CN103233683A - 利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，它包括通过螺钉（1）安装于钻头（12）保径切削表面上的滚筒座（2）和通过销轴（3）可回转地安装于滚筒座（2）上的滚筒（4），滚筒（4）套装于销轴（3）上，销轴（3）两端安装于滚筒座（2）上。本发明的有益效果是：通过滚动作用修正井壁，减小滚筒与井壁的摩擦，增加有效磨损体积，增强保径效果；同时，保径单元相对于井壁的运动可为滚动或滚动+滑动，具有扩眼与光滑井壁的功能，提高井眼质量；减小钻进过程反扭矩，增强钻头稳定性；本发明使井眼轨迹规整，在大斜度井和水平井中，可减小钻进过程钻头反扭矩，降低钻头回旋概率，延长钻头使用寿命、提高机械钻速。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井设备技术领域，特别是利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置。
背景技术
钻头在钻进过程中，直接与岩石接触，通过切削、冲压等作用破碎岩石。钻研磨性地层如石英岩、硬白云岩、燧石等，会加快钻头切削齿磨损，特别是外排切削齿。随着外排齿直径减小，使钻头的直径减小，井眼直径也减小，井眼缩小造成再次下钻困难，而且由于大量摩擦热和较大的扭矩，会加快钻头的损坏。
现有具有台阶式保径结构的钻头主要由钢体、PDC切削齿、保径齿和喷嘴组成，采用台阶式保径结构，避免了钻头钢体的保径部位易于与井壁岩石接触的缺陷，同时也减小了钻头与岩石接触的总面积，从而提高钻头的平均机械钻速。
随着钻井深度的增加，地层情况复杂，硬度高、夹层多、研磨性强，对钻头的保径要求也越来越高。从现有保径的研究应用可得，保径对钻头机械钻速和寿命有较大影响，尤其在定向井和水平井应用中影响更大。
一、保径的意义。
钻头直径磨损后使井径缩小，导致井眼质量不高，影响起钻安全，井深愈深，井眼缩小对起钻安全的影响愈大。同时，更换的新钻头无法下到井底，新钻头下井会造成划眼，划眼后钻头直径又会磨损。如此反复形成恶性循环，容易造成钻头先期损坏。在硬地层和研磨性地层中，这个问题尤为突出。
保径对钻头机械钻速和寿命有较大影响，传统的保径设计方法是采用试凑法或多次逼近法，设计精度和准确性较差，研究新型高效的保径方法对钻井具有重要意义。
二、现有保径结构。
为防止由于地层岩石的磨损导致钻头直径缩小，被动保径技术是在钻头的外侧布置一定数量的保径垫，保径垫上镶装耐磨、抗冲击的材料，或者敷焊耐磨硬质合金材料，保径单元在钻进过程中以接近磨削的方式修正井壁。
在常规的定向井钻头中，为了钻头具有良好的导向性，通常保径长度设计较短，同时采用光滑保径面以减少摩阻，这种被动保径对地层没有切削能力、扭矩小，能够对定向初期的工具面控制起到良好作用。
近年来，随着钻井工程定向技术发展出现的旋转导向工具，要求钻头具有较强的侧向切削能力，而单纯提高钻头冠部侧向切割能力又会造成扭矩过大。对于保径而言，需要加强对主动保径研究，适用新工艺需要，提高钻头性能。
三、现有保径材料。
保径效果的提高不仅需要结构研究，同时需要提高保径单元材料性能。
现有保径材料包括运用金刚石、立方氮化磁或其他超硬材料制成保径单元，钻进过程中，保径单元主动修正井壁维持井径，或在定向钻井中进行必要的主动侧切。统计表明：金刚石复合齿等材料在保径上的应用，是保径材料发展的重要方向。
保径结构从被动保径发展到主动保径，保径材料从低耐磨材料发展到高耐磨的复合材料，保径效果的改进可提高钻头的机械钻速和寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种减小摩擦、增加磨损接触面、具有扩眼与光滑井壁的功能、延长钻头使用寿命、利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，它包括通过螺钉安装于钻头保径切削表面上的滚筒座和通过销轴可回转地安装于滚筒座上的滚筒，所述的滚筒座上至少设置有一个销轴，滚筒套装于销轴上，销轴两端安装于滚筒座上，滚筒的轴心线与铅垂面平行且滚筒的轴心线与钻头的轴心线平行或存在小于90°的空间夹角。
当设置两排或多排销轴、滚筒时，相邻排之间的缝隙大于内六角螺钉的扳手直径，使得内六角螺钉能够装配到钻头的侧表面上。
