都会导致钻头泥包。
[0006] (3)工程施工因素：在钻头选型方面，水眼和流道排屑
角设计不合理，岩屑不能尽快脱离钻头，造成钻头泥包，在钻进或者起下钻的时候，钻井指令不合理，如
排量过小、钻压过大等，使得岩屑长期滞留井底，形成厚泥饼，在起下钻过程中，钻具不停的挂落这些泥饼，后期施工时，井眼中的泥饼会越积越厚，越压越实，这时钻头泥包就很容易发生，在
刹把操作时，操作不精细，送钻不均匀，导致钻压时高时低，如果正好这时在软地层打钻，送压过大，钻头将直接
接触地层，造成钻头泥包。
[0007] 因此需要设计新的PDC钻头，要求钻头
冠部轮廓、水眼、流道排屑角等关键参数有利于排屑，减少岩屑在钻头处停留的时间。
发明内容
[0008] 为克服
现有技术的
缺陷，本发明的目的在于提供一种新型防堵PDC钻头，所述PDC钻头内锥和外锥都有一定高度，所述冠部轮廓采用国际钻井承包商协会钻头剖面分类表中2，3，5，6所描述的冠部轮廓，所述PDC钻头切削齿直径与地层可钻性级值K的关系为：对于直径为19mm的切削齿，可钻性级值K<＝3.5；对于直径位16mm的切削齿，可钻性级值K在3.5和5之间，对于直径为13mm的切削齿，可钻性级值K在5和7之间，所述PDC钻头切削齿选择Φ
19mm*13mm复合片，采用齿数<＝30的低
密度布齿。
[0009] 优选地，所述切削齿的分布包括布齿线和齿分布，所述布齿线采用螺旋线布齿，
螺旋角为15度。
[0010] 优选地，所述PDC钻头采用均匀磨损设计原则，使钻头各个空间
位置的切削齿切削量相对均匀，所述切削齿布置方式包括径向布齿和周向布齿，调整每个齿的径向位置、周向位置、后倾角、侧倾角和法向角参数，计算每个切削齿的切削面积、切削弧长和切削体积，使每片切削齿所受的轴向力、径向力、切削力及钻头整体的三维矢量合力达到最优。
[0011] 优选地，所述PDC钻头的切削齿后倾角大于20度，所述PDC钻头的切削齿的侧转角采用了随着螺旋线角度而变化的设计。
[0012] 优选地，所述切削齿的位置由以下因素确定，分别是：径向位置、剖面角度、刀翼圆周角、后倾角、侧倾角和切削齿出露高度等，所述切削齿的受力由其在钻头上的空间位置决定，所述切削齿的位置由径向位置、剖面角度、刀翼圆周角、后倾角、侧倾角和切削齿出露高度确定。
[0013] 优选地，所述PDC钻头内径基体为锥度较大的子弹头状。
[0014] 优选地，所述PDC钻头基体直径的减小到原有直径的70％，增加了刀翼的厚度30％。
[0015] 优选地，增加所述PDC钻头的刀翼高度至使用高度的1.5倍，并减小刀翼宽度为原始宽度的50％。
[0016] 优选地，所述PDC钻头刀翼顶部以及根部进行圆滑设计。
[0017] 优选地，所述PDC钻头上布置了6个可换活
喷嘴，长刀翼布置2个喷嘴，加强钻头中心的水力清洗效果，所述PDC钻头中心布置2个直径略大，喷射角度略小的喷嘴，在距钻头中心较远的部位周向布置4个直径略小、喷射角度略大的喷嘴，所述PDC钻头喷嘴为非对称布置。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 本发明的钻头能有效防止钻进泥页岩时的泥包现象，并能缩短钻井周期，降低钻井成本，经济效益显著。
[0020] 根据下文结合
附图对本发明具体
实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0021] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
[0022] 附图1为根据本发明实施例的PDC钻头的子弹头形内径基体结构图；
[0023] 附图2为根据本发明实施例的PDC钻头垂直于切削齿/
岩石界面延伸的长条带状岩屑；
[0024] 附图3为根据本发明实施例的PDC钻头圆滑的刀翼顶部和根部结构示意图。
具体实施方式
[0025] 本实施例提供新型防堵PDC钻头。
[0026] 钻井实践证明，钻头冠部轮廓形状对钻头破岩效率及切削齿的磨损影响较大。利用室内试验及有限元对不同冠部形状的PDC钻头进行受力分析，分析结果表明，钻头冠部轮廓长度影响钻速；外锥长度短，布置的切削齿数量较少，每个齿受力大、切削量大，可使钻进效率提高，但是钻头寿命短，外锥长度长，布齿量多，钻头
