CN102199992A - 一种旋冲-扩孔复合钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种旋冲-扩孔复合钻头，这种旋冲-扩孔复合钻头，由旋冲钻头、液动冲击器、减震器和扩孔钻头依次连接构成，旋冲钻头上部连接液动冲击器，液动冲击器上部连接减震器，减震器上部连接扩孔钻头；旋冲钻头为领眼钻头，由排屑槽、喷嘴、柱状齿和旋转切割齿组成，旋冲钻头的前端分布有柱状齿和旋转切割齿，柱状齿的出露高度略高于旋转切割齿；扩孔钻头在钻头一侧设置刀翼，刀翼上布置聚晶金刚石复合片齿。本发明通过将旋冲钻头和PDC扩孔钻头复合，利用小尺寸的领眼旋冲钻头，充分利用液动冲击器的冲击能量，形成较大比钻压，提高了破岩效率，且实现了边钻进，边扩孔和修整井壁，节省了冲击钻井的后期划眼作业时间。

Description

一种旋冲-扩孔复合钻头
技术领域
本发明涉及的是在石油天然气工程领域中钻井使用的钻头，具体涉及的是一种旋冲-扩孔复合钻头。
二、背景技术：
随着油气勘探的不断深入，勘探难度日益增加，勘探开发中的“低、深、难”的矛盾日益突出，如大庆深部地层，由于地层硬 (2000～5000MPa)，研磨性强，可钻性极值高（2700米以下登娄库组为6～8.5级，其中砾石层达10.38级），钻进困难且跳钻严重，影响钻头和钻具使用寿命，牙轮钻头经常出现断齿、掉齿、磨尖、缩径等现象，造成钻速慢，建井周期长，严重影响了该地区的勘探和开发。钻井速度慢，主要是深层（泉二段以下），二开泉二段到登娄库地层，牙轮钻头平均机械钻速仅1.1-1.3米/小时；三开致密火山岩地层，牙轮钻头平均机械钻速仅1.3-1.5米/小时。而现行的冲击钻井，虽然大幅度提高钻速，但井眼易缩颈，井壁不规则，需要后期划眼作业，牺牲了很多钻时。因此，为加快该地区深层勘探开发步伐，针对该类地层设计一种高效节能个性化钻头，进一步提高深层机械钻速，缩短钻井周期，是非常迫切和重要的。
三、发明内容：
本发明的目的是提供一种旋冲-扩孔复合钻头，它用于解决现有钻头在深部硬质地层和大井眼段钻进效率低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种旋冲-扩孔复合钻头，由旋冲钻头、液动冲击器、减震器和扩孔钻头依次连接构成，旋冲钻头上部连接液动冲击器，液动冲击器上部连接减震器，减震器上部连接扩孔钻头；旋冲钻头为领眼钻头，由排屑槽、喷嘴、柱状齿和旋转切割齿组成，旋冲钻头的前端分布有柱状齿和旋转切割齿，柱状齿的出露高度略高于旋转切割齿；扩孔钻头在钻头一侧设置刀翼，刀翼上布置聚晶金刚石复合片齿。
上述方案中扩孔钻头采用偏轴设计，平衡刀翼偏心产生的离心力。
上述方案中柱状齿的出露高度高于旋转切割齿的出露高度级差在0.2-0.4mm之间。
上述方案中排屑槽与喷嘴对应设置，二者均布在柱状齿和旋转切割齿之间。
上述方案中扩孔钻头的水眼布置方向沿井身向上。
上述方案中扩孔钻头在钻头一侧布置4个刀翼。
上述方案中旋冲钻头设计直径较小，旋冲钻头的直径小于扩孔钻头的直径，旋冲钻头和扩孔钻头布齿在井底轴线方向投影，应布满井底接触母线，保证井底岩石不遗留未破碎区域。
有益效果：
1、本发明通过将旋冲钻头和PDC扩孔钻头复合，利用小尺寸的领眼旋冲钻头，充分利用液动冲击器的冲击能量，形成较大比钻压，提高了破岩效率。同时扩孔钻头，协同领眼钻头边钻进，边扩孔和修整井壁，节省了冲击钻井的后期划眼作业时间。
2、本发明扩孔钻头水眼，利用下部减震器和液动冲击器的较大水力压降，形成向上的喷射射流，降低了井底压差，甚至可能实现局部欠平衡钻井，更进一步提高了破岩效率。
3、本发明上部扩孔钻头相当于扶正器功能，提高了井身质量，避免了井斜。
四、附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中旋冲钻头的示意图；
图3为本发明中扩孔钻头的结构示意图；
图4为本发明的仰视图。
1.旋冲钻头  2.液动冲击器   3.减振器  4.扩孔钻头  5.排屑槽  6.喷嘴   7.柱状齿  8.旋转切割齿   9.刀翼  10.金刚石复合片  11.水眼  12.井眼形态。
五、具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1所示，这种旋冲-扩孔复合钻头由旋冲钻头1、液动冲击器2、减震器3和扩孔钻头4依次连接构成，旋冲钻头1作为领眼钻头，钻进过程中除了要随钻柱旋转外，还要受到安装在钻头上端液动冲击器2的冲击作用，在冲击动载荷和静压旋转联合作用下破碎岩石，由于领眼钻头设计直径较小，可充分利用冲击能量形成较大的比钻压，提高破岩效率。旋冲钻头1上部连接液动冲击器2，通过钻井液交替进入液动冲击器2内活塞缸的上下腔，驱动活塞往复运动，活塞带动冲锤反复冲击外花键的轴的顶端，同时传递转盘传递的扭矩，实现旋转冲击钻井。液动冲击器2上部连接减震器3，进一步吸收下部工具引发的振动，避免上部扩孔钻头承受冲击载荷和较大的集中应力。减震器3上部连接扩孔钻头4，扩孔钻头4协同领眼钻头边钻进，边扩孔和修整井壁，同时利于下部领眼钻头产生的岩屑，在此处顺利携带，避免重复破碎；扩孔钻头4的水眼布置方向沿井身向上，利用下部减震器和液动冲击器的较大水力压降，形成向上的喷射射流，即冷却了扩孔钻头，同时降低了井底压差，改变了井底岩石受力状态，进一步提高了破岩效率。
旋冲钻头1的结构示意图，如图2所示，主要是由排屑槽5、喷嘴6、柱状齿7和旋转切割齿8组成，旋冲钻头1的前端分布有柱状齿7和旋转切割齿8，排屑槽5与喷嘴6对应设置，二者均布在柱状齿7和旋转切割齿8之间，柱状齿7和旋转切割齿8具有较高的抗冲击性和耐磨性，柱状齿7的出露高度略高于旋转切割齿8，级差在0.2-0.4mm之间，以避免旋转切割齿8承受较大的冲击载荷和集中应力。旋转切割齿8采用硬质合金齿。
液动冲击器2采用大港油田集团有限责任公司设计的实用新型专利CN2763452Y钻井用液动冲击器。液动冲击器2由上接头、冲击器本体和外花键轴接头从上至下连接而成，冲击器本体的中心从上到下设置有流体分流射流腔、工作缸体腔和冲锤腔，在冲击器本体中心各腔室与冲击器本体外壁之间设主流道和次流道，主流道与上接头开口处、分流射流腔、冲锤腔和外花键轴接头内腔相通，次流道将分流射流腔、冲锤腔和外花键轴接头内腔相通，活塞置于工作缸体腔中，并将工作缸体腔分为上部缸体和下部缸体，分流射流腔分别与上部缸体和下部缸体相通，分流射流腔内有双稳射流元件，活塞通过冲锤棒与冲锤连接为一体，冲锤置于冲锤腔内。
液动冲击器2与减振器3相连，减振器3采用电磁耦合钻柱专用减震器，进一步吸收下部工具引发的振动，避免上部扩孔钻头承受冲击载荷和较大的集中应力，而发生折断或压碎。
扩孔钻头示意图如图3所示，扩孔钻头4为柱状的，柱体的一侧向外延伸有4个刀翼9，刀翼9的中下部为弧状的，聚晶金刚石复合片10布置在刀翼9的中下部，依次布置在刀翼9上的聚晶金刚石复合片10呈弧形排列，扩孔钻头4通过下连接头与减震器3紧固在一起，扩孔钻头4的上端是与钻杆连接的上连接头，上连接头与下连接头均有外螺纹，扩孔钻头4的水眼11布置方向沿井身向上。扩孔钻头4协同旋冲领眼钻头边钻进，边扩孔和修整井壁，同时刀翼9的偏心，利于下部领眼钻头产生的岩屑，在此处顺利携带，避免重复破碎，但由于离心作用，容易引发横向振动，因此本发明中扩孔钻头4采用偏轴设计，平衡刀翼9偏心产生的离心力。
本发明的仰视图如图4所示，旋冲钻头1的直径较小，它的直径小于扩孔钻头4的直径，用于向下钻进，扩孔钻头4的刀翼9上的聚晶金刚石复合片10用于继续扩孔和修整井壁，旋冲钻头1和扩孔钻头4布齿在井底轴线方向投影，应布满井底接触母线，提高钻头井底覆盖系数，保证在钻头每转一周中，牙齿应全部破碎井底，不遗留未破碎区域，最终形成井眼形态12。
通过上述方案，利用了深层硬脆性、强研磨性砾岩、火山岩抗冲击性差，拉伸和剪切强度低于抗压强度的特点，通过小尺寸的领眼旋冲钻头，充分利用液动冲击器的冲击能量，通过扩孔钻头，协同领眼钻头边钻进，边扩孔和修整井壁，提高了破岩效率。