钻头垂直放置时，滚筒绕钻头的轴心线旋转一周形成的外接圆的直径与同一水平面上的切削齿绕钻头的轴心线旋转一周形成的外接圆的直径相同。
所述的滚筒固设于销轴上，滚筒座上设置有与销轴的两端相配合的安装孔，销轴可回转地安装于滚筒座的安装孔内上，销轴与滚筒座之间设置有耐磨环。
所述的滚筒可回转地套装于销轴上，滚筒与销轴之间设置有耐磨环，销轴的两端均与滚筒座固定连接。
所述的滚筒可回转地套装于销轴上，滚筒与销轴之间设置有耐磨环，滚筒座上设置有与销轴的两端相配合的安装孔，销轴可回转地安装于滚筒座的安装孔内上，销轴与滚筒座之间也设置有耐磨环。
所述的滚筒座与钻头通过键连接，并由螺钉连接固定。
所述的销轴包括销轴本体和设置于销轴本体外表面的耐磨层A，所述的滚筒包括滚筒本体和设置于其外表面或\和内表面的耐磨层B；
所述的销轴本体和滚筒本体的材料为钢材、硬质合金、粉末冶金材料、有色金属、复合材料，所述的耐磨环、耐磨层A和耐磨层B的材料为硬质合金、聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼、陶瓷、以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。
每个销轴上设置有一个或多个滚筒。
所述的滚筒的形状为柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体或者它们的组合体；其表面形状为光滑面，或对井壁具有修正功能的其他表面。
所述的钻头类型包括PDC钻头、金刚石钻头、孕镶钻头或者不同类型钻头构成的复合钻头。
本发明的研究包括以下内容：
一、保径装置的结构设计
通过销轴、滚筒、耐磨环、滚筒座与内六角螺钉的连接形成保径装置，确定结构设计参数。
二、保径装置的制造工艺
根据保径装置的各部件关系与结构设计结果，以及安装顺序、动连接副、易损件等关键问题，确定保径装置的制造、安装工艺。
三、滚筒的设计
作为保径单元的滚筒的设计包括结构设计与材料设计两方面。高耐磨的滚筒材料，保证滚筒在保径过程中的使用寿命。
四、耐磨环的设计
耐磨环与销轴或滚筒相比，不易更换，其设计包括材料设计与制造工艺。选用高性能（尤其是抗冲击、高耐磨）的材料，保证耐磨环的使用寿命。
五、滚筒座的设计
滚筒座的设计采用键槽结构，通过内六角螺钉安装在钻头上。
本发明具有以下优点：
一、增强保径效果、保持井眼直径。
本发明将保径作用的滑动摩擦变为滚动摩擦，利用滚筒滚动作用修正井壁，减小保径单元与井壁的摩擦，增加保径单元与井壁的磨损接触面，同时增加保径单元的有效磨损体积，实现增强钻头保径效果的目的。
二、扩眼和光滑井壁、提高井眼质量。
在定向井和水平井中，钻头外排齿工作负荷比直井中要大得多，在高转速下特别是研磨性强的地层中更易丧失外径，定向井、水平井钻井中要求钻出的井眼井身质量高，要求井壁光滑井眼截面尽量圆，防止出现变相缩径。
本发明的保径装置的轴线与钻头轴线的关系包含平行与交错的情形，当保径装置轴线与钻头轴线平行时，滚筒相对于井壁的运动以滚动为主（忽略纵向位移，可认为作纯滚动）。当保径装置轴线与钻头轴线呈交错夹角时，滚筒相对于井壁的运动为“滚动+滑动”形式，此时保径装置具有扩眼与光滑井壁效果，即在减小与井壁的摩擦力的同时，又具有一定的侧向切削能力，达到扩眼和光滑井壁目的，提高井眼质量。
三、减小反扭矩、增强钻头的稳定性、延长钻头寿命。
定向井、水平井钻井的保径结构特征和配置直接影响着钻头的稳定性、导向性。
本发明的滚筒与井壁为滚动耦合，减小钻进过程反扭矩，同时增加保径单元与井壁接触面积，增强钻头稳定性。
现有技术在钻进过程中如果保径单元与井壁摩擦阻力大，会产生大量摩擦热，同时岩石作用力也较大，从而影响钻头的寿命。同时，对于硬地层和硬夹层的抗剪切强度高的条件，进过程切削齿承受很大的扭矩，在定向时工具面波动大，不易控制，容易发生回旋振动，切削齿承受高冲击载荷就更大，导致金刚石层碎裂或脱落，造成切削齿先期失效。特别是保径齿，如果发生失效，钻头不再有进尺，大大缩短了其使用寿命。
本发明的保径装置使井壁光滑完整，滚动摩擦与滑动摩擦相比，井眼轨迹规整，尤其在大斜度井和水平井中，可减小钻进过程钻头反扭矩，降低钻头回旋概率，延长钻头使用寿命。
四、制造工艺简单、操作性强、更换方便。
本发明的保径装置对于动连接部位，采用高性能（抗冲击、高耐磨）材料，保证使用寿命，同时，各部件安装方便，操作性强。直接与井壁接触的滚筒作为保径单元，受到的作用包括与井壁或销轴的摩擦、挤压，是保径装置中的易损件之一，如果发生损坏，更换方便。
