CN103899253B - 带有伸缩刀翼的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够提高钻头机械钻速同时具有更长使用寿命的带有伸缩刀翼的钻头。包括钻头体、固定刀翼、切削齿、喷嘴，其中,固定刀翼连同切削齿固定在钻头体上，喷嘴设在固定刀翼的外端部，并与钻头体内的圆柱腔贯通，在钻头体上的固定刀翼之间活动连接有伸缩刀翼。本发明在石油天然气、地质勘探用钻井中，尤其是在深井、超深井、水平井中，相对常规PDC钻头可以大幅提高钻井机械钻速，而且同时该钻头可以具有更长的使用寿命，从而达到缩短钻井周期，降低钻井成本的目的。

Description

带有伸缩刀翼的钻头

技术领域

本发明属于石油天然气和地质勘探、钻井工具领域的一种钻头。

背景技术

钻头是石油天然气和地质勘探、钻井行业的必备工具。随着材料技术的不断发展，目前，PDC（人造聚晶金刚石）钻头被广泛应用于油气井钻井中。常规PDC钻头的设计是在固定刀翼上布置切削齿的方法，这种钻头设计结构简便、制造方便，成本较低，在软到中硬地层中具有机械钻速快、使用寿命长的优点。但是在深部地层中岩石硬度高、可钻性差，钻头机械钻速低、使用寿命短。

为了保证钻头的使用寿命，传统的设计方法是增加钻头的刀翼数量，加大钻头的布齿密度，但是这将极大牺牲钻头的机械钻速，但是如果降低钻头的布齿密度，又会影响钻头的使用寿命。同样在水平井中由于受到井身结构的影响以及钻具本身的限制，钻压往往难以有效传递到钻头处，导致机械钻速降低，如果降低钻头布齿密度，可以提高钻头机械钻速，但同样会影响钻头使用寿命，因此传统的PDC钻头很难完成同时兼顾提高钻头机械钻速与钻头寿命的任务。

发明内容

本发明的目的是针对现有PDC钻头在深井、水平井中钻进时存在的问题，提供一种能够提高钻头机械钻速同时具有更长使用寿命的带有伸缩刀翼的PDC钻头。

本发明的技术方案是：

一种带有伸缩刀翼的钻头，包括钻头体、固定刀翼、切削齿、喷嘴，其中,固定刀翼连同切削齿固定在钻头体上，喷嘴设在固定刀翼的外端部，并与钻头体内的圆柱腔贯通，在钻头体上的固定刀翼之间活动连接有伸缩刀翼。

伸缩刀翼与钻头体的连接结构为：在固定刀翼之间的钻头体上轴向开设扇形槽，扇形槽的横截面呈“T”形结构，槽底中部开设锁定块凹槽，锁定块凹槽内设置锁定块，锁定块与锁定块凹槽底部之间设有径向弹性部件，在靠近锁定块凹槽的扇形槽底上开设联动螺栓通孔和剪切螺钉通孔；在钻头体的圆柱腔内靠近喷嘴端开设环形槽，在钻头体的圆柱腔内设有与圆柱腔滑动密封配合的球座套；球座套的内端设有与封堵球坐封配合的锥面，球座套的内端周边设有数个槽口，在靠近封堵球坐封位置的球座套上周向开设数个旁通孔，在球座套上设有联动螺栓孔和剪切螺钉孔；伸缩刀翼为与扇形槽滑动配合的扇形体，扇形体两侧设有“L”形外凸沿，伸缩刀翼两侧外凸沿与“T”形扇形槽形成限位配合，伸缩刀翼径向设有螺栓通孔和剪切螺钉通孔，在伸缩刀翼与扇形槽槽底的对合部设有与锁定块径向锁定配合的锁定槽；联动螺栓贯穿伸缩刀翼、钻头体的联动螺栓通孔和球座套的联动螺栓孔连接，构成伸缩刀翼与球座套的联动；剪切螺钉穿过伸缩刀翼的剪切螺钉通孔后贯穿钻头体的剪切螺钉通孔与球座套的剪切螺钉孔连接，构成钻头体和球座套的固定连接；前述钻头体上的联动螺栓通孔在联动螺栓贯穿后，其有效行程不小于伸缩刀翼在缩进至极点时伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的高度差，同时球座套上的旁通孔在伸缩刀翼在缩进至极点时不与钻头体内圆柱腔的环形槽连通。

上述方案进一步包括：

在锁定块相对应的伸缩刀翼上还开设有径向通孔；在球座套与钻头体内圆柱腔的结合部设有密封圈。

所述锁定块为单向滑动楔形槽，与之配合的伸缩刀翼上的凹槽为单向滑动楔形槽，固定刀翼和伸缩刀翼的数量分别为2-5个。

所述的弹性部件为压缩弹簧或者是压缩弹簧片，伸缩刀翼在缩进至极点时，伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的差距与固定刀翼的高度差为5-20mm。

