内外相异的PDC钻头及PDC钻头的制造方法

内外相异的pdc钻头及pdc钻头的制造方法
技术领域
1.本发明涉及油气钻井的技术领域，尤其涉及一种内外相异的pdc钻头及pdc钻头的制造方法。


背景技术：

2.pdc(polycrystallinediamondcompact，聚晶金刚石复合片)钻头应用于破碎地下岩石，是油气钻井工程领域的主要破岩工具。pdc钻头的切削结构主要包括主要切削齿和冠部曲线。主要切削齿是指位于钻头每个刀翼的第一排、且首先与地层接触的、承担主要破岩任务的切削齿，简称主齿。冠部曲线是一条由所有主齿的最高点包络而成的曲线；钻头的保径部分，不计入冠部曲线，冠部曲线只涉及切削破岩的主齿部分，不包括非破岩功能的齿，例如钻头保径处的保径齿、每个刀翼的非第一排齿(也称次级齿)。冠部曲线的鼻部与基准平面相切，是整只钻头的轴向最高位置。如图1和图2所示，图1所示的pdc钻头的冠部曲线上的主齿是的圆形齿；图2中，内圈为钻头鼻部位置，外圈代表钻头的最大外径，内圈直径与外圈直径的比值通常在30％-80％。根据鼻部的径向位置，可将pdc钻头的切削结构分为内外两部分：位于鼻部的内侧的钻头中心部、和位于鼻部的外侧的钻头肩部。
3.随着钻井技术与工具的不断进步，pdc钻头的破岩效率和机械钻速也随之不断提高。但是，近些年pdc钻头的机械钻速已进入瓶颈期，一直未有显著突破。目前，在以下三种具体应用中，pdc钻头的机械钻速和破岩效率受到了较大限制。
4.第一种情况，钻井工程师和pdc钻头制造商的默认认为，增大pdc钻头切削齿的直径，能够有效提高pdc钻头的机械钻速。在理想钻进条件下，pdc钻头的机械钻速可由以下公式求得：
5.rop＝60
×
doc
×
rpm(3)
6.其中，rop(rateofpenetration)是钻头的机械钻速，rop的单位是m/h；doc(depthofcutperrevolution)是pdc齿的吃入深度，doc的单位是m/rev；rpm(revolutionsperminute)为转速，rpm单位为rev/min。
7.由公式3可知：pdc钻头的机械钻速与切削齿的吃入深度成正相关性；提高切削齿的尺寸，将增大切削齿的出刃高度和吃入深度，从而有效提高pdc钻头的机械钻速；大尺寸的切削齿旋转一周能够破碎更多的岩石，也有利于产生大块的体积破碎，有利于增大切削齿及pdc钻头的破岩效率，从而形成“大齿快切”的破岩效果。但是目前，即使采用了很大尺寸的切削齿，pdc钻头机械钻速的提升并不明显，导致近些年pdc钻头的机械钻速进入瓶颈期，一直未有显著突破。另外，还容易发生“憋钻”，由于扭矩能量贮存在扭曲的管柱中，一旦释放，此时钻头的转速将达到了正常数值的2-15倍，钻头和管柱遭遇严重的扭转振动，导致剧烈的扭矩波动，是pdc钻头损坏的重要原因。控制主齿的吃入深度，减少反作用扭矩，将对粘滑有很好的抑制作用。bakerhughes公司的研究发现，在当今的钻井应用中，粘滑是引起pdc钻头失效的主要原因。因此，切削齿的攻击性与反作用扭矩之间，不得不进行妥协，从而在机械钻速和钻头稳定性耐用性之间取得平衡。
8.第二种情况，对于非常规、深层、深水等领域的油气勘探开发，切削单位体积的岩石将消耗更多的钻井能量；而且，随着井深的不断加深，受限于当前钻井工艺与钻井装备的限制，提供给pdc钻头的钻井能量也相对有限。综合以上几种因素，在深部地层钻进时，pdc钻头表现出较差的破岩效果和钻井效率，极大增加了钻井周期和钻井成本。
9.第三种情况，对于直径很大的pdc钻头，pdc钻头的机械钻速和破岩效率受到的限制就变得很突出。
10.综上，目前存在pdc钻头的机械钻速和破岩效率受到限制的技术问题。


技术实现要素：

11.本发明的目的是提供一种内外相异的pdc钻头及pdc钻头的制造方法，以解决pdc钻头的机械钻速和破岩效率受到限制的技术问题。
