CN105156039A - 一种主动伸缩式复合钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动伸缩式复合钻头，它主要由钻头本体、钻井液容置空间、钻井液通道、钻头筒体、受压块、限位块、壁内突出筋板、旋转伸缩块、伸缩柱、PDC刀翼、牙轮组成，所述PDC刀翼沿钻头本体外壁周向布置，构成中心空槽；位于钻头筒体内部的伸缩柱轴向穿过所述中心空槽，伸缩柱末端固定设有牙轮；伸缩柱由一套伸缩装置控制其上下轴向运动；PDC刀翼上轴向固定连接中空流道；受压块上端面与钻头本体侧壁共同组成一个供钻井液容置的空间；壁内突出筋板沿钻头筒体内侧周向间隔布置，限位块在滑槽内轴向运动。本发明更加充分的利用PDC钻头和牙轮钻头的优点，在软硬交错地层条件下，破岩速度更快、效率更高、寿命更长。

Description

一种主动伸缩式复合钻头

技术领域

本发明涉及一种主动伸缩式复合钻头，用于油气开采及钻探开发，尤其适用于软硬交错等非均质复杂地层进行破岩。

背景技术

随着油气钻探向深井和复杂油气藏的发展，现今油气资源勘探开发的主战场为深硬地层、软硬交错地层等复杂难钻地层。针对辽河油区沙河街等砂泥交错地层，现有钻头钻井速度慢、钻头寿命短、起下钻频繁、钻井周期长、钻井成本高等问题已成为制约软硬交错地层条件下油气资源勘探开发速度和效益的重要技术瓶颈。因此，如何在不频繁起下钻的前提下，增强钻头对不同地层的适应性，提高钻井破岩效率，已成为目前迫切需要解决的关键性问题。

目前石油天然气开采中使用最多的是牙轮钻头和PDC钻头。牙轮钻头的破岩原理是利用牙轮自转挤压和钻头的纵向运动的冲击作用进行破岩，其适用性较宽，但在软地层钻进时表现出齿间岩屑存积、效率低、钻进速度慢等缺点。PDC钻头的破岩原理是以刮削为主，在均质松软的地层中具有较快的机械转速。但当其在硬地层或有硬夹层的非均质地层中钻进时，易造成钻头震动扭转或崩齿，使PDC钻头的使用寿命降低。因此，常规钻头(牙轮、PDC)在岩石疏松、结构松散、无规律含砾、软硬交错等复杂地层中钻进时钻头平均机械钻速低,钻进困难,难以满足高效钻井要求。

复合式钻头是将牙轮钻头和PDC钻头融为一体的新生代钻头。其破岩机理是将牙轮对岩石的间歇性破碎与固定切削刃对岩石持续性剪切、刮磨相结合。相比于牙轮钻头，复合钻头增加了潜在的机械转速，减少了轴向振动，避免底部泥包的同时也降低了钻压的需要。相比于PDC钻头，复合钻头在交错地层中耐用性更强，钻进时扭矩波动更小并且具有更好的动力和导向控制。但在实际钻井中，由于组成复合钻头的各个部分在钻井过程中都承担着钻压工作，且在混合地层的工况下各自的任务分配和工作效率尚不明确，不具有主动调节能力，因此钻井效率的提高及钻头寿命的延长仅仅是理论上的预期效果。

当面临深、硬，软硬交错等复杂的地质条件时，现有的井下钻具不论是常规PDC钻头、牙轮钻头还是复合钻头，在实际解决如上问题时的能力是有限的，因此，开展高效破岩工具研究势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种主动伸缩式复合钻头，通过主动伸缩位于复合钻头中心的牙轮钻头，使PDC和牙轮在井下实现单独或混合钻岩，以此来主动调节PDC和牙轮钻头的破岩量分配，保证压碎作用与刮削作用更好的配合，满足复杂交错地层的钻进要求。在不频繁钻的前提下，针对不同地层使用不同类型钻头，充分利用各自优点，避免切削元件受到较大的冲击而破裂，钻遇软硬交错地层时，有望真正达到钻进速率的提高及钻头寿命的延长，使钻头设计更趋于合理高效化。

