CN103266854B - 液动冲旋子母钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井下动力工具技术领域，尤其涉及一种液动冲旋子母钻头，包括钻头体和设置在钻头体端面上的牙齿，钻头体的端面为阶梯分离式，其正投影呈三片式扇叶形，端面分为一体结构的中心圆端面和三个扇叶形端面，扇叶形端面均布在中心圆端面的外圈，每个扇叶形端面的根部开设有弧形排屑槽，三个弧形排屑槽均贴合于中心圆端面的外圈，中心圆端面上还均布开设有三个互不相交的双向圆弧排屑槽，三个双向圆弧排屑槽与三个弧形排屑槽分别一一对应，双向圆弧排屑槽的弧形开口与弧形排屑槽的弧形开口相对。本发明的有益效果是，利于岩屑进入流道，避免重复破碎，降低岩屑重返井底几率，防止边齿脱落，提高了清岩效率以及使用寿命。

Description

液动冲旋子母钻头

技术领域

本发明涉及井下动力工具技术领域，尤其涉及一种液动冲旋子母钻头。

背景技术

冲旋钻进技术是冲击式钻进和旋转钻进相结合的一种钻进方法,其原理是在普通旋转钻进的基础上增加一个冲击器,冲击器依靠高压气体或钻井液推动其活塞上下运动撞击其下端的冲旋钻头,冲旋钻头即在冲击动载荷和静压旋转的联合作用下破碎岩石。采用冲旋钻进技术在钻遇坚硬地层时,具有钻速快,钻井成本低、岩屑大、钻压低和井斜程度轻等优点。目前,冲旋钻进技术已广泛应用于矿山、采石、地质勘探、水文水井、石油钻井、地热钻井、工程施工及工程勘察等领域。

目前在采用冲旋钻井技术钻进硬质及超硬地层的过程中，传统的液动冲旋钻头存在排屑困难的问题，使得岩屑不能及时有效的排出井底，坚硬的岩屑颗粒在井底被重复破碎，导致钻头本体及牙齿磨损严重，边齿脱落，钻头寿命短，钻进速度慢。此外携带岩屑的高速钻井液对井壁的冲蚀破坏严重，导致井壁坍塌事故时有发生。

长期以来，国内外学者在冲旋钻头方面进行了积极的探索，提出了很多改进方法。例如将排屑槽结构由径向改进为切向；调整喷嘴位置、大小、个数；调整边齿倾角；牙齿方面研制新型复合纳米材料等方面提高钻头的工作性能，延长使用寿命。

这些方法对冲旋钻头技术的发展起到了积极的推动作用，但也遇到了瓶颈。因此，突破传统方法，从新的角度对钻头各项参数进行研究，研制出一种排屑效率高，钻头磨损慢，使用寿命长，钻进速度快的液动冲旋钻头是冲旋钻井技术体系的需要，是目前深井超深井钻井技术的需要，是提高钻井综合经济效益的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决液动冲旋钻头排屑不畅、岩屑重复破碎、边齿脱落及使用寿命短的问题，本发明提供一种液动冲旋子母钻头。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液动冲旋子母钻头，包括钻头体和设置在钻头体端面上的牙齿，所述钻头体的端面为阶梯分离式，其正投影呈三片式扇叶形，所述的端面分为一体结构的中心圆端面和三个扇叶形端面，所述的扇叶形端面均布在中心圆端面的外圈，所述的每个扇叶形端面的根部开设有弧形排屑槽，所述的三个弧形排屑槽均贴合于中心圆端面的外圈，所述的中心圆端面上还均布开设有三个互不相交的双向圆弧排屑槽，所述的三个双向圆弧排屑槽与三个弧形排屑槽分别一一对应，所述的双向圆弧排屑槽的弧形开口与弧形排屑槽的弧形开口相对，所述的中心圆端面还设有三内三外六个水眼，单个内水眼与外水眼同一径向分布。本发明的液动冲旋子母钻头的双向圆弧排屑槽，一方面泥浆液挤压使得岩屑向两边排屑，缩短岩屑运动路径，利于中心排屑；另一方面双向圆弧排屑槽的圆弧结构，为流入的岩屑提供了额外的向心力，利于岩屑快速流入井眼环空，提高排屑效率；最后双向圆弧排屑槽为切向结构，可以减少井底流场漩涡大小和强度，降低岩屑重返井底几率，提高井底流场排屑效率，避免重复破碎。