12.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
13.本发明提供一种内外相异的pdc钻头，包括：钻头中心部和钻头肩部，所述钻头中心部位于所述pdc钻头的冠部曲线的鼻部内，所述钻头肩部位于所述pdc钻头的冠部曲线的鼻部外；所述钻头中心部布置有中心部切削齿，所述钻头肩部布置有肩部切削齿；
14.所述中心部切削齿的工作面积的平均值小于所述肩部切削齿的工作面积的平均值。
15.在优选的实施方式中，所述肩部切削齿的工作面积的平均值与所述中心部切削齿的工作面积的平均值之差大于或等于所述中心部切削齿的工作面积的平均值的20％，且小于或等于所述中心部切削齿的工作面积的平均值的86％。
16.在优选的实施方式中，所述中心部切削齿的工作面积小于所述肩部切削齿的工作面积。
17.在优选的实施方式中，所述肩部切削齿的工作面积与所述中心部切削齿的工作面积之差大于或等于所述中心部切削齿的工作面积的20％。
18.在优选的实施方式中，所述中心部切削齿包括至少3颗小面积切削齿，所述小面积切削齿的工作面积小于所述冠部曲线上的其它切削齿的工作面积。
19.在优选的实施方式中，至少部分所述中心部切削齿为具备尖齿部的切削齿。
20.在优选的实施方式中，所述具备尖齿部的切削齿的工作面积小于相同直径的圆形齿的工作面积，且两者的差值大于或等于所述具备尖齿部的切削齿的工作面积的10％。
21.在优选的实施方式中，至少部分所述肩部切削齿为具备尖齿部的切削齿，或者，所述肩部切削齿为圆形齿。
22.在优选的实施方式中，所述具备尖齿部的切削齿为斧形齿、弯刀齿或凹面斧形齿。
23.本发明提供一种pdc钻头的制造方法，包括：
24.制作钻头本体，所述钻头本体包括钻头中心部和钻头肩部，所述钻头中心部位于所述pdc钻头的冠部曲线的鼻部内，所述钻头肩部位于所述pdc钻头的冠部曲线的鼻部外；
25.制作中心部切削齿和肩部切削齿，所述中心部切削齿的工作面积小于所述肩部切削齿的工作面积；
26.将所述中心部切削齿布置于所述钻头中心部，将所述肩部切削齿布置于所述钻头肩部。
27.本发明的特点及优点是：
28.本发明提供的pdc钻头有效提高了pdc钻头的整体破岩效率和机械钻速，提高了pdc钻头破岩效果，具备以下优点：
29.(1)有利于发挥“大齿快切”的高速破岩效果，可实现可钻性较好地层的大幅提速；
30.(2)有效解决了深部地层难以吃入的难题，有效降低深部地层pdc钻头破岩所需的钻井能量，从而解决深部地层钻井速度慢、周期长的难题；
31.(3)钻头中心处的切削齿具有尖齿部，有利于提高切削齿的吃入效果，且工作面积变小，将有效降低切削齿破岩所需的钻井能量，从而消除钻头中心处切削齿的阻滞效应，大幅提高pdc钻头的破岩效率；
32.(4)钻头中心处的切削齿具有尖齿部，有利于吃入致密坚硬地层，且所需的钻压和扭转力更小，在长水平段或深部地层钻井中，优势更为明显；
33.(5)钻头中心处的切削齿具有尖齿部，切削齿变得“尖锐”，有利于增加脊高，提升钻头的横向稳定性；
34.(6)钻头中心处的切削齿具有尖齿部，切削齿的工作面积变小，降低了反作用扭矩，钻头中心旋转一周所需的钻井能量减小；
35.(7)钻头中心处的切削齿具有尖齿部，切削齿的工作面积变小，降低了扭矩波动，有利于平稳钻头扭矩，减少了钻头振动、粘滑、蹩钻跳钻的发生；
36.(8)钻头中心处的切削齿具有尖齿部，切削齿的工作面积变小，钻头中心旋转一周的破岩量变小，有利于携岩排岩、清洁井底，有利于减少井底重复切削，提高破岩效率。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为pdc钻头的典型冠部曲线；
39.图2为pdc钻头的典型冠部曲线的俯视图；