耐磨性增强，但是锥面越长，剖面上各齿受力分布越不均匀，容易引起钻头横向振动和涡动。从钻头防泥包角度考虑，浅内锥短外锥组合成较平缓的冠部轮廓容易产生泥包。这是因为切削齿几乎在同一平面，刮削的岩屑也聚集在一个平面内，很难立即被
钻井液带走。如果内锥和外锥都有一定高度，则不容易产生泥包。岩屑在钻头不同轴向梯度的平面上产生，相互之间不干扰，有利于岩屑的排出。内锥高度过高也不利于钻头防泥包，内锥布齿密度增大，攻击力降低，同时井底造型形成的心部
岩心柱大，不利于清洗，有可能造成泥包。综合考虑PDC钻头的防泥包效果、攻击力、抗冲击性和抗
研磨性，采用国际钻井承包商协会钻头剖面分类表中2，3，5，6所描述的冠部轮廓。
[0027] 钻头的切削结构设计通过独特的设计来布置PDC切削齿，从而达到预期的性能和寿命，具体包括切削齿尺寸选择、布齿密度选择、切削齿分布设计和切削齿工作角设计。钻头的性能和钻井效率直接受切削结构的影响，合理的布齿特点既能够实现理想的切削性能又能延长钻头寿命。
[0028] 1、切削齿尺寸以及布置密度选择
[0029] 根据实践经验，对于软到中硬度地层，选用直径较大的PDC切削齿，采用低密度或中密度布齿的钻头；对于中硬到坚硬地层，选用直径较小的PDC切削齿，采用中密度或高密度布齿的钻头。目前，现场应用较多的切削齿直径尺寸主要有19，16和13mm三种规格。大量实践表明，随着切削齿直径的增大，适应地层从软到硬。切削齿直径与地层可钻性级值K的关系为：对于直径为19mm的切削齿，可钻性级值K<＝3.5；对于直径位16mm的切削齿，可钻性级值K在3.5和5之间，对于直径为13mm的切削齿，可钻性级值K在5和7之间。泥页岩地层泥沙含量较高，可钻性好，应选择较大尺寸切削齿。同时，大尺寸切削齿出露量高，不易被岩屑包裹住；并且采用较大的齿间距配合冠部轮廓形状有效增强防泥包效果。本实施例中PDC钻头切削齿选择Φ19mm*13mm复合片，采用齿数<＝30的低密度布齿。
[0030] 2、切削齿分布设计：从而合理地把各切削齿布置在钻头表面上，使之磨损均匀，切削齿分布设计主要包括布齿线设计和齿分布设计，布齿线分为直线型和螺旋线型。布齿线形成的刀
翼型转过和布置对减少钻头振动有一定的影响。对直刀翼来说，切削齿的径向力完全累加到保径上。而螺旋刀翼仅是部分径向力作用在保径上，比直刀翼的影响小。本实施例采用螺旋线布齿，螺旋角为15度。齿分布设计步骤包括：
[0031] (1)确定布线齿(刀翼)数量和参数；
[0032] (2)设置最小布齿间隙和布齿顺序；
[0033] (3)以“同一刀翼上相邻切削齿互不干涉”为原则，按螺旋线方式布置各切削齿；
[0034] (4)综合考虑水力清洗和力平衡，优化布齿方案；
[0035] (5)计算各切削齿的周向位置坐标。
[0036] 新设计的PDC钻头采用均匀磨损设计原则，使钻头各个空间位置的切削齿切削量相对均匀，避免主要部位的切削齿因为切削量过大而磨损严重，进而导致钻头失效。布置方式包括径向布齿和周向布齿。调整每个齿的径向位置、周向位置、后倾角、侧倾角和法向角参数，计算每个切削齿的切削面积、切削弧长和切削体积，使每片切削齿所受的轴向力、径向力、切削力及钻头整体的三维矢量合力达到最优。
[0037] 3、切削齿工作角度设计
[0038] 复合片在钻头上安装时具有后倾角和侧转角。后倾角的大小决定了PDC切削齿攻击地层的能力。大的后倾角可以提高抗冲击能力和抗研磨能力，小的后倾角可以提高机械钻速。整个钻头上使用的后倾角不一样，从而可以达到不同的目的，如提高机械钻速或延长寿命。
[0039] PDC钻头的后倾角一般在5-40度范围内变化，常用的后倾角是10-30度。通常认为，10度左右的后倾角攻击性较强，适合于软地层，可取得很高的机械钻速；30度左右的后倾角攻击性较弱，适合于较硬地层，机械钻速低。在
水泥试样中进行了后倾角为5度、10度、15度、
20度和25度切削齿的受力试验，得出的结论是：后倾角为10度左右时切削齿的受力最小，旋转
扭矩也最小，随着后倾角的增大，轴向力、切削力和扭矩都呈增大的趋势。
[0040] 泥页岩地层可钻性好，切削齿后倾角小，攻击性强，吃深大，大量的岩屑增大了泥包的