本发明采用的技术方案是：

本发明一种主动伸缩式复合钻头，主要由钻头本体、钻井液容置空间、第一流道、第二流道、中空流道、钻井液通道、第一喷嘴、第二喷嘴、钻头筒体、受压块、限位块、壁内突出筋板、旋转伸缩块、筋条、伸缩柱、弹簧、PDC刀翼、牙轮组成，所述钻头本体上同时设有PDC刀翼和牙轮，在钻头本体内轴向设有贯通的钻井液通道；所述PDC刀翼沿钻头本体外壁周向布置，构成中心空槽；位于钻头筒体内部的伸缩柱轴向穿过所述中心空槽，所述伸缩柱末端固定设有牙轮；伸缩柱由一套伸缩装置控制其上下轴向运动；伸缩装置由受压块、壁内突出筋板、旋转伸缩块及位于钻头筒体下部弹簧组成，并位于钻头本体内；PDC刀翼上轴向固定连接中空流道，该中空流道沿钻头本体轴向设置于钻头本体内，并与钻井液通道导通；PDC刀翼设有与中空流道相连的第一喷嘴；在牙轮上设有与钻井液通道相连的第二喷嘴；所述受压块上端面与钻头本体侧壁共同组成一个供钻井液容置的空间；所述钻头本体侧壁上分别开有第一缺口、第二缺口；第一缺口、第二缺口分别与第一流道、第二流道相连并汇于所述中空流道；受压块外侧沿其周向设有四个限位块，其底部由八个具有一定角度的斜齿围成；受压块上端面为承受钻井液压力的受压面；所述壁内突出筋板沿钻头筒体内侧周向间隔布置，构成四个轴向具有一定长度的滑槽；所述限位块在滑槽内轴向运动；壁内突出筋板末端呈一定角度，构成具有一定斜度的2个斜面；所述旋转伸缩块周向设有固定的筋条，筋条上端部也呈一定角度斜齿状构成斜面，且与受压块的斜齿相契合；筋条在伸缩过程中位于壁内突出筋板的2个斜面上及突出筋板形成的滑槽内做周向及轴向运动。

所述筋条的宽度与受压块上限位块的宽度及钻头筒体内侧突出筋板形成滑槽的宽度均相等。所述钻头筒体下部内侧设有轴肩；伸缩柱成台阶状；弹簧下端位于轴肩端面，上端位于台阶状伸缩柱的台阶面。

所述钻井液容置空间的钻井液在一定钻井液压力条件下可从第一缺口、第二缺口泄出，实现受压面上钻井液压力的改变；弹簧被压缩时的弹力及受压面受到的钻井液压力为伸缩柱的伸缩提供轴向力，实现伸缩柱的轴向运动。

本发明具有以下优点：1、在不频繁起钻的前提下，通过主动控制钻井液供给压力从而控制伸缩机构的主动伸缩，实现牙轮与PDC刀翼相对位置的改变；2、将不同岩层状态下牙轮钻头与PDC钻头破岩量的分配进行合理优化，满足不同地层条件下的钻进要求；3、实现PDC钻头、牙轮钻头单独钻岩及混合破岩；4、更加充分的利用PDC钻头和牙轮钻头的优点，在软硬交错地层条件下，破岩速度更快、效率更高、寿命更长。