40.图3a为16mm直径切削齿的工作面积的示意图；
41.图3b为22mm直径切削齿的工作面积的示意图；
42.图4为pdc钻头第一刀翼的典型工作面积的程序计算图；
43.图5为pdc钻头切削齿的合力f与其径向距离r之间的典型关系图；
44.图6为圆形齿的结构示意图；
45.图7为斧形齿的结构示意图；
46.图8为弯刀齿的结构示意图；
47.图9为凹面斧形齿的结构示意图；
48.图10-图14为本发明提供的内外相异的pdc钻头的结构示意图；
49.图15为水平钻机的结构示意图；
50.图16为机械钻速对比的示意图；
51.图17为pdc切削齿工作面积计算逻辑框图。
52.附图标号说明：
53.10、鼻部；11、冠部曲线；
54.21、钻头中心部；22、钻头肩部；
55.30、切削齿；301、工作面；
56.31、中心部切削齿；32、肩部切削齿；
57.40、具备尖齿部的切削齿；401、尖齿部；
58.41、斧形齿；42、弯刀齿；43、凹面斧形齿；
59.44、圆形齿；
60.51、动力推进装置；52、岩石夹持器；53、钻柱扶正装置；54、钻柱；55、滑轨；56、底座；57、钻头；58、长方形岩柱；59、泥浆出口；510、岩屑筛；511、岩屑槽；512、钻井泵；513、泥浆池。
具体实施方式
61.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.发明人对背景技术中的第一种情况进行了研究后发现：图3a和图3b示出了切削齿30的工作面301，切削齿30的工作面301的面积即为切削齿30的工作面，与小尺寸的切削齿的工作面积相比，大尺寸切削齿将产生更大的工作面积。根据公式2，在岩石破碎应力相同的情况下，钻头中心的切削齿会由于工作面积较大，而受到较大的力，相对应的破碎岩石需要的力也越大。
63.f＝a
×
σ(2)
64.其中，a是切削齿与岩石之间的接触工作面积，与切削齿所处的冠部曲线11位置有关；σ是岩石破碎应力，与岩石特性参数和破岩运动方式有关。
65.切削齿工作面积的增大，将显著提高钻头中心处切削齿的阻滞效应，钻头旋转一周将消耗更多的钻井能量。因此，即使采用了很大尺寸的切削齿，pdc钻头机械钻速的提升并不明显，导致近些年pdc钻头的机械钻速进入瓶颈期。
66.另外，随着切削齿尺寸的增大及其工作面积的提高，也造成了更大的反作用扭矩。反作用扭矩过大，pdc钻头会随时停转，形成“憋钻”，直至管柱积聚足够的扭矩使得钻头再次旋转剪切岩石。由于扭矩能量贮存在扭曲的管柱中，一旦释放，管柱会像松开的发条一样，此时钻头的转速将达到了正常数值的2-15倍，钻头和管柱遭遇严重的扭转振动，这种现象就称之为粘滑。粘滑振动将导致剧烈的扭矩波动，是pdc钻头损坏的重要原因。
67.通过合理的创新性技术方案，如果能够降低钻头中心处大尺寸切削齿的阻滞效应、且降低大尺寸切削齿的反作用扭矩，这将更加有利于发挥公式3的“大齿快切”破岩效果，有利于提高钻头的稳定性和耐用性，从而有效提高pdc钻头的机械钻速和破岩效率。
68.发明人对背景技术中的第二种情况进行了研究后发现：随着井深的不断加深，地层岩性更加压实致密，地层可钻性变差，切削单位体积的岩石将消耗更多的钻井能量；由于地层压实致密，破岩所需的钻井能量不断增大，导致钻头中心处切削齿的阻滞效应也被放
大。
69.深部地层钻进时，如果能够降低钻头中心处切削齿的阻滞效应，例如：通过降低切削齿工作面积的方法(根据公式2)、以及采用更加易于吃入致密地层的切削齿齿形设计，那么pdc钻头旋转切削一周将消耗较小的钻井能量，从而实现深部地层pdc钻头机械钻速和破岩效率的有效提高。
