CN104131785A - 单牙轮pdc同心随钻扩眼钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于石油、天然气钻探的一种单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，包括PDC钻头和单牙轮钻头。所述单牙轮钻头为领眼钻头，PDC钻头为扩眼钻头；单牙轮钻头的回转轴线与PDC钻头的回转轴线重合。本发明由于利用单牙轮钻头在小井眼的机械钻速高于PDC钻头的优点，将同心随钻扩眼技术与单牙轮钻头的高效破岩结构相结合，形成单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，拓展单牙轮钻头在深部地层较大尺寸井眼的钻井的应用范围，并同时提高同心随钻扩眼钻头的机械钻速。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油、天然气钻探用随钻扩眼钻头，特别是一种单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头。
背景技术
钻头作为石油、天然气开采行业中一种常用的井下工具。随钻扩眼技术是近年来兴起的一项钻井新技术，其采用的是随钻扩眼工具边钻边扩原理，最终实现井眼尺寸比领眼钻头尺寸大，以达减小开眼尺寸，增大完井尺寸的目的。目前，为了配合膨胀管技术及非常规井深结构的应用，在国外同心随钻扩眼技术发展迅速。同心随钻扩眼能够提高钻速是由两个方面因素控制，一是扩眼台阶处岩石应力集中，容易破碎；二是领眼钻头较小，能获得足够的机械能量。因此在相同的井底面积下采用随钻扩眼技术比直接采用较大尺寸的钻头钻进效果好。
钻头是影响深部地层钻井机械钻速的主要因素，现在深部地层钻井常用的钻头有三牙轮钻头、PDC钻头和单牙轮钻头，其中三牙轮钻头的明显缺点是轴承寿命小，它主要靠冲击、压碎和小距离刮挤方式破岩，钻头接触井底的牙齿数变化大，牙齿受力不均匀，轴承寿命短；PDC钻头由于结构和工作原理的限制，不仅工作时候扭矩大，牙齿的冲洗和冷却困难，而且它对地层岩性的敏感性较强，不适合钻进砾石地层和软硬交错的地层；单牙轮比三牙轮钻头更适合塑性和强度同时都大的地层，同时又适合于PDC钻头难以对付的硬夹层和其它复杂地层，而且结构简单，轴承空间大，使用安全可靠。
现有技术中同心随钻扩眼钻头使用的领眼钻头（外径较小的钻头）均为PDC钻头，对深部的复杂地层的适应性较差，机械钻速较高但是不稳定，使用寿命较短。但是由于单牙轮钻头制造工艺水平的局限性和单牙轮钻头在小井眼钻进的优势，现在单牙轮钻头外径都较小，通常为4-1/8寸至7寸（104.8mm-177.8mm)。在深部地层大井眼,井眼尺寸为8-1/2寸至10寸（215.9mm-254mm），还不能直接使用单牙轮钻头，限制了单牙轮钻头在大井眼的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头,将同心随钻扩眼技术与单牙轮钻头的高效破岩结构相结合，拓展单牙轮钻头在深部地层较大尺寸井眼的钻井的应用范围，并同时提高同心随钻扩眼钻头的机械钻速。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，包括PDC钻头和单牙轮钻头，其特征在于：单牙轮钻头为领眼钻头，PDC钻头为扩眼钻头，其中所述的单牙轮钻头的回转轴线与PDC钻头的回转轴线重合。单牙轮钻头钻进破碎岩石获得内径较小的井眼，PDC钻头钻进将单牙轮钻头钻进的井眼扩大。
由于有单牙轮钻头作为领眼钻头的存在，用于喷射钻井液、冷却PDC钻头切屑齿和冲洗井底岩屑的PDC钻头的水力结构空间受到影响。故在PDC钻头相邻刀翼之间的排屑槽上都均匀设置有一个固定水眼。固定水眼与可调的活动水眼相比，固定水眼所占用的空间较小，对于同样内径的水眼，常规可调的活动水眼的外径为25—27mm，固定水眼的尺寸一般在15mm以下。作为优选，所述固定水眼的内径为8-15mm。
在上述技术方案中，可以将单牙轮钻头的钻头体通过螺纹连接固定在PDC钻头上；为了增加单牙轮钻头与PDC钻头的连接强度，同时使用气体保护焊焊接单牙轮钻头的钻头体与PDC钻头的排屑槽的相交形成的U型剖口。
作为本发明上述同心随钻扩眼钻头的更进一步改进，所述单牙轮钻头的钻头体与PDC钻头成为一体，为整体式结构，无需再用螺纹连接，减少因螺纹连接失效的井底事故风险。
通常单牙轮钻头在小井眼钻进中可以获得比三牙轮钻头和PDC钻头更高的机械钻速，且具有较高的地层适应能力。现有小井眼的常规尺寸为4-1/8寸、5-7/8寸、6寸、6-1/2寸或6-5/8寸。因此在本发明同心随钻扩眼钻头中作为领眼钻头的单牙轮钻头外径为4-1/8寸至7寸（104.8mm-177.8mm)。更进一步，作为优选，所述单牙轮钻头的外径为4-1/8寸、5-7/8寸、6寸、6-1/2寸或6-5/8寸。
PDC钻头将单牙轮钻头所钻的井眼扩大，通常深部地层的大井眼尺寸为8-1/2寸、8-3/4寸、9-1/2寸、9-7/8寸或10寸。因此在本发明同心随钻扩眼钻头中作为扩眼钻头的PDC钻头外径为8-1/2寸—10寸（215.9mm-254mm）。更进一步，作为优选，所述PDC钻头的外径为8-1/2寸、8-3/4寸、9-1/2寸、9-7/8寸或10寸。
因此， 在上述技术方案中，本发明的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头有益效果是：采用同心随钻扩眼技术，将小尺寸的单牙轮钻头应用到深部地层大尺寸井眼的钻井工程中，增加了钻头对地层的适应性，同时提高了机械钻速。