综上所述，本发明通过滚动作用修正井壁，减小滚筒与井壁的摩擦，增加其与井壁的磨损接触面，增加有效磨损体积，增强保径效果；同时，保径单元相对于井壁的运动可为“滚动”或“滚动+滑动”形式，具有扩眼与光滑井壁的功能，提高井眼质量；保径单元与井壁为滚动耦合，减小钻进过程反扭矩，增强钻头稳定性；本发明使井眼轨迹规整，在大斜度井和水平井中，可减小钻进过程钻头反扭矩，降低钻头回旋概率，延长钻头使用寿命、提高机械钻速。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图
图2 为本发明的滚筒座、销轴、滚筒连接结构的俯剖视结构示意图
图3 为本发明的滚筒座、销轴、滚筒连接结构的左视结构示意图
图4 为本发明的安装结构示意图
图5为滚筒的轴心线与钻头的轴心线平行设置的结构示意图
图6为滚筒的轴心线与钻头的轴心线呈空间夹角设置的结构示意图
图7为本发明的另一种结构示意图
图8为本发明的第三种结构示意图
图中，1-螺钉，2-滚筒座，3-销轴，4-滚筒，5-耐磨环，6-键槽，7-螺纹孔，8-耐磨层A，9-销轴本体，10-滚筒本体，11-耐磨层B，12-钻头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1、图2、图3、图4所示，利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，它包括通过螺钉1安装于钻头12保径切削表面上的滚筒座2和通过销轴3可回转地安装于滚筒座2上的滚筒4，所述的滚筒座2上至少设置有一个销轴3，滚筒4套装于销轴3上，销轴3两端安装于滚筒座2上，滚筒4的轴心线与铅垂面平行且滚筒4的轴心线与钻头12的轴心线平行或存在小于90°的空间夹角，即铅垂面平行且滚筒4的轴心线与钻头12的轴心线呈空间交错关系。所述的螺钉1可为但不限于内六角螺钉。利用滚筒4滚动作用修正井壁，减小保径单元与井壁的摩擦，增加其与井壁的磨损接触面，增加有效磨损体积，实现增强钻头12保径效果的目的。
如图5所示，为滚筒4的轴心线与钻头12的轴心线平行设置的实施例，该情况下，滚筒4相对于井壁的运动忽略纵向位移，可认为作纯滚动，
如图6所示，为且滚筒4的轴心线与钻头12的轴心线呈空间夹角设置的实施例，该实施例中空间夹角为10°，该情况下滚筒4相对于井壁的运动为“滚动+滑动”，且交错角越大，滑动效果越明显。
如图3所示，当设置两排或多排销轴3、滚筒4时，相邻排之间的缝隙大于内六角螺钉的扳手直径，使得内六角螺钉能够装配到钻头12的侧表面上。
钻头12垂直放置时，滚筒4绕钻头12的轴心线旋转一周形成的外接圆的直径与同一水平面上的切削齿绕钻头12的轴心线旋转一周形成的外接圆的直径相同。
如图1、图2、图3所示，所述的滚筒4固设于销轴3上，滚筒座2上设置有与销轴3的两端相配合的安装孔，销轴3可回转地安装于滚筒座2的安装孔内上，销轴3与滚筒座2之间设置有耐磨环5，该情况下，销轴3与滚筒4之间相对静止，销轴3与滚筒座2之间相对运动。
也可如图7所示，所述的滚筒4可回转地套装于销轴3上，滚筒4与销轴3之间设置有耐磨环5，销轴3的两端均与滚筒座2固定连接，该情况下，销轴3与滚筒4之间相对运动，轴与滚筒座2之间相对静止。
也可如图8所示，所述的滚筒4可回转地套装于销轴3上，滚筒4与销轴3之间设置有耐磨环5，滚筒座2上设置有与销轴3的两端相配合的安装孔，销轴3可回转地安装于滚筒座2的安装孔内上，销轴3与滚筒座2之间也设置有耐磨环5，该情况下，销轴3与滚筒4之间相对运动，销轴3与滚筒座2之间也相对运动。
上述滚筒4、销轴3和滚筒座2的三种连接关系，均能实现滚筒4相对于滚筒座2作绕滚筒4轴心线的回转运动，从而实现滚筒4与井壁直接接触时的自身滚动，变滑动摩擦为滚动摩擦。
如图1所示，钻头12上设置有键槽6和螺纹孔7，所述的滚筒座2与钻头12通过键连接，并由螺钉1连接固定。
所述的销轴3包括销轴本体9和设置于销轴本体9外表面的耐磨层A8，所述的滚筒4包括滚筒本体10和设置于其外表面或\和内表面的耐磨层B11；
如图1所示的实施例中，由于滚筒4内表面与销轴3固定连接，固仅在滚筒本体10的外表面设置耐磨层B11；
而如图7、图8所示的实施例中，滚筒本体10的外表面和内表面的均设置耐磨层B11。