附图说明

图1为本发明一种主动伸缩式复合钻头的结构示意图；

图2为本发明的伸缩机构整体沿一母线展开后结构示意图；

图3为本发明的伸缩机构整体沿另一母线展开后结构示意图；

图4为本发明一种主动伸缩式复合钻头的仰视图；

图5为本发明的伸缩机构中旋转伸缩块三维图形；

图6为本发明的伸缩机构中壁内突出筋板三维图形；

图7为本发明的伸缩机构中受压块三维图形。

图中：1.第一缺口，2.第一流道，3.第二缺口，4.第二流道5.中空流道，6.第一喷嘴，7.受压块，8.限位块9.钻头筒体，10.旋转伸缩块，11.伸缩柱，12.钻头本体13.弹簧，14.PDC刀翼，15.牙轮，16.第二喷嘴,17.壁内突出筋板，18.筋条，19.钻井液通道，20.钻井液容置空间，21.斜齿，22.卡槽，23.斜面3,24.斜面1,25.斜面2。

具体实施方式

结合附图及实施例对发明进一步说明：

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明一种主动伸缩式复合钻头，主要由钻头本体12、钻井液容置空间20、第一流道2、第二流道4、中空流道5、钻井液通道19、第一喷嘴6、第二喷嘴16、钻头筒体9、受压块7、限位块8、壁内突出筋板17、旋转伸缩块10、筋条18、伸缩柱11、弹簧13、PDC刀翼14、牙轮15组成，所述钻头本体12上同时设有PDC刀翼14和牙轮15，在钻头本体12内轴向设有贯通的钻井液通道19；所述PDC刀翼14沿钻头本体12外壁周向布置，构成中心空槽；位于钻头筒体9内部的伸缩柱11轴向穿过所述中心空槽，所述伸缩柱11末端固定设有牙轮15；伸缩柱11由一套伸缩装置控制其上下轴向运动；伸缩装置由受压块7、壁内突出筋板17、旋转伸缩块10及位于钻头筒体下部弹簧13组成，并位于钻头本体12内；所述PDC刀翼14上轴向固定连接中空流道5，该中空流道5沿钻头本体12轴向设置于钻头本体12内，并与钻井液通道19导通；所述PDC刀翼14设有与中空流道5相连的第一喷嘴6，所述牙轮15上设有与钻井液通道19相连的第二喷嘴16；所述受压块7上端面与钻头本体12侧壁共同组成一个钻井液容置空间20；所述钻头本体12侧壁上分别开有第一缺口1、第二缺口3；第一缺口1、第二缺口3分别与第一流道2、第二流道4相连并汇于所述中空流道5；受压块7外侧沿其周向设有四个限位块8，其底部由八个具有一定角度的斜齿21围成；受压块7上端面为承受钻井液压力的受压面；所述壁内突出筋板17沿钻头筒体9内侧周向间隔布置，构成四个轴向具有一定长度的滑槽；所述限位块8在滑槽内轴向运动；壁内突出筋板17末端呈一定角度，构成具有一定斜度的斜面1和斜面2；所述旋转伸缩块10周向设有固定的筋条18，筋条18上端部也呈一定角度斜齿状构成斜面3，且与受压块7的斜齿21相契合；筋条18在伸缩过程中位于壁内突出筋板17的斜面1、斜面2上及突出筋板17形成的滑槽内做周向及轴向运动。

所述筋条18的宽度与受压块7上限位块8的宽度及钻头筒体9内侧突出筋板17形成滑槽的宽度均相等。所述钻头筒体9下部内侧设有轴肩；伸缩柱11成台阶状；弹簧13下端位于轴肩端面，上端位于台阶状伸缩柱11的台阶面。