70.发明人对背景技术中的第三种情况进行了研究后发现；对于直径很大的pdc钻头，由图2所示，随着与钻头中心的径向距离r的增大，其对应的线速度(公式1)也会以相应增大，从而具有更高的破岩能力与破岩效率。而且由于所钻区域的可钻性往往相对较好，大直径pdc钻头通常采用大尺寸的切削齿，以提高机械钻速。但是，pdc钻头冠部曲线11各个区域的切削齿仍然是同时完成一周的旋转剪切破岩，那么钻头中心处大尺寸切削齿的阻滞效应的影响就变得很突出。
71.通过合理的创新性技术方案，如果能够降低这种阻滞效应，这将有效提高大直径pdc钻头的机械钻速和破岩效率。
72.通常情况下，pdc钻头的切削结构在钻头中心和钻头肩部22通常采用相同尺寸和相同齿形的切削齿，即钻头的内外布齿一致。如图1所示，钻头中心和肩部都是16mm直径的圆形齿44。
73.发明人对pdc钻头“内外一致”布齿的缺陷进行了剖析后发现：pdc钻头的钻头中心处的切削齿对于整只钻头的剪切破岩效果具有很大的阻滞效应。依据木桶效应，钻头中心处切削齿的破岩效果是决定pdc钻头机械钻速的短板。
74.关于pdc钻头中心处切削齿的阻滞效应，这一发现的形成依据如下：
75.依据1：根据公式1，切削齿越靠近钻头中心，线速度越慢，破碎同等弧长的岩石所需的时间越长，剪切破岩速度慢、效果差。
[0076][0077]
其中，是线速度，r是距离钻头中心的径向距离，ω是角速度。
[0078]
依据2：如图4所示，切削齿越靠近钻头中心，切削齿的工作面积越大。通常情况下，冠部曲线11在钻头中心部21位置的弧长长度，比在钻头肩部22位置的弧长长度短很多。因此，在同样的井底投影面宽度上，钻头中心部21布齿个数要远小于钻头肩部22的布齿个数，进而导致在钻头中心部21的切削齿的切削工作面积大于在钻头肩部22的切削齿工作面积。第一刀翼是指距离钻头中心最近的切削齿所在的刀翼。
[0079]
根据公式2，在岩石破碎应力相同的情况下，钻头中心的切削齿会由于工作面积较大，而受到较大的力，相对应的破碎岩石需要的力也越大。
[0080]
依据3：如图5所示，切削齿越靠近钻头中心，切削齿受到合力f(钻压的压力和旋转的扭转力)就越大，引发的反向作用扭矩(reactive torque)和扭矩波动也最大，尤其是在岩性或钻压发生变化的时候，将导致整个pdc钻头的剧烈扭转波动。
[0081]
依据4：根据公式2，切削齿越靠近钻头中心，破岩应力受到切削齿破岩运动方式的影响，会随着切削齿旋转运动半径的减小而变大，则切削齿单位工作面积上的反作用力会变大，其旋转剪切破岩所需的能量越大，即相比于其他区域的切削齿，钻头中心处的切削齿需要消耗更大的钻井能量。钻头在井下工作时，虽然pdc钻头冠部曲线11各个区域的切削齿是同时完成一周的旋转剪切破岩，但是钻头各个区域的切削齿对钻头旋转剪切破岩的阻力
不同。钻头中心区域由于工作面积大、破岩应力高，需要消耗更多的钻井能量来完成旋转。
[0082]
因此，pdc钻头切削结构中破岩效率高的区域，会被破岩低效的钻头中心区域所制约(木桶效应)，整只钻头将不能发挥最佳的破岩效果。反之，如果能够降低钻头中心处切削齿的阻滞效应，将有效提高pdc钻头的破岩效率和机械钻速。
[0083]
为了解决pdc钻头的机械钻速和破岩效率受到限制的技术问题，本发明对pdc钻头做了改进。
[0084]
方案一
[0085]
本发明提供了一种内外相异的pdc钻头，如图10-图14所示，该pdc钻头包括：钻头中心部21和钻头肩部22，钻头中心部21位于pdc钻头的冠部曲线11的鼻部10内，钻头肩部22位于pdc钻头的冠部曲线11的鼻部10外；钻头中心部21布置有中心部切削齿31，钻头肩部22布置有肩部切削齿32；中心部切削齿31的工作面积的平均值小于肩部切削齿32的工作面积的平均值。通过该内外相异的pdc钻头，将有效解决深部地层难以吃入的难题，有效降低深部地层pdc钻头破岩所需的钻井能量，从而解决深部地层钻井速度慢、周期长的难题。
[0086]