所述的销轴本体9和滚筒本体10的材料为钢材、硬质合金、粉末冶金材料、有色金属、复合材料，所述的耐磨环5、耐磨层A8和耐磨层B11的材料为硬质合金、聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼、陶瓷、以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。
每个销轴3上设置有一个或多个滚筒4。
如图1所示的实施例中，每个销轴3上设置有三个滚筒4；如图8所示的实施例中，每个销轴3上设置有一个滚筒4。辊轴座上设置销轴3的数量和每个销轴3上设置滚筒4的数量可根据需要设置。
所述的滚筒4的形状为柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体或者它们的组合体，包含不同类型的组合，如椎体与球体的组合；其表面形状为光滑面，或对井壁具有修正功能的其他表面。
所述的钻头12类型包括PDC钻头、金刚石钻头、孕镶钻头或者不同类型钻头12构成的复合钻头。
Claims (9)
1.利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：它包括通过螺钉（1）安装于钻头（12）保径切削表面上的滚筒座（2）和通过销轴（3）可回转地安装于滚筒座（2）上的滚筒（4），所述的滚筒座（2）上至少设置有一个销轴（3），滚筒（4）套装于销轴（3）上，销轴（3）两端安装于滚筒座（2）上，滚筒（4）的轴心线与钻头（12）的轴心线平行或存在小于90°的空间夹角。
2.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的滚筒（4）固设于销轴（3）上，滚筒座（2）上设置有与销轴（3）的两端相配合的安装孔，销轴（3）可回转地安装于滚筒座（2）的安装孔内上，销轴（3）与滚筒座（2）之间设置有耐磨环（5）。
3.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的滚筒（4）可回转地套装于销轴（3）上，滚筒（4）与销轴（3）之间设置有耐磨环（5），销轴（3）的两端均与滚筒座（2）固定连接。
4.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的滚筒（4）可回转地套装于销轴（3）上，滚筒（4）与销轴（3）之间设置有耐磨环（5），滚筒座（2）上设置有与销轴（3）的两端相配合的安装孔，销轴（3）可回转地安装于滚筒座（2）的安装孔内上，销轴（3）与滚筒座（2）之间也设置有耐磨环（5）。
5.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的滚筒座（2）与钻头（12）通过键连接，并由螺钉（1）连接固定。
6.根据权利要求3-5中任意一项所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的销轴（3）包括销轴本体（9）和设置于销轴本体（9）外表面的耐磨层A（8），所述的滚筒（4）包括滚筒本体（10）和设置于其外表面或\和内表面的耐磨层B（11）；
所述的销轴本体（9）和滚筒本体（10）的材料为钢材、硬质合金、粉末冶金材料、有色金属、复合材料，所述的耐磨环（5）、耐磨层A（8）和耐磨层B（11）的材料为硬质合金、聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合体、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼、陶瓷、以及包含硬质合金、金刚石或立方氮化硼的复合材料。
7.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：每个销轴（3）上设置有一个或多个滚筒（4）。
8.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的滚筒（4）的形状为柱体、锥体、球体、腰鼓体、空心体、异形体或者它们的组合体。
9.根据权利要求1所述的利用滚动作用修正井壁增强钻头保径效果的装置，其特征在于：所述的钻头（12）类型包括PDC钻头、金刚石钻头、孕镶钻头或者复合钻头。
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