所述刀翼14与牙轮15可通过一定范围的相对轴向移动，实现牙轮钻头与PDC钻头的单独或混合钻岩。如图2所示：所述主动伸缩式复合钻头的伸缩机构整体处于未伸出状态，当容置空间中的钻井液压力大于向上的弹簧弹力与壁间摩擦力的合力时，受压块7向下移动。由于受压块上的限位块8受到壁内突出筋板17的限制作用，受压块7受力后只能在突出筋板17形成的滑槽内作轴向运动。此时受压块7末端的斜齿21通过斜面3将力传给旋转伸缩块10，旋转伸缩块10上的筋条18此时也位于滑槽中，因此受力后也只能竖直下移；当旋转伸缩块10竖直下移a段位移后，刚好脱离壁内突出筋板17的约束，因此沿斜面1滑至卡槽22内。如图3所示，钻井液压力克服弹簧弹力与壁内摩擦力的合力，实现了伸缩柱11及其端部牙轮15的伸出。此时由牙轮钻头承担主要破岩任务。通过主动调节钻井液压强大小，使钻井液压力和弹簧弹力与壁内摩擦力的合力相平衡，即可将伸缩系统处于动态平衡。

欲改变伸缩装置状态，使伸缩柱端部牙轮15缩回，主动调节钻井液压强，再一次使钻井液压力大于向上的弹簧弹力与壁间摩擦力的合力。受压面受到的钻井液压力再一次克服弹簧弹力及壁内摩擦力欲轴向向下运动，受压块7上的限位块8由于继续受到壁内突出筋板17的约束只能轴向竖直向下移动，受压块7末端的斜齿通过斜面3将力传给旋转伸缩块10。当旋转伸缩块10下移b段位移后，欲脱离壁内突出筋板17的约束，沿斜面2滑动。此时由于旋转伸缩块10上的筋条18右侧不再有约束，因此将滑回壁内突出筋板17形成的滑槽内。通过主动调节钻井液压力，使钻井液压力小于向上的弹簧弹力与壁间摩擦力的合力，此时伸缩柱11将带动其端部牙轮15缩回中心空槽内，由PDC钻头与牙轮钻头共同承担破岩任务。

进一步，在本实施方式中，如图1所示，钻井液容置空间20中的钻井液始终可以通过第一缺口1经第一流道2进入中空流道5后从位于PDC刀翼14上的第一喷嘴6喷出进行井底的岩屑清洗，流经钻井液通道19的钻井液通过位于牙轮15上的第二喷嘴16喷出。欲实现伸缩时，主动调节钻井液的供给压力，当钻井液容置空间20中的液压力达到一定值时，即钻井液压力大于向上的弹簧弹力与壁间摩擦力的合力时，受压块轴向向下移动，移动位移大于a段位移时，旋转伸缩块10上的筋条18脱离筋板17的约束即将实现旋转。但此时受压块7未移动至第二缺口处，钻井液容置空间20的液压力将继续增大，受压块7继续轴向向下移动，此时旋转伸缩块10虽已脱离约束，但由于位于筋条17端部的斜面3始终与受压块7末端的斜齿面21相互接触作用，因此将继续轴向向下运动。当受压块7的受压面到达第二缺口3时，钻井液容置空间20中的钻井液通过第二流道4迅速释放，此时容置空间20的液压力降低，当其小于弹簧弹力与壁间摩擦力的合力时，旋转伸缩块10被固定在突出筋板17中的卡槽22中，实现牙轮钻头15的伸出。此时可主动改变钻井液的供给压力，使钻井液压力和弹簧弹力与壁间摩擦力的合力平衡，整体保持牙轮15伸出的状态。若欲改变该种状态，使伸出的牙轮15缩回，即可再次主动调节钻井液的供给压力，使容置空间20中的液压力再次增大，即大于弹簧弹力与壁间摩擦力的合力，此时液压力推动受压块7轴向向下，向下位移超过b段位移时，旋转伸缩块10上的筋条18脱离突出筋板17的约束即将实现旋转。直至受压块7的受压面到达第二缺口3时，容置空间20中的钻井液迅速释放，当钻井液压力小于弹簧弹力与壁间摩擦力的合力时，旋转伸缩块10通过突出筋板17末端的斜面2滑回突出筋板17形成的滑槽内，整体回到图2状态，伸缩柱11带动端部牙轮15缩回。