该pdc钻头的钻头中心部21布置有一颗或多颗中心部切削齿31，钻头肩部22布置有一颗或多颗肩部切削齿32。该pdc钻头的所有中心部切削齿31的工作面积之和，小于所有肩部切削齿32的工作面积之和。进一步地，肩部切削齿32的工作面积之和与中心部切削齿31的工作面积之和之间的差值，大于或等于中心部切削齿31的工作面积之和的20％，且小于或等于中心部切削齿31的工作面积之和的86％。如图2所示，钻头中心部21内的所有中心部切削齿31的工作面积之和，钻头肩部22内的所有肩部中心齿的工作面积之和，从而形成“内外相异”的钻头切削结构。更优选地，肩部切削齿32的工作面积之和与中心部切削齿31的工作面积之和之间的差值，小于或等于中心部切削齿31的工作面积之和的67.5％。
[0087]
中心部切削齿31的数量与肩部切削齿32的数量，可以相等也可以不相等。在一实施方式中，中心部切削齿31的工作面积的平均值小于肩部切削齿32的工作面积的平均值并且，肩部切削齿32的工作面积的平均值与中心部切削齿31的工作面积的平均值之差大于或等于中心部切削齿31的工作面积的平均值的20％，且小于或等于中心部切削齿31的工作面积的平均值的86％。具体地，将钻头中心部21所有中心部切削齿31的工作面积之和除以中心部切削齿31的总齿数，得到中心部切削齿31工作面积的平均值a1；同理，将钻头肩部22所有肩部切削齿32的工作面积之和除以肩部切削齿32的总齿数，可得到肩部切削齿32的工作面积的平均值a2，满足：a1＜a2，且优选地，a1
×
70％≥(a2-a1)≥a1
×
20％。更优选地，a1
×
67.5％≥(a2-a1)≥a1
×
20％。
[0088]
进一步地，中心部切削齿31的工作面积小于肩部切削齿32的工作面积，即：每一颗中心部切削齿31的工作面积均比肩部切削齿32的工作面积小。更近一步地，肩部切削齿32的工作面积与中心部切削齿31的工作面积之差大于或等于中心部切削齿31的工作面积的20％。
[0089]
中心部切削齿31的工作面积可以相等，也可以不相等；肩部切削齿32的工作面积可以相等，也可以不相等。发明人对该pdc钻头作了进一步的改进：该pdc钻头的中心部切削齿31包括至少3颗小面积切削齿，小面积切削齿的工作面积小于冠部曲线11上的其它切削齿的工作面积。该至少3颗小面积切削齿的工作面积可以两两相等，也可以互不相等；优选地，该至少3颗小面积切削齿的工作面积互不相等。例如：该pdc钻头的中心部切削齿31包括
4颗小面积切削齿，即：冠部曲线11上的切削齿的工作面积从小到大排名第一、第二、第三和第四的切削齿，均属于中心部切削齿31。
[0090]
该pdc钻头的切削结构具有“内外相异”的特点，有效解决了钻头中心处切削齿对钻头整体破岩效果的阻滞作用，提高了该pdc钻头的破岩效率。在一实施方式中，该pdc钻头的整体直径为75mm
–
720mm，该pdc钻头的刀翼数为3-12个。中心部切削齿31的包络圆直径和肩部切削齿32的包络圆直径均为8mm-50mm，具体地，可以为13mm、16mm、19mm、22mm、25mm或28mm。
[0091]
发明人对该pdc钻头作了进一步的改进：至少部分中心部切削齿31为具备尖齿部的切削齿40。该pdc钻头中的中心部切削齿31采用具备尖齿部的切削齿40，能够形成“尖齿突破”的切削效果，有效提高钻头中心处切削齿吃入地层的能力，从而更加有效的提高钻头中心处切削齿的破岩效率。
[0092]
具备尖齿部的切削齿40的齿面，不同于圆形齿44的连续光滑的弧形齿面，具有明显的断续、连接特征，包括线、线相连、线段与弧线相连、弧面与弧面相连等。如图6-图9所示，具备尖齿部的切削齿40优选为斧形齿41、弯刀齿42或凹面斧形齿43。具备尖齿部的切削齿40还可以为其它异形齿。
[0093]