伸缩刀翼在缩进至极点时，伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的差距与固定刀翼的高度差为8-12mm。

球座套上设计有密封槽和密封圈。

球座套上的槽口和旁通孔数量为2-20个。

本发明的带有伸缩刀翼的PDC钻头刚开始钻进时，伸缩刀翼处于紧缩状态，不参加切削地层，只有固定刀翼上的切削齿切削地层破碎岩石，待钻进一定时间后固定刀翼上的切削齿磨损到了一定程度，钻头机械钻速降低，这时，将钻头稍提离井底，从地面往钻井管柱中投入封堵球，封堵球到达球座套内，泥浆循环通道封堵，然后单泵低排量憋压，泥浆压力推动球座套下行，将剪切螺栓剪断，球座套带动伸缩刀翼前行到达指定位置后，伸缩刀翼锁定块锁止伸缩刀翼使其不能回缩，此时，球座套上的泥浆旁通孔与新性钻头体的泥浆通道联通形成新的泥浆循环通道，至此，带有伸缩刀翼的PDC钻头的伸缩刀翼伸出工作完成，恢复正常开泵钻进即可。

在使用本发明一种带有伸缩刀翼的PDC钻头时，首先将封堵球从井口投入钻杆中，封堵球从钻杆中滑落到安装在钻头体内腔中的球座套上，低速开泵，憋压，使泵压上升，待泵压突然下降时，封堵球带动球座套向钻头前端移动，将剪切螺钉剪断，球座套通过联动螺栓带动伸缩刀翼伸出到达设定位置；同时泥浆通过球座套上的旁通孔流入钻头体内腔中建立新的循环，伸缩刀翼伸出工作完成。

本发明在石油天然气、地质勘探用钻井中，尤其是在深井、超深井、水平井中，相对常规PDC钻头可以大幅提高钻井机械钻速，而且同时该钻头可以具有更长的使用寿命，从而达到缩短钻井周期，降低钻井成本的目的。

附图说明

图1是根据本发明的一种带有伸缩刀翼的PDC钻头立体图。

图2是根据本发明的一种带有伸缩刀翼的PDC钻头的总体装配图。

图3是根据本发明的一种带有伸缩刀翼的PDC钻头，伸缩刀翼未参加切削地层岩石工作状态下（即缩进极点时）的剖视图。

图4是根据本发明的一种带有伸缩刀翼的PDC钻头，伸缩刀翼参与切削地层岩石工作状态下的剖视图。

图中：1.伸缩刀翼、2.固定刀翼、3.压缩弹簧、4.锁定块、5.联动螺栓、6.剪切螺钉、7.球座套、8.封堵球、9.喷嘴、10.切削齿。

伸缩刀翼1上的标记说明：1-1.径向通孔、1-2.联动螺栓通孔、1-3.剪切螺钉通孔、1-4.单向滑动楔形槽。

球座套7上的标记说明：7-1.槽口、7-2.旁通孔、7-3.密封槽和密封圈、7-4.联动螺栓孔（可以是通孔，也可以使半封闭孔）、7-5.剪切螺钉孔（可以是通孔，也可以使半封闭孔）。

具体实施方式

下面结合附图1-4和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的总体设计方案是：现有的固定刀翼钻头包括钻头体、固定刀翼、切削齿、喷嘴，其中,固定刀翼连同切削齿固定在钻头体上，喷嘴设在固定刀翼的外端部，并与钻头体内的圆柱腔贯通。本发明是在现有固定刀翼的钻头的基础上，在钻头体上的固定刀翼之间活动连接有伸缩刀翼。

围绕上述总体设计方案给出的具体实施例如下。

实施例1，一种带有伸缩刀翼的PDC钻头，包含钻头体、喷嘴9、伸缩刀翼1、锁定块4、球座套7、封堵球8、压缩弹簧3、剪切螺钉6、联动螺栓5、切削齿10。

伸缩刀翼1与钻头体的连接结构为：首先重新设计了钻头体内部结构。在固定刀翼2之间的钻头体上轴向开设3个扇形槽，扇形槽的横截面呈“T”形结构，每个扇形槽的槽底中部开设锁定块凹槽，锁定块凹槽内设置锁定块4。锁定块4与锁定块凹槽底部之间设有压缩弹簧或者压缩弹簧片3。在靠近锁定块凹槽的扇形槽底下方（说明：本发明中所涉及的上下方位是为了便于理解而针对现有图示结构所定义的，本非实际限定），开设联动螺栓通孔和剪切螺钉通孔（图中未标出，其对应于图3和4中7-4和7-5所示位置）。在钻头体的圆柱腔内靠近喷嘴端开设环形槽。