为了保证更好的排屑效果，所述的双向圆弧排屑槽的弧形开口宽度与弧形排屑槽的弧形开口宽度相一致，且双向圆弧排屑槽的弧度大于与弧形排屑槽的弧度。

所述的钻头体的中心还开设有流道，每个双向圆弧排屑槽的中间开设有不等直径的内水眼，每个弧形排屑槽的中间开设有等直径的外水眼，内水眼和外水眼均与流道相通。钻头体上的水眼采用三内三外的水眼结构，中心采用三个不等直径的大水眼，提高井底流场漫流层的径向速度和压力梯度，能增强井底流场的清岩力；外侧采用三个等直径的小水眼，抑制中心水眼产生的漩涡区，降低岩屑重返井底几率，同时加强了边齿的清洗，减轻岩屑滞留，提高钻头的整体清岩能力。

所述的三个内水眼和三个外水眼一一对应，每对内水眼和外水眼分布在同一径向上，可以减小由内水眼射流产生的漩涡区的大小和强度。

所述的牙齿分为边齿和中心齿，所述的边齿均布在扇叶形端面上，中心齿均布在中心圆端面上，所述的中心圆端面略高于扇叶形端面。所述的边齿采用锥形齿，中心齿采用球形齿。通过中心齿与边齿先后破碎岩石，分离了中心齿与边齿职能，中心齿侧重于冲击破碎，而边齿侧重于旋转破碎。先期破碎时，冲击能量集中作用在中心齿上，增强钻头破岩能力，同时由于中心齿的体积破碎，提高了周围岩石的可钻性，利于边齿的后期剪切破碎。

为了充分利用冲击能力，保护边齿，进一步提高钻头寿命，所述的边齿采用锥形齿，中心齿采用球形齿。

所述的扇叶形端面呈略外凸的弧面，弧度为5°～12°。布置边齿的的扇叶形端面采用小弧度圆弧端面，可以通过调节圆弧曲率来调整边齿方位，改善边齿受力工况，避免了传统冲旋钻头大倾角导致的边齿受力脱离钻头本体，易发生边齿脱落的问题，提高了边齿使用寿命。

本发明的有益效果是，本发明的液动冲旋子母钻头，利于岩屑进入流道，避免重复破碎，并且可以减少井底流场漩涡大小和强度，降低岩屑重返井底几率，防止边齿脱落，提高了清岩效率以及使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明液动冲旋子母钻头的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明的球形齿结构示意图。

图4是本发明的锥形齿结构示意图。

图中：1、钻头体，1-1、中心圆端面，1-2、扇叶形端面，2、弧形排屑槽，3、双向圆弧排屑槽，4、流道，5、内水眼，6、外水眼，7、边齿，8、中心齿。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-4所示，是本发明液动冲旋子母钻头的实施例，包括钻头体1和设置在钻头体1端面上的牙齿，所述钻头体1的端面为阶梯分离式，其正投影呈三片式扇叶形，所述的端面分为一体结构的中心圆端面1-1和三个扇叶形端面1-2，扇叶形端面1-2均布在中心圆端面1-1的外圈，每个扇叶形端面1-2的根部开设有弧形排屑槽2，三个弧形排屑槽2均贴合于中心圆端面1-1的外圈，中心圆端面1-1上还均布开设有三个互不相交的双向圆弧排屑槽3，三个双向圆弧排屑槽3以中心圆端面1-1的中心呈中心对称，三个双向圆弧排屑槽3与三个弧形排屑槽2分别一一对应，双向圆弧排屑槽3的弧形开口与弧形排屑槽2的弧形开口相对。双向圆弧排屑槽3的弧形开口宽度与弧形排屑槽2的弧形开口宽度相一致，且双向圆弧排屑槽3的弧度大于与弧形排屑槽2的弧度。所述的钻头体1的中心还开设有流道4，每个双向圆弧排屑槽3的中间开设有不等直径的内水眼5，每个弧形排屑槽2的中间开设有等直径的外水眼6，内水眼5和外水眼6均与流道4相通。所述的三个内水眼5和三个外水眼6一一对应，每对内水眼5和外水眼6分布在同一径向上。所述的牙齿分为边齿7和中心齿8，边齿7均布在扇叶形端面1-2上，中心齿8均布在中心圆端面1-1上，且中心圆端面1-1略高于扇叶形端面1-2。所述的边齿7采用锥形齿，中心齿8采用球形齿，材料均为硬质合金。所述的扇叶形端面1-2呈略外凸的弧面，弧度为5°～12°。

工作原理：使用时，将本发明的液动冲旋子母钻头安装在液动冲击器下端，与其它井下工具连接起来，然后开泵循环钻井液并加压旋转钻进。在钻进过程中，从钻头体1的内水眼5中喷出钻井液不断的通过双向圆弧排屑槽3将破碎的岩屑排入井眼环空；外水眼6中喷出的钻井液则不断的冲刷锥形齿及其作用产生的岩屑。钻头的双向圆弧排屑槽3采用双向圆弧-切向排屑槽结构，利于岩屑进入流道，避免重复破碎，并且可以减少井底流场漩涡大小和强度，降低岩屑重返井底几率，提高清岩效率。采用内水眼5及外水眼6相结合的水眼布置方式，增强了边齿的清洗，降低了边齿的磨损，有效抑制泥包的发生。在破碎岩石过程中，由球形齿先期接触岩石，破碎岩石，而后锥形齿破碎岩石。球形齿承载大部分钻压，对岩石的破碎主要是体积破碎，继而提高了周围岩石的可钻性，利于锥形齿剪切破碎。这样充分利用了冲击能量，同时对边齿也起到了一定的保护作用。