进一步地，具备尖齿部的切削齿40的工作面积小于相同直径的圆形齿44的工作面积，且两者的差值大于或等于圆形齿44具备尖齿部的切削齿40的工作面积的10％。
[0094]
圆形齿44带有连续光滑弧形齿面，在一些情况下，圆形齿44呈正圆柱状；在另一些情况下，圆形齿44的投影为正圆，且具有勺形下凹结构或者球形上凸结构。在一实施方式中，至少部分肩部切削齿32为具备尖齿部的切削齿40，或者，肩部切削齿32为圆形齿44，即：仅全部或者部分中心部切削齿31为具备尖齿部的切削齿40，或者，部分或者全部肩部切削齿32和部分或者全部中心部切削齿31为具备尖齿部的切削齿40。
[0095]
本发明提供的pdc钻头具有“内外相异”、“尖齿突破”的pdc钻头切削结构，能够有效提高pdc钻头的整体破岩效率和机械钻速，提高pdc钻头破岩效果，具备以下优点：
[0096]
(1)有利于发挥“大齿快切”的高速破岩效果，可实现可钻性较好地层的大幅提速；
[0097]
(2)有效解决了深部地层难以吃入的难题，有效降低深部地层pdc钻头破岩所需的钻井能量，从而解决深部地层钻井速度慢、周期长的难题；
[0098]
(3)钻头中心处的切削齿具有尖齿部401，有利于提高切削齿的吃入效果，且工作面积变小，将有效降低切削齿破岩所需的钻井能量，从而消除钻头中心处切削齿的阻滞效应，大幅提高pdc钻头的破岩效率；
[0099]
(4)钻头中心处的切削齿具有尖齿部401，有利于吃入致密坚硬地层，且所需的钻压和扭转力更小，在长水平段或深部地层钻井中，优势更为明显；
[0100]
(5)钻头中心处的切削齿具有尖齿部401，切削齿变得“尖锐”，有利于增加脊高，提升钻头的横向稳定性；
[0101]
(6)钻头中心处的切削齿具有尖齿部401，切削齿的工作面积变小，降低了反作用扭矩，钻头中心旋转一周所需的钻井能量减小；
[0102]
(7)钻头中心处的切削齿具有尖齿部401，切削齿的工作面积变小，降低了扭矩波动，有利于平稳钻头扭矩，减少了钻头振动、粘滑、蹩钻跳钻的发生；
[0103]
(8)钻头中心处的切削齿具有尖齿部401，切削齿的工作面积变小，钻头中心旋转
一周的破岩量变小，有利于携岩排岩、清洁井底，有利于减少井底重复切削，提高破岩效率。
[0104]
发明人对该pdc钻头作了进一步的优化：
[0105]
如图10所示，该pdc钻头直径是222.3mm，包括6个刀翼，钻头中心部21布置有9个直径为16mm的弯刀齿42；冠部曲线11的其他区域布置有直径为16mm的圆形齿44。进一步地，圆形齿44与弯刀齿42的工作面积之差为弯刀齿42的工作面积的28.8％。
[0106]
如图11所示，该pdc钻头直径215.9mm，包括5个刀翼，钻头中心部21布置有8个直径为16mm的弯刀齿42；冠部曲线11的其他区域布置有直径为19mm的斧形齿41。弯刀齿42的工作面积小于斧形齿41的工作面积，进一步地，斧形齿41与弯刀齿42的工作面积之差为弯刀齿42的工作面积的45％。
[0107]
如图12所示，该pdc钻头直径311.2mm，包括5个刀翼，钻头中心部21布置有14个直径为19mm的弯刀齿42；冠部曲线11的其他区域布置有直径为19mm的斧形齿41。弯刀齿42的工作面积小于斧形齿41的工作面积，进一步地，斧形齿41与弯刀齿42的工作面积之差为弯刀齿42的工作面积的为41.9％。
[0108]
如图13所示，该pdc钻头直径241.3mm，包括4个刀翼，钻头中心部21布置有4个直径为19mm的弯刀齿42；冠部曲线11的其他区域布置有直径为22mm的圆形齿44。进一步地，圆形齿44与弯刀齿42的工作面积之差为弯刀齿42的工作面积的64％。
[0109]
