CN104695866A - 一种多射流有体式三牙轮钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种多射流有体式三牙轮钻头，包括一个钻头体、三个牙掌和牙轮，钻头体的顶部设置有钻头柄部，在钻头体中间设有的内流道，钻头体的下部周向设置有三个边喷嘴，边喷嘴与内流道相连通，牙掌的下部设置轴颈与牙轮相连，其特征在于在钻头体的中部下端设置中心喷嘴座，中心喷嘴座的下端中部安设有中心喷嘴，在围绕中心喷嘴外周的中心喷嘴座下端设置三个中间喷嘴，中心喷嘴和中间喷嘴通过空腔与内流道相连通。本发明能将钻井液喷向相邻两个牙轮的啮合间隙，能够提高井底钻井液的湍流速度和漫流速度，快速把岩屑带离井底；能够更加均匀地清洗牙轮，有效避免牙轮钻头泥包现象。从而达到提高钻头机械钻速、降低钻井成本的目的。

Description

一种多射流有体式三牙轮钻头

技术领域

本发明涉及到一种用于石油、天然气、地质、矿山、水文以及地热资源钻井用的有体式三牙轮钻头，具体的涉及采用钻进液作为循环介质的多射流有体式三牙轮钻头。

技术背景

根据钻井工程的实际需要，钻地三牙轮钻头的直径一般为98.425mm(37/8")～914.4mm(36")。每一种直径的三牙轮钻头又分为几十种不同的型号，以适应不同地层及不同钻井工艺的需要。

现有的钻地牙轮钻头通常包括三个牙掌2和三个牙轮4，也称为三牙轮钻头。钻头上加工了三个孔，用来安装边喷嘴9。牙掌2上设有一个支撑轴颈7，牙轮上设有其中心线与锥形回转体同轴的一个内孔，每个牙掌2的轴颈7上安装一个牙轮4，牙轮4是一种锥形回转体，牙轮4中心设置一个孔，该孔与牙掌2上的轴径7形成一个轴承副，牙轮可以围绕牙掌2的轴颈中心线8旋转。

轴承副设置密封圈元件27，以防止外部杂质进入轴承副内部。轴承副通常有滑动轴承与滚动轴承两种。在牙掌轴颈7与牙轮内孔之间设置滚柱体26形成滚动轴承副。轴承副内部设置有钢球28，防止牙轮4从牙掌轴颈7上脱落。每个牙轮4上有几个齿圈，每个齿圈上布置很多切削齿5。钻井过程中，通过电机驱动转盘，转盘驱动空心管状钻杆，钻头安装在钻杆的底部，通过钻头柄部1上的螺纹与钻杆上的螺纹相连接。当启动电机后，电机带动钻杆和钻头转动。钻头转动时，带动牙轮转动，旋转的钻头沿预定的路线钻进，牙轮上的切削齿不断循环冲击破碎地下岩石形成一个直径与钻头直径相当的洞，也称为“井眼”，在井眼的底部形成一个“井底”。

按照三牙轮钻头的结构，三牙轮钻头分为无体式三牙轮钻头和有体式三牙轮钻头。

钻头直径不超过444.5mm(171/2")的三牙轮钻头(以下简称钻头)由三个牙掌和三个牙轮组成，每个牙掌有两个装配平面，两个安装平面之间的夹角为120°。牙掌上安装一个牙轮4后，形成一个分装件，把三个分装件装配在一起形成一个钻头。这种结构的钻头也称为无体式钻头。为了提高钻井速度以及避免钻头泥包，有的无体式钻头在中心部位加工一个孔，用于安装中心喷嘴11。

为了降低钻头加工成本，直径超过444.5mm(171/2")的钻头通常采取增加零部件数量、减小零件尺寸的方法。即钻头由一个钻头体3、三个牙掌2和三个牙轮4组成，钻头体3设有允许钻井液通过的内流道32，钻头体3上设有三个孔用于安装边喷嘴9，每个牙掌轴颈7上安装一个牙轮，再将牙掌焊接在钻头体3上。这种结构也称为有体式钻头。

按照牙轮切削齿结构不同，牙轮分为钢齿牙轮和镶齿牙轮，钢齿牙轮的特点是牙轮上的切削齿是在牙轮的齿圈上通过铣削加工形成的。为了提高切削齿的寿命，通常在切削齿的表面敷焊一层耐磨材料。镶齿牙轮的特点是在牙轮的齿圈上钻出一些孔，并在这些孔中镶入硬质合金齿作为切削齿。通常，钢齿牙轮钻头用于软地层钻井，镶齿牙轮钻头用于硬研磨性地层钻井。