风险。综合考虑钻头的防泥包能力、吃入能力和寿命等因素，新型PDC钻头采取了较大的后倾角，大于20度的设计。
[0041] 切削齿的侧转角是使切削齿在切削地层时对齿前岩屑产生侧向推力，使岩屑向钻头外缘移动，防止钻头泥包，因此，切削齿的侧转角采用了随着螺旋线角度而变化的设计。
[0042] 4、力平衡设计
[0043] 力平衡设计可以有效防止钻头涡动，尤其在泥页岩地层中更加重要，一旦钻头侧向切削量过大，切削齿乃至保径就会扎入井壁，增加泥包和井斜的风险。
[0044] 钻头欠动平衡力是引起钻头涡动的主要原因，通过合理的布齿设计可以有效地控制钻头欠平衡力的大小。钻头工作时，钻压作用在切削齿，总扭矩也通过所有切削力FC产生，所有的径向力FR和切削力累加起来就决定了欠平衡力的大小和方向，2个欠平衡力的合力就是总的欠平衡力。切削齿的受力由其在钻头上的空间位置决定。切削齿的位置由以下因素确定，分别是：径向位置、剖面角度、刀翼圆周角、后倾角、侧倾角和切削齿出露高度等。切削齿的受力由其在钻头上的空间位置决定。切削齿的位置由径向位置、剖面角度、刀翼圆周角、后倾角、侧倾角和切削齿出露高度确定。
[0045] 5、PDC钻头内径基体设计成锥度较大的子弹头状，从而使流道成
流线型，有利于岩屑滑落而不聚集在内径上。同时这种设计有利于岩屑从切削齿的
齿面上脱离，被推向外面而进入排屑槽。其次，这样的形状使得切削齿剖面到达内径的距离各不相同，在不同平面上的岩屑不容易干扰聚集，更不容易在井底和内径之间
压实塞满。
[0046] 6、钻头基体直径的减小到原有直径的70％，增加了刀翼的厚度30％，从而增大了排屑槽的体积，浙将利于岩屑排出进入环空，使岩屑在排屑槽堆积变得更加困难。
[0047] 7、刀翼高度增加减小岩屑从钻头表面直接推进到水眼的概率。PDC钻头刮削下来的岩屑一般是长条带状物，如图2所示，垂直于切削齿/岩石界面进行延伸，向
外延伸不会造成泥包，向内延伸交叉聚集而水利
能量没有清洗到，可能会发生泥包。同时条形带状物有一定的强度不易破坏。增加刀翼高度至使用高度的1.5倍可以减小带状物的最小抗压强度，早期发生破坏脱离钻头表面而进入排屑槽。
[0048] 8、减小刀翼宽度为原始宽度的50％可以降低岩屑在刀翼顶面聚集粘附的可能，更加容易进入排屑槽，同时刀翼变窄使排屑槽体积更大，利于排出岩屑。
[0049] 9、刀翼顶部以及根部进行圆滑设计，如图3所示，便于钻头吃入地层，提高机械钻速，并减小岩屑在顶部聚集的可能，更加流畅的进入排屑槽，根部圆滑过渡可以避免岩屑在此部位粘附聚集，同时增大刀翼强度，防止断刀翼事故发生。
[0050] 10、钻头水力结构设计，直接影响井底清洗效果以及岩屑排出。钻头泥包现象大部分是由于水力设计不合理所致。喷嘴的位置至关重要，其水力结构设计应当具备以下特点：钻井液流经喷嘴后应产生较高的压降，以保证水力做功，辅助破岩和清洗岩屑；排量最大化，同时根据各个刀翼切削齿的切削量合理分配流量；各个喷嘴射流流场互不干扰，
叠加后能增强水力能量；井底水力能量分布均衡，避免出现死区；避免直接冲蚀钻头体和切削齿。
[0051] 在保证足够钻头压降得情况下多布置喷嘴。传统的钻头喷嘴设计为每个喷嘴对应1个刀翼，本实施例的钻头上布置了6个可换活喷嘴，具体为长刀翼布置2个喷嘴，加强钻头中心的水力清洗效果。因为钻头内锥布齿数量少，单齿切削量大，加强的中心水力设计可以有效防止钻头泥包。钻头中心布置2个直径略大，喷射角度略小的喷嘴，在距钻头中心较远的部位周向布置4个直径略小、喷射角度略大的喷嘴，这样可以使水力清洗效果最大化，并且防止岩屑回流堆积在钻头中心，造成泥包。钻头喷嘴为非对称布置，这样不仅布置灵活，而且喷嘴射流能对井底实现全
覆盖。
[0052] 本实施例的PDC钻头在某工业规划区的区
块井进行试验，设计井深4834m，垂直深度4650米，经过试验，钻头有显著的防泥包效果，并且可以相应的提高机械钻速。
[0053] 虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加
权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和
修改。