如图14所示，该pdc钻头直径215.9mm，包括5个刀翼，钻头中心部21布置有7个直径为16mm的弯刀齿42；冠部曲线11的其他区域布置有直径为16mm的斧形齿41。弯刀齿42的工作面积小于斧形齿41的工作面积，进一步地，斧形齿41与弯刀齿42的工作面积之差为弯刀齿42的工作面积的25.8％。
[0110]
发明人对该pdc钻头进行了测试，设计建立了全尺寸钻头破岩实验平台，能够真实模拟钻压、钻速、泵压等钻井参数，适合研究钻头的机械钻速、稳定性等钻井性能表现，对于钻压、转速等钻井参数优化也具有非常重要的意义。该实验平台主要包括水平钻机和近钻头安装的随钻测量短节。水平钻机的最大钻压为250kn，最大转速为160rev/min，最大扭矩为10000n
·
m。
[0111]
水平钻机能够模拟全尺寸钻头在井下的钻进行为。水平钻机包括岩石夹持装置、钻进动力装置、高压钻井泵、岩屑收集箱以及数据采集系统组成。岩石夹持装置能够夹持2000
×
350
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350mm的岩石，且岩石岩性能够根据地层环境进行自行设定。钻进动力装置由给进系统和旋转系统组成，其中给进系统能够为钻头提供0-250kn的钻压以及2m的移动距离(受限于岩石长度)，旋转系统能够为钻头提供最大160r/min的转速以及最大10000n.m的扭矩。实验中，通过调整钻机参数，能够实现精确测量钻头各种钻进行为的实验目的。全尺寸钻头破岩实验装置的数据采集系统能够测量钻压、转速、扭矩、进尺、泵压、流量、轴向振动、径向振动、周向振动。数据采集系统的数据采样率最大为1000hz。岩屑收集箱能够将每次钻进过程中产生的岩屑收集起来，便于后期对岩屑进行分析。工作原理：(1)在岩石加持装置中安装好岩石；(2)钻进动力装置夹持钻杆，在钻进过程中为钻头提供钻压与转速；(3)将钻头与钻杆进行上扣处理；(4)高压钻井泵在钻进过程中往钻杆泵入泥浆，冷却润滑钻头以及有效排岩；(5)数据采集系统在钻进前打开：(6)钻进结束，收集岩屑收集箱中的岩屑。具体地，如图15所示，水平钻机包括动力推进装置51、岩石夹持器52、钻柱扶正装置53、钻柱54、滑轨55、底座56、钻头57、长方形岩柱58、泥浆出口59、岩屑筛510、岩屑槽511、钻井泵512
和泥浆池513。
[0112]
通过全尺寸钻头破岩实验平台，对新型切削结构设计方法pdc钻头与常规pdc钻头进行了室内测试实验。本实验所用的pdc钻头具有相同的主齿冠部曲线11和暴露值，钻头直径都为215.9mm(8.5-inch)，刀翼数都为4，唯一变量是切削结构的设计方法，一个是“内外相异”、“尖齿突破”的设计方法，一个是常规的“内外一致”的设计方法。具体地，新型切削结构设计方法pdc钻头采用图11所示的“内外相异”、“尖齿突破”切削结构设计方法，钻头直径215.9mm，包括4个刀翼；钻头中心处采用了4个直径为19mm的弯刀齿42，钻头肩部22采用了直径为22mm的圆形齿44。常规pdc钻头的钻头直径215.9mm，4个刀翼；钻头冠部曲线11采用了传统的“内外一致”的布齿方法；冠部曲线11的切削齿采用了相同尺寸(φ19mm)和相同齿形(圆形)。
[0113]
本实验将转速设置为恒定值，钻压取值为1.5吨和2.5吨，如图16所示，新型钻头采用本发明提供的内外相异的pdc钻头，相比于常规pdc钻头，实现提速60％以上。
[0114]
发明人对该pdc钻头进行了现场试验。
[0115]
试验一：该pdc钻头具有“内外相异”“尖齿突破”的特征，采用图13所示的该pdc钻头，在山东胜利油田车西作业区块的c105井进行了现场试验。钻遇地层主要包括：新生界第四系平原组，新近系明化镇组和馆陶组，古近系东营组和沙河街组。试验结果如表1所示，采用新型切削结构设计方法的pdc钻头，创造了车西作业区块机械钻速最快、日进尺最高二项纪录！与邻井c27-x2井的钻头数据相比，新型钻头实现提速160％。