其次，在钻头体的圆柱腔内设有与圆柱腔滑动密封配合的球座套7。球座套7的内端（即上端）设有与封堵球8坐封配合的锥面，球座套7的内端周边设有6个槽口，在靠近封堵球8坐封位置的球座套7上周向开设6个旁通孔，在球座套7上设有联动螺栓孔7-4和剪切螺钉孔7-5。

其三，伸缩刀翼1为与钻头体的扇形槽滑动配合的扇形体，扇形体两侧设有“L”形外凸沿，伸缩刀翼两侧外凸沿与“T”形扇形槽形成限位配合，保证伸缩刀翼只能轴向沿钻头体的扇形槽上下滑动。伸缩刀翼1径向设有螺栓通孔1-2和剪切螺钉通孔1-3，在伸缩刀翼1与扇形槽槽底的对合部设有与锁定块4径向锁定配合的锁定槽；联动螺栓5贯穿伸缩刀翼1、钻头体的联动螺栓通孔和球座套7的联动螺栓孔7-4连接，构成伸缩刀翼1与球座套7的联动。剪切螺钉6穿过伸缩刀翼1的剪切螺钉通孔1-3后贯穿钻头体的剪切螺钉通孔与球座套的剪切螺钉孔连接，构成钻头体和球座套7的固定连接。钻头体上的联动螺栓通孔为长方形的孔，在联动螺栓5贯穿后，联动螺栓5在孔内的有效行程不小于伸缩刀翼1在缩进至极点时（图3所示位置）伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的高度差，同时球座套7上的旁通孔7-2在伸缩刀翼在缩进至极点时不与钻头体内圆柱腔的环形槽连通。

基于实施例1的基础上，派生出更多的实施例如下：

实施例2，在锁定块4相对应的伸缩刀翼1上还开设与径向通孔，便于在伸缩刀翼安装过程中，通过工具穿过径向通孔挤压锁定块4。还包括在球座套7与钻头体内圆柱腔的结合部设有密封圈7-3，以增加其密封性。

实施例3，所述锁定块4为单向滑动楔形槽，与之配合的伸缩刀翼1上的凹槽为单向滑动楔形槽。当然二者的配合也可以采用凸块与凹槽的插接锁定配合形式。

实施例4，伸缩刀翼1在缩进至极点时（即图3所示），伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的差距与固定刀翼的高度差为5-20mm，优选8-12mm。这要根据钻头体的外形和实际需要来做出选择。

此外特别说明的是，本发明的技术方案中对钻头体上的联动螺栓5在孔内的有效行程不小于伸缩刀翼1在缩进至极点时（图3所示位置）伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的高度差，即大于或等于高度差。在大于情形下，伸缩刀翼伸出后会高出原有固定刀翼的工作端面，意味着由伸缩刀翼替代固定刀翼的切削模式；在等于情形下，二者共同进行切削模式。

参照图2，本发明的带有伸缩刀翼的钻头装配过程如下：将压缩弹簧放入钻头体锁定块凹槽的弹簧孔内，然后将伸缩刀翼锁定块4放在钻头体的锁定块槽内，将伸缩刀翼从上至下逐个装入钻头体的“T”形扇形槽内，并沿“T”形槽下滑到伸缩刀翼锁定块4的上部，使用螺丝刀穿过径向通孔将伸缩刀翼锁定块压入锁定块槽内，然后推动伸缩刀翼下行，然后再用螺丝刀通过伸缩刀翼上的径向通孔继续按压伸缩刀翼锁定块，继续推动伸缩刀翼下行到行程终点，按照该方法依次安装其他伸缩刀翼。将密封圈装入球座套上的密封槽内，涂抹密封脂，然后把球座套从钻头体接头处装入钻头体内腔中，并调整球座套的位置使其螺纹孔与伸缩刀翼上的螺纹孔对齐，然后分别将联动螺栓与剪切螺钉将球座套、钻头体以及伸缩刀翼联为一体，钻头组装完毕，剪切螺钉将球座套与钻头体联为一体，保证球座套相对钻头体位置固定，同时联动螺栓将伸缩刀翼与球座套联为一体，如果球座套在钻头体内腔中上下滑动时，会带动伸缩刀翼同样上下滑动，同样伸缩刀翼也会带动球座套滑动。组装后的钻头内部结构如图3所示。