为了把岩屑从井底排除掉，通常在钻井现场配备一套钻井液(也称为泥浆)供给设备，用泥浆泵把钻井液泵入空心管状钻杆，具有一定粘度的钻井液通过钻杆内部、钻头内流道、边喷嘴、中心喷嘴喷向井底，清洗牙轮、冷却钻头，并携带岩屑通过井眼壁与钻杆之间的环空返回到地面上。

普通的石油或天然气钻井井深为2000-4000米，超深井的井深可能达到6000-8000米，由于钻头寿命有限需要经常更换钻头，同时因为钻井工程的需要，通常钻一口井，需要起钻和下钻数十次。而起下钻需要大量的时间，精力和费用。钻头能钻得更快、寿命更长、适应更大变化范围的地层硬度，始终是钻井工程追求的目标。

钻头的钻进速度称为机械钻速。钻头水力结构的优劣是影响机械钻速和钻头寿命的重要因素。特别是当钻井液密度很高时(比如达到2.30g/cm3)且钻井深度很深时，液柱压力具有将被钻头切削齿破碎了的岩屑压实在井底的倾向，导致岩屑不能快速脱离井底而被重复破碎，既降低了破岩速度，又造成切削齿无效磨损。而当钻头钻遇粘性地层，会出现另一种强烈的倾向：岩屑不断附着在钻头的牙轮4上，最终将牙轮4包裹住，该现象称为钻头泥包。此外，由于钻井液含有大量的离子，钻头在工作过程中因摩擦生电，当钻头表面的电荷与钻井液中的离子为异性电荷时，也容易将钻井液中的物质吸附在钻头上而形成钻头泥包。当出现钻头泥包时，牙轮4上的切削齿5就不能有效地切入地层，从而极其严重地影响到钻头的机械钻速。因此，高效的钻头水力结构必须实现这样的效果：避免钻头泥包以及快速将岩屑排离井底。

现有技术钻头水力结构通常是钻头的边缘、相邻两个牙轮之间布置一个边喷嘴9，共布置三个边喷嘴9。其中有些钻头还在其中心部位布置一个中心喷嘴11。由于每个喷嘴有效的喷射范围有限，对于直径小于311.15mm(12-1/4")的钻头，其中心射流14到边射流12的距离小于150mm，现有技术钻头水力结构设计能够达到预期的目的。对于直径大于444.5mm(17-1/2")的钻头而言，特别是对于直径大于或等于508mm(20")的钻头，其中心射流14到边射流12的距离大于240mm，现有技术钻头水力结构设计则存在机械钻速低和存在钻头泥包的问题。

美国专利号US7913778公开了一种在每一个牙掌上加工两个孔，分别用于安装一个边喷嘴9和一个中间喷嘴10。该发明存在的明显不足是：由于牙掌的空间限制，用于安装中间喷嘴10的孔只能位于轴颈的下方，即中间喷嘴10只能安装在牙轮的下方。当中间射流13从中间喷嘴10喷出后，直接喷射在牙轮4的表面上，容易造成牙轮壳体冲蚀，或者导致镶齿牙轮钻头的切屑齿从牙轮上脱落。

中国专利申请号91201791.0公开了一种加长边喷嘴9配合中心喷嘴11的水力结构，加长边喷嘴存在的风险是：当钻头钻遇砾石层或有较大体积的岩石从井壁上掉落时，砾石或掉落的岩石容易挤压加长边喷嘴。

中国专利申请号94229933.7公开了一种加长喷射管的中心喷嘴结构，其特点是在喷射管的出口处的内圆周上不对称设置数个沟槽，期望其达到与安装多个喷嘴等效的作用。

为了解决钻头泥包问题以及进一步提高牙轮钻头的机械钻速，本行业技术人员已经做了很多努力，但问题依然存在。因此，需要进一步改进牙轮钻头的中心喷射结构，以提高钻井效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种多射流有体式三牙轮钻头，它能使钻井液喷向相邻两个牙轮的啮合间隙，更加有效地清洗牙轮及切削齿表面以避免钻头泥包，减少牙轮切削齿对岩石的重复破碎、提高钻头切削效率和机械钻速。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