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表1钻头使用数据对比
[0118]
试验二：在山东胜利油田的y941-x71井，采用本发明提供的pdc钻头与常规pdc钻头进行了同井测试试验，先使用了图14所示的pdc钻头，起钻后紧接着使用了常规的pdc钻头。所采用的内外相异的pdc钻头，具有“内外相异”、“尖齿突破”切削结构，其钻头直径215.9mm，5个刀翼；钻头中心处采用了7个直径为16mm的弯刀齿，钻头肩部采用了直径为16mm的斧形齿。常规pdc钻头的钻头直径215.9mm，5个刀翼；钻头冠部曲线采用了传统的“内外一致”的布齿方法，冠部曲线的切削齿采用了相同尺寸(φ16mm)和相同齿形(斧形齿)。钻遇地层主要包括：沙三段和中生界。试验结果如表2所示，与常规的pdc钻头相比，采用该内外相异的pdc钻头，实现提速65％。
[0119]
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表2钻头使用数据对比
[0121]
试验三：采用内外相异的pdc钻头，在新疆准噶尔盆地的y3-x14井进行了现场应用。该内外相异的pdc钻头与试验二中的内外相异的pdc钻头一致。钻遇地层主要包括：呼图壁组和清水河组。试验结果如表3所示，在周围邻井y3-x2井采用了国外企业哈里伯顿的pdc钻头，与之相比，采用该内外相异的pdc钻头，实现提速125％；在周围邻井y3-p16井采用了国外进口的斯伦贝谢的pdc钻头，与之相比，采用该内外相异的pdc钻头，实现提速330％。
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表3与国外进口钻头的使用效果对比
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方案二
[0125]
本发明提供了一种pdc钻头的制造方法，包括：制作钻头本体，钻头本体包括钻头中心部21和钻头肩部22，钻头中心部21位于pdc钻头的冠部曲线11的鼻部10内，钻头肩部22位于pdc钻头的冠部曲线11的鼻部10外；制作中心部切削齿31和肩部切削齿32，中心部切削齿31的工作面积小于肩部切削齿32的工作面积；将中心部切削齿31布置于钻头中心部21，将肩部切削齿32布置于钻头肩部22。
[0126]
为了有效区别处于钻头中心处与肩部的切削齿的工作面积，该pdc钻头冠部曲线11上切削齿的工作面积可以按照以下方法来计算。具体地，利用现代化的计算机数值方法，以python和c 两种计算机语言为载体，通过计算机图形方法实现了对pdc钻头切削齿布齿设计的工作区域计算。如图17所示，对给定的pdc钻头布齿设计结果参数，包括每个pdc切削齿的空间位置参数径向位置r、转角θ、高度h，pdc切削齿工作面的空间方向转角后倾角α、侧转角β、装配角γ，整体布齿结构中的序列号等9个关键计算参数，以及预设的一般化钻井参数包括机械钻速和钻头转速，输入到计算程序中，结合pdc钻头几何学和pdc钻头运动学相关理论，使用空间坐标变换，模拟全尺寸钻头理想化的绕钻头轴心旋转钻进过程。通过进行连续的pdc切削齿和地层岩体的布尔求差运算，能够得到此pdc钻头布齿结构设计在该钻井参数状态下的每个pdc切削齿工作区域大小。
[0127]
该pdc钻头的制造方法，能够计算任何不同形状的pdc钻头齿的工作面积，由于使用了c 这一“底层编程语言”和python这一“胶水编程语言”，相比于其他研究人员设计的计算程序和计算方法，具有计算速度快、使用方便、通用性强、稳定性好的特点。
[0128]
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。