本发明的工作原理及应用方法：当钻头组装完毕入井工作时，伸缩刀翼处于紧缩状态，此时伸缩刀翼与固定刀翼的高度差为10mm，因此伸缩刀翼不参与切削岩石，只有固定刀翼参与切削岩石。由于相对于常规PDC钻头，该钻头有较少的切削齿，在同样的钻压下，较少的切削齿更容易吃入地层岩石，因此会获得比常规PDC钻头更高的机械钻速。待工作一定时限后，随着切削齿的磨损，钻头的机械钻速逐渐降低，待降低到一定程度后，将钻头稍提离井底1m，循环泥浆2周，泥浆泵调整到单缸，小排量工作状态，为投球做好准备。将封堵球从井口投入钻杆中，最后落入钻头内腔中的球座套中，低速开泵，如果泵压明显上升，出现憋压现象，说明封堵球进入球座套中，如果泵压没有上升，说明封堵球没有进入球座套中，轻轻转动钻具，直到泵压开始上升，停止转动钻具。待泵压上升到一定程度后，泵压会突然下降，说明封堵球在泥浆压力的作用下，带动球座套向钻头前端移动，并将剪切螺钉剪断，球座套通过联动螺栓带动伸缩刀翼伸出到达设置位置，此时伸缩刀翼支撑块在弹簧的压力下，从伸缩刀翼支撑块槽内弹出，伸缩刀翼支撑块上的单向滑动楔形槽与伸缩刀翼的单向滑动楔形槽贴合在一起，当伸缩刀翼安装到位后形成自动锁止结构，保证伸缩刀翼在受到压力的时候，不会往后回缩。同时泥浆通过球座套上的旁通孔流入钻头体内腔中建立新的循环，伸缩刀翼伸出工作完成。恢复正常排量泥浆循环，小钻压，低转速完成钻头井底造型后，此后就可以正常钻压、转速进行钻进。

Claims (7)

1.一种带有伸缩刀翼的钻头，包括钻头体、固定刀翼、切削齿、喷嘴，其中,固定刀翼连同切削齿固定在钻头体上，喷嘴设在固定刀翼的外端部，并与钻头体内的圆柱腔贯通，在钻头体上的固定刀翼之间活动连接有伸缩刀翼；其特征在于：伸缩刀翼与钻头体的连接结构为：在固定刀翼之间的钻头体上轴向开设扇形槽，扇形槽的横截面呈“T”形结构，槽底中部开设锁定块凹槽，锁定块凹槽内设置锁定块，锁定块与锁定块凹槽底部之间设有径向弹性部件，在靠近锁定块凹槽的扇形槽槽底上开设联动螺栓通孔和剪切螺钉通孔；在钻头体的圆柱腔内靠近喷嘴端开设环形槽，在钻头体的圆柱腔内设有与圆柱腔滑动密封配合的球座套；球座套的内端设有与封堵球坐封配合的锥面，球座套的内端周边设有数个槽口，在靠近封堵球坐封位置的球座套上周向开设数个旁通孔，在球座套上设有联动螺栓孔和剪切螺钉孔；伸缩刀翼为与扇形槽滑动配合的扇形体，扇形体两侧设有“L”形外凸沿，伸缩刀翼两侧外凸沿与“T”形扇形槽形成限位配合，伸缩刀翼径向设有联动螺栓通孔和剪切螺钉通孔，在伸缩刀翼与扇形槽槽底的对合部设有与锁定块径向锁定配合的锁定槽；联动螺栓贯穿伸缩刀翼、钻头体的联动螺栓通孔和球座套的联动螺栓孔连接，构成伸缩刀翼与球座套的联动；剪切螺钉穿过伸缩刀翼的剪切螺钉通孔后贯穿钻头体的剪切螺钉通孔与球座套的剪切螺钉孔连接，构成钻头体和球座套的固定连接；前述钻头体上的联动螺栓通孔在联动螺栓贯穿后，其有效行程不小于伸缩刀翼在缩进至极点时伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的高度差，同时球座套上的旁通孔在伸缩刀翼在缩进至极点时不与钻头体内圆柱腔的环形槽连通。

2.根据权利要求1所述的带有伸缩刀翼的钻头，其特征在于：在锁定块相对应的伸缩刀翼上还开设有径向通孔；在球座套与钻头体内圆柱腔的结合部设有密封圈。

3.根据权利要求1或2所述的带有伸缩刀翼的钻头，其特征在于：所述锁定块为单向滑动楔形槽，与之配合的伸缩刀翼上的凹槽为单向滑动楔形槽，固定刀翼和伸缩刀翼的数量分别为2-5个。

4.根据权利要求3所述的带有伸缩刀翼的钻头，其特征在于：所述的弹性部件为压缩弹簧或者是压缩弹簧片，伸缩刀翼在缩进至极点时，伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的高度差为5-20mm。

5.根据权利要求4所述的带有伸缩刀翼的钻头，其特征在于：伸缩刀翼在缩进至极点时，伸缩刀翼工作端面至固定刀翼工作端面的高度差为8-12mm。

6.根据权利要求5所述的带有伸缩刀翼的钻头，其特征在于：球座套上设计有密封槽和密封圈。

7.根据权利要求1或2所述的带有伸缩刀翼的钻头，其特征在于：球座套上的槽口和旁通孔数量为2-20个。