Claims (7)

1.一种旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：这种旋冲-扩孔复合钻头由旋冲钻头（1）、液动冲击器（2）、减震器（3）和扩孔钻头（4）依次连接构成，旋冲钻头（1）上部连接液动冲击器（2），液动冲击器（2）上部连接减震器（3），减震器（3）上部连接扩孔钻头（4）；旋冲钻头（1）为领眼钻头，由排屑槽（5）、喷嘴（6）、柱状齿（7）和旋转切割齿（8）组成，旋冲钻头（1）的前端分布有柱状齿（7）和旋转切割齿（8），柱状齿（7）的出露高度略高于旋转切割齿（8）；扩孔钻头（4）在钻头一侧设置刀翼（9），刀翼（9）上布置聚晶金刚石复合片齿（10）。
2.根据权利要求1所述的旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：所述的扩孔钻头（4）采用偏轴设计。
3.根据权利要求2所述的旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：所述的柱状齿（7）的出露高度高于旋转切割齿（8）的出露高度级差在0.2-0.4mm之间。
4.根据权利要求3所述的旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：所述的排屑槽（5）与喷嘴（6）对应设置，二者均布在柱状齿（7）和旋转切割齿（8）之间。
5.根据权利要求4所述的旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：所述的扩孔钻头（4）的水眼（11）布置方向沿井身向上。
6.根据权利要求5所述的旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：所述的扩孔钻头（4）在钻头一侧布置4个刀翼（9）。
7.根据权利要求6所述的旋冲-扩孔复合钻头，其特征在于：所述的旋冲钻头（1）设计直径较小，旋冲钻头（1）的直径小于扩孔钻头（4）的直径，旋冲钻头（1）和扩孔钻头（4）布齿在井底轴线方向投影，应布满井底接触母线。
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