包括一个钻头体3、三个牙掌2和三个牙轮4，钻头体3的顶部设置有钻头柄部1，在钻头体中间设有的内流道32，钻头体的下部周向设置有三个边喷嘴9，边喷嘴与内流道相连通，牙掌的下部设置轴颈7与牙轮相连，其特征在于在钻头体的中部下端设置中心喷嘴座15，中心喷嘴座的下端中部安设有中心喷嘴11，在围绕中心喷嘴外周的中心喷嘴座下端设置三个中间喷嘴17、18、19，中心喷嘴和中间喷嘴通过空腔与内流道相连通。

按上述方案，所述的中心喷嘴的中心线与钻头体的中心线相重合或平行，所述的中间喷嘴的中心线向外倾斜，与钻头体中心线成一夹角α，所述的夹角α＝10°～35°。

按上述方案，所述的中间喷嘴对应于边喷嘴沿周向均布。

按上述方案，所述的中间喷嘴中心与边喷嘴中心在周向的方位相错的角度β＝-20°～20°，即中间喷嘴中心(与钻头体中心)的径向连线与边喷嘴中心(与钻头体中心)的径向连线之间的夹角β＝-20°～20°。

按上述方案，所述的中心喷嘴座为一碗型回转体，下端面设有向下突起的圆台，圆台中部设置中心喷嘴11，在圆台外的环形下端面上设置中间喷嘴，中心喷嘴座内设置与中心喷嘴和中间喷嘴连通的空腔。

按上述方案，所述的中心喷嘴和中间喷嘴的出口都是扩散式的。

按上述方案，所述的中心喷嘴座的外圆直径Φ＝150～300mm,中心喷嘴座高度为H＝70～350mm。

按上述方案，所述的中心喷嘴安设在圆台中部的喷嘴孔座中，外周与密封圈相配置，上端由锁紧环锁紧。

按上述方案，所述三牙轮钻头的钻头直径大于或等于508mm(20")。

按上述方案，所述的中间喷嘴在钻井液通过时形成中间射流清洗牙轮中间部位并通过牙轮啮合缝隙喷向井底。

本发明的有益效果在于：1、钻头工作过程中，一部分钻井液通过边喷嘴9、形成边射流12直接喷向井底，一部分钻井液通过中心喷嘴11形成中心射流14清洗牙轮锥顶部位并通过啮合缝隙喷向井底，其余钻井液通过中间喷嘴形成中间射流13清洗牙轮中间部位并通过啮合缝隙喷向井底；因此能够更加均匀地清洗牙轮及切削齿表面，避免出现钻头泥包现象，提高机械钻速，从而达到降低钻井成本的目的；2、能有效提高钻头在钻井过程中钻井液在井底的湍流速度，减少牙轮切削齿对岩石的重复破碎；能够提高钻井液在井底的漫流速度，快速把岩屑带离井底，提高钻头切削效率；3、中心喷射结构简单，加工方便，制造成本低。

附图说明

图1是现有镶齿三牙轮钻头结构示意图。

图2为三牙轮钻头牙轮啮合示意图。

图3是本发明的一个实施例的钻头剖视图。

图4是图3的仰视图。

图5是本发明的一个实施例的中心喷射座的立体结构图。

图6是图5的剖视图。

图7是图3的A-A剖视图。

图8是现有技术三牙轮钻头井底湍流强度云图。云图显示，井底最大湍流强度是7.2个单位。

图9是本发明三牙轮钻头井底湍流强度云图。云图显示，井底最大湍流强度是14.4个单位，比现有技术的最大湍流强度提高100％。

图10为现有技术三牙轮钻头井底漫流速度云图。云图显示，井底最大漫流速度是3.23个单位。

图11为本发明三牙轮钻头井底漫流速度云图。云图显示，井底最大漫流速度是6.43个单位，比现有技术的最大漫流速度提高99％。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的实施例。