附图说明
图1是本发明第一种实施方式的结构示意图。
图2是本发明第一种实施方式的PDC钻头的结构示意图。
图3是本发明第一种实施方式未装配牙轮时的结构示意图。
图4是本发明第二种实施方式的剖视图。
图5是本发明的三维外观图。
图6是图5的俯视图。
图中标记：1-PDC钻头、2-单牙轮钻头、3-连接螺纹、4-U型剖口、11-刀翼、12-排屑槽、13-固定水眼、21-单牙轮钻头的钻头体、22-牙轮、31-PDC钻头的链接螺纹。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
本发明单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头的第一种实施方式的结构如图1所示，该同心随钻扩眼钻头包括PDC钻头1和单牙轮钻头2，所述单牙轮钻头2为领眼钻头，PDC钻头1为扩眼钻头，PDC钻头1的回转半径大于单牙轮钻头2的回转半径，且PDC钻头1的回转轴线与单牙轮钻头2的回转轴线重合。
为了连接固定PDC钻头1与单牙轮钻头2，如图2所示，在PDC钻头1上部设置有连接螺纹31，用于固定连接单牙轮钻头2。如图3所示，为了加强单牙轮钻头2与PDC钻头1之间的连接强度，使用气体保护焊焊接单牙轮钻头2的钻头体21与PDC钻头1的排屑槽12的相交形成的U型剖口4。对于本发明的同心随钻扩眼钻头采用第一种实施方式的结构，需要分别对PDC钻头1和单牙轮钻头2的钻头体21进行机械加工，然后组装在一起，组装后的结构如图3所示。
如图2所示，示意的表示出了本发明同心随钻扩眼钻头中PDC钻头的水力结构。在PDC钻头1相邻刀翼11之间的排屑槽12上都均匀设置有一个固定水眼13。固定水眼13与可调的活动水眼相比，固定水眼13所占用的空间较小，对于同样内径的水眼，常规可调的活动水眼的外径为25—27mm，固定水眼的尺寸一般在15mm以下。因此，作为优选，所述固定水眼13的内径为8-15mm。
如图4所示，是对本发明同心随钻扩眼钻头第一种实施方式更进一步的改进，降低PDC钻头1与单牙轮钻头2因为连接失效造成井底事故的风险。因此，作为本发明的第二种实施方式将PDC钻头1和单牙轮钻头2的钻头体21通过机械加工成为一个整体，无需再用螺纹连接，提高了钻头的整体强度，最后只需要将牙轮22装配到钻头体21上。
本发明单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头的整体结构如图5和图6所示，其中PDC钻头1的外径大于单牙轮钻头2的外径，所述PDC钻头1外径为8-1/2寸至10寸（215.9mm-254mm）。更进一步，作为优选，所述PDC钻头1的外径为8-1/2寸、8-3/4寸、9-1/2寸、9-7/8寸或10寸。所述单牙轮钻头2的外径为4-1/8寸至7寸（104.8mm-177.8mm)。更进一步，作为优选，所述单牙轮钻头2的外径为4-1/8寸、5-7/8寸、6寸、6-1/2寸或6-5/8寸。
采用本发明上述实施方式的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，拓展单牙轮钻头在深部地层较大尺寸井眼的钻井的应用范围，并同时提高同心随钻扩眼钻头的机械钻速。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (8)
1.单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，包括PDC钻头（1）和单牙轮钻头（2），其特征在于：单牙轮钻头（2）为领眼钻头，PDC钻头（1）为扩眼钻头；其中所述的单牙轮钻头（2）的回转轴线与PDC钻头（1)的回转轴线重合。
2.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述PDC钻头（1）上设有数个刀翼（11），所述刀翼（11）之间设有排屑槽（12），其中在每个排屑槽（12）上均设置有一个固定水眼（13）；其中所述固定水眼的内径为8-15mm。
3.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述单牙轮钻头（2）的钻头体(21)通过螺纹（3）固定连接在PDC钻头（1）上；并用气体保护焊焊接单牙轮钻头（2)的钻头体(21)与PDC钻头的排屑槽(12)的相交形成的U型剖口（4）。
4.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述单牙轮钻头（2）的钻头体(21)与PDC钻头成为一体，为整体式结构。
5.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述单牙轮钻头（2）的外径为4-1/8寸至7寸（104.8mm-177.8mm)。
6.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述单牙轮钻头（2）的外径为5-7/8寸、6寸、6-1/2寸或6-5/8寸。
7.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述PDC钻头（1）的外径为8-1/2寸—10寸（215.9mm-254mm）。
8.根据权利要求1所述的单牙轮PDC同心随钻扩眼钻头，其特征在于：所述PDC钻头（1）的外径为8-1/2寸、8-3/4寸、9-1/2寸、9-7/8寸或10寸。
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