双向圆弧排屑槽为双向圆弧切向结构的排屑槽，详细介绍如下：

双向：首先对于每个水眼产生的井底流场是双向的，符合井底流场规律；其次对于大直径冲旋钻头来说，由于钻井效率高，岩屑量是较大的，为了满足排屑的需要，单向的排屑槽槽口较宽，影响了牙齿的均匀布置，造成牙齿磨损不均。对于本发明，双向意味着拥有六个排屑口，槽口宽度较小，牙齿布置均匀，最大限度的降低了排屑槽对布齿的影响，符合钻头优化设计的原则；最后从结构外观上来看，双向的布置使得排屑槽在整个钻头体上分布匀称，缩短了各牙齿产生的岩屑到排屑槽的距离，排屑方便。强化了排屑槽排屑能力，符合排屑槽优化设计的要求。

圆弧：传统的直槽在运输岩屑的时候，由于旋转的作用，势必使得岩屑往一边偏离，使其与要进入这一侧的新岩屑，产生挤压冲突，影响排屑。而采用一段圆弧槽，对岩屑产生额外的向外的向心力，加速了岩屑进入井眼环空，有效减轻了与新岩屑的冲突。

切向：有两层含义。首先是与圆弧相接的是切向槽，避免了过长了圆弧产生的向内的向心力，制约排屑。其次是整个的排屑槽结构就是一种切向结构，可以减少井底流场漩涡大小和强度，降低岩屑重返井底几率，提高井底流场排屑效率，避免重复破碎。

三内三外的水眼布局，详细介绍如下：

对于大直径的平底钻头而言，岩屑的滞留部分是由于水力能量损耗、不集中导致，采用同径向双水眼，给予岩屑二次动能，利于顺利流入井眼环空；同时单内水眼在井底会产生漩涡区，在漩涡区部位设置一个外水眼，能够减小漩涡区的大小和强度；最后六水眼的均匀布置，对中心齿及边齿都能起到一个较好的清洗和降温作用，提高牙齿工作性能，延长使用寿命。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种液动冲旋子母钻头，其特征在于：包括钻头体(1)和设置在钻头体(1)端面上的牙齿，所述钻头体(1)的端面为阶梯分离式，其正投影呈三片式扇叶形，所述的端面分为一体结构的中心圆端面(1-1)和三个扇叶形端面(1-2)，所述的扇叶形端面(1-2)均布在中心圆端面(1-1)的外圈，所述的每个扇叶形端面(1-2)的根部开设有弧形排屑槽(2)，所述的三个弧形排屑槽(2)均贴合于中心圆端面(1-1)的外圈，所述的中心圆端面(1-1)上还均布开设有三个互不相交的双向圆弧排屑槽(3)，所述的三个双向圆弧排屑槽(3)与三个弧形排屑槽(2)分别一一对应，所述的双向圆弧排屑槽(3)的弧形开口与弧形排屑槽(2)的弧形开口相对，所述的钻头体(1)的中心还开设有流道(4)，每个双向圆弧排屑槽(3)的中间开设有不等直径的内水眼(5)，每个弧形排屑槽(2)的中间开设有等直径的外水眼(6)，内水眼(5)和外水眼(6)均与流道(4)相通。

2.如权利要求1所述的液动冲旋子母钻头，其特征在于：所述的双向圆弧排屑槽(3)的弧形开口宽度与弧形排屑槽(2)的弧形开口宽度相一致，且双向圆弧排屑槽(3)的弧度大于与弧形排屑槽(2)的弧度。

3.如权利要求1所述的液动冲旋子母钻头，其特征在于：所述的三个内水眼(5)和三个外水眼(6)一一对应，每对内水眼(5)和外水眼(6)分布在同一径向上。

4.如权利要求1所述的液动冲旋子母钻头，其特征在于：所述的牙齿分为边齿(7)和中心齿(8)，所述的边齿(7)均布在扇叶形端面(1-2)上，中心齿(8)均布在中心圆端面(1-1)上，所述的中心圆端面(1-1)略高于扇叶形端面(1-2)。

5.如权利要求4所述的液动冲旋子母钻头，其特征在于：所述的边齿(7)采用锥形齿，中心齿(8)采用球形齿。

6.如权利要求1所述的液动冲旋子母钻头，其特征在于：所述的扇叶形端面(1-2)呈外凸弧面，弧度为5°～12°。