本实施例为钻头直径508mm(20")的有体式钢齿牙轮钻头，包括一个钻头体3、牙掌2和牙轮4，钻头体3上设置有钻头柄部1、设有可以允许钻井液通过的内流道32，钻头体上设置有三个孔分别用于安装三个边喷嘴9。三个牙掌2焊接固定在钻头体3的三个槽上。每个牙掌2下端设置了一个轴颈7，轴颈上安装一个钢齿牙轮4。牙轮与牙掌2上的轴径7形成一个轴承副，轴承副设置密封圈元件27。在牙掌轴颈7与牙轮内孔之间设置滚柱体26形成滚动轴承副。轴承副内部设置有钢球28，防止牙轮4从牙掌轴颈7上脱落。牙轮4分别设有2-4个齿圈，每个齿圈上布置很多切削齿5。牙轮4可以围绕牙掌轴颈中心线8旋转。相邻两个牙轮的回转时所形成的外轮廓线相互啮合。在钻头的中部安设中心喷嘴座15。所述的中心喷嘴座为一碗型回转体，下端面设有向下突起的圆台，圆台中部设置中心喷嘴11，在圆台外的环形下端面上设置三个中间喷嘴17、18、19，中心喷嘴座内设置与中心喷嘴和中间喷嘴连通的空腔33，内流道32与空腔33相连通。所述的中心喷嘴座的外圆直径Φ＝150～300mm,中心喷嘴座高度为H＝70～350mm。所述的中心喷嘴安设在圆台中部的喷嘴孔座中，外周与密封圈11a相配置，上端由锁紧环11b锁紧。所述的三个中间喷嘴对应于边喷嘴9沿周向均布。所述的中间喷嘴安设在圆台外周的中间喷嘴孔座中，外周与密封圈17a相配置，下端由弹性卡环17b锁定。所述的中心喷嘴的中心线31与钻头体的中心线6相重合，所述的中间喷嘴的中心线16向外倾斜，与钻头体中心线6成一夹角α，所述的夹角α＝22°，所述的中间喷嘴中心与对应边喷嘴中心在周向的方位相错的角度β＝15°，即中间喷嘴中心(与钻头体中心)的径向连线17c与边喷嘴中心(与钻头体中心)的径向连线9a之间的夹角β＝15°。

钻头工作时，一部分钻井液通过边喷嘴9、形成边射流12直接喷向井底。一部分钻井液通过中心喷嘴11形成中心射流14清洗牙轮锥顶部位并通过啮合缝隙喷向井底。其余钻井液通过中间喷嘴17、18、19形成中间射流13清洗牙轮中间部位并通过啮合缝隙喷向井底。

Claims (10)

1.一种多射流有体式三牙轮钻头，包括一个钻头体、三个牙掌和三个牙轮，钻头体的顶部设置有钻头柄部，在钻头体的中间设有内流道，钻头体的下部周向设置有三个边喷嘴，边喷嘴与内流道相连通，牙掌的下部设置轴颈与牙轮相连，其特征在于在钻头体的中部下端设置中心喷嘴座，中心喷嘴座的下端中部安设有中心喷嘴，在围绕中心喷嘴外周的中心喷嘴座下端设置三个中间喷嘴，中心喷嘴和中间喷嘴通过空腔与内流道相连通。

2.根据权利要求1所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中心喷嘴的中心线与钻头体的中心线相重合或平行，所述的中间喷嘴的中心线向外倾斜，与钻头体中心线成一夹角α，所述的夹角α=10°～35°。

3.根据权利要求1或2所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中间喷嘴对应于边喷嘴沿周向均布。

4.根据权利要求1或2所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中间喷嘴中心与边喷嘴中心在周向的方位相错的角度β=-20°～20°。

5.根据权利要求1或2所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中心喷嘴座为一碗型回转体，下端面设有向下突起的圆台，圆台中部设置中心喷嘴，在圆台外的环形下端面上设置中间喷嘴，中心喷嘴座内设置与中心喷嘴和中间喷嘴连通的空腔。

6.根据权利要求5所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中心喷嘴和中间喷嘴的出口都是扩散式的。

7.根据权利要求5所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中心喷嘴座的外圆直径Φ=150～300mm, 中心喷嘴座高度为H=70～350mm。

8.根据权利要求6所述的的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中心喷嘴安设在圆台中部的喷嘴孔座中，外周与密封圈相配置，上端由锁紧环锁紧。

9.根据权利要求5所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述的中间喷嘴在钻井液通过时形成中间射流清洗牙轮中间部位并通过牙轮啮合缝隙喷向井底。

10.根据权利要求1或2所述的多射流有体式三牙轮钻头，其特征在于所述三牙轮钻头的钻头直径大于或等于508mm。