本发明主动伸缩式复合钻头本发明是关于一种用于油气开采及钻探开发的钻头，尤其涉及一种适用于非均质复杂交错地层进行钻采的主动伸缩式复合钻头。该发明将常规牙轮钻头与PDC钻头相结合，在应对软硬交错等复杂地层时，通过主动控制钻井液供给压力来控制伸缩机构，进而控制中央牙轮钻头的伸缩，实现牙轮与PDC刀翼相对位置的变化。实现了两种两种不同类型钻头的单独及混合钻岩，很大程度上优化了了牙轮钻头与PDC钻头的破岩量分配；在软硬交错地层条件下，加快了钻进速度，延长了钻头寿命，提升了钻井的经济效益。具有适应性强，适用范围广，钻井效率高，钻头寿命长的特点。

Claims (3)

1.一种主动伸缩式复合钻头，主要由钻头本体(12)、钻井液容置空间(20)、第一流道(2)、第二流道(4)、中空流道(5)、钻井液通道(19)、第一喷嘴(6)、第二喷嘴(16)、钻头筒体(9)、受压块(7)、限位块(8)、壁内突出筋板(17)、旋转伸缩块(10)、筋条(18)、伸缩柱(11)、弹簧(13)、PDC刀翼(14)、牙轮(15)组成，其特征在于，所述钻头本体(12)上同时设有PDC刀翼(14)和牙轮(15)，在钻头本体(12)内轴向设有贯通的钻井液通道(19)；所述PDC刀翼(14)沿钻头本体(12)外壁周向布置，构成中心空槽；位于钻头筒体(9)内部的伸缩柱(11)轴向穿过所述中心空槽，所述伸缩柱(11)末端固定设有牙轮(15)；伸缩柱(11)由一套伸缩装置控制其上下轴向运动；伸缩装置由受压块(7)、壁内突出筋板(17)、旋转伸缩块(10)及位于钻头筒体下部弹簧(13)组成，并位于钻头本体(12)内；所述PDC刀翼(14)上轴向固定连接中空流道(5)，该中空流道(5)沿钻头本体(12)轴向设置于钻头本体(12)内，并与钻井液通道(19)导通；所述PDC刀翼(14)设有与中空流道(5)相连的第一喷嘴(6)，所述牙轮(15)上设有与钻井液通道(19)相连的第二喷嘴(16)；所述受压块(7)上端面与钻头本体(12)侧壁共同组成一个钻井液容置空间(20)；所述钻头本体(12)侧壁上分别开有第一缺口(1)、第二缺口(3)；第一缺口(1)、第二缺口(3)分别与第一流道(2)、第二流道(4)相连并汇于所述中空流道(5)；受压块(7)外侧沿其周向设有四个限位块(8)，其底部由八个具有一定角度的斜齿(21)围成；受压块(7)上端面为承受钻井液压力的受压面；所述壁内突出筋板(17)沿钻头筒体(9)内侧周向间隔布置，构成四个轴向具有一定长度的滑槽；所述限位块(8)在滑槽内轴向运动；壁内突出筋板(17)末端呈一定角度，构成具有一定斜度的斜面1和斜面2；所述旋转伸缩块(10)周向设有固定的筋条(18)，筋条(18)上端部也呈一定角度斜齿状构成斜面3，且与受压块(7)的斜齿(21)相契合；筋条(18)在伸缩过程中位于壁内突出筋板(17)的斜面1、斜面2上及突出筋板(17)形成的滑槽内做周向及轴向运动。

2.根据权利要求1所述的一种主动伸缩式复合钻头，其特征在于，所述筋条(18)的宽度与受压块(7)上限位块(8)的宽度及钻头筒体(9)内侧突出筋板(17)形成滑槽的宽度均相等。

3.根据权利要求1所述的一种主动伸缩式复合钻头，其特征在于，所述钻头筒体(9)下部内侧设有轴肩；伸缩柱(11)成台阶状；弹簧(13)下端位于轴肩端面，上端位于台阶状伸缩柱(11)的台阶面。