CN105221077A

CN105221077A - 一种双级钻头

Info

Publication number: CN105221077A
Application number: CN201510655600.6A
Authority: CN
Inventors: 黄奎林; 艾志久; 杨迎新; 任海涛; 陈炼; 牛世伟; 张春亮; 严成森
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2016-01-06

Abstract

本发明公开了一种双级钻头，包括钻头体、固定刀翼、固定切削齿、排屑槽、喷嘴等，其特征在于:钻头心部向内凹陷形成心部切削结构,与外部切削结构构成阶梯状的双级钻头。该结构能够有效的解决钻头在深部地层的大井眼中钻头机械钻速低和稳定性差的问题，外部切削结构率先在井眼中刮切出环状破碎带，在井底岩石中形成环形应力释放面，有益于提高钻头的破岩效率；在钻头心部区域形成凸起的岩石，有利于提高钻头稳定性；并且能够改变大尺寸钻头在井底钻井参数情况，可以合理调节和分配双级切削结构钻压、扭矩的分配比例，提高钻井效率。

Description

一种双级钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体是涉及一种双级钻头。

背景技术

固定齿钻头是指将固定切削齿焊接或镶嵌于钻头本体而形成的钻头，由于在软到中硬地层中钻速快、寿命长、可靠性高，综合经济效益显著，因而在世界石油、天然气、地热开发等领域的钻井工程中得到越来越广泛的应用。

我国油气勘探方向逐渐转向深部地层，其中5000米以上的深井和8000米以上的超深井越来越多，但是深井钻速慢的问题日益突出。大井眼中钻头的机械钻速慢的主要原因是机械能量相对不足，大尺寸的井眼需求钻头施加大扭矩和大钻压，而大扭矩容易引起钻具和钻头的憋钻，由于钻具的承载能力的限制而不能给钻头提供大钻压。随着大尺寸井眼的加深，地层岩石的本身的压实成都增加、强度增加和可钻性变差，而且垂直地应力、水平地应力、地层流体压力和钻井液柱压力等在井底形成应力不断增大，导致钻头的稳定性降低，不利于钻头的有效钻井。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术的不足之处，一种双级钻头，该结构能够有效的解决钻头在深部地层大井眼中机械钻速低和钻头稳定性差的问题。钻头的外部切削结构率先在井眼中刮切出环状破碎带，在井底岩石中形成环形的应力破碎面，有益于提高钻头的破岩效率；同时在钻头心部区域形成凸起的岩石，有利于提高钻头稳定性。并且能够改变大尺寸钻头在井底钻井参数情况，可以合理调节和分配双级切削结构钻压、扭矩的分配比例，提高钻井效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双级钻头，包括钻头体(1)、固定刀翼(2)、固定切削齿(3)、排屑槽(4)、喷嘴(5)等，其特征在于：钻头心部向内凹陷形成心部切削结构(22),与外部切削结构(21)共同构成阶梯状的双级钻头。

上述方案中，钻头的外部切削结构率先在井眼中刮切出环状破碎带，在井底岩石中形成应力释放面，有益于提高钻头的破岩效率；同时在钻头心部区域形成凸起的岩石，防止钻头左右窜动，有利于提高钻头稳定性；并且能够改变大尺寸钻头在井底钻井参数情况，可以合理调节和分配双级切削结构钻压、扭矩的分配比例，提高钻井效率。

心部轮廓线是指钻头心部内陷区域的最外端与钻头中心之间的线段，其为钻头轮廓线的一部分。

作为优选，钻头心部向内凹陷，其心部轮廓线为直线、抛物线、圆弧、样条曲线等等。

上述方案中，心部轮廓线有直线、曲线等多种选择，有益于权衡切削效率与切削寿命的关系，从而满足不同的钻井需求。

作为优选，钻头心部向内凹陷，其内凹陷深度H1≥20mm。

上述方案中，钻头心部向内凹陷的深度需要达到一定距离，才能在地层岩石形成有效的应力释放面，提高破岩效率。

钻头的心部切削区域是指钻头心部内凹区域的最外端到钻头中心之间的区域，钻头的径向区域指钻头保径到钻头中心之间的区域。

作为优选，钻头芯部切削区域达到钻头径向区域的40％以上，即R1/R2≥0.4。

上述方案中，在靠近钻头径向二分之一的区域在岩石形成应力释放面，降低岩石强度，减少钻头外二分之一区域切削齿的磨损，增加钻头的整体寿命。

作为优选，钻头直径大于等于9.5英寸。

上述方案中，所述钻头必须在大井眼中才能发挥出它的双级钻头破岩效率高和稳定性强的优势。

作为优选，切削结构中包含二级或者多级切削齿。

上述方案中，切削结构包括心部切削结构和外部切削结构都可以设置二级或者多级切削齿，有益于延长钻头在硬地层中使用寿命。

作为优选，固定切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)在钻头内凹的心处形成凸起的岩石，防止钻头左右窜动，提高钻头在深部地层的稳定性。

(2)外部切削结构刮切出环状破碎带，在井底形成环形应力释放面，有益于提高钻头的破岩效率。

(3)钻头具有阶梯状的双级切削结构，改变大尺寸钻头在井底钻井参数情况，可以合理调节和分配双级切削结构钻压、扭矩的分配比例，提高钻井效率。

(4)在靠近钻头径向二分之一区域形成应力释放面，降低岩石强度，减低钻头外二分之一区域切削齿的磨损，增加钻头的整体寿命。

附图说明

图1为钻头示意图

图2为心部轮廓线为直线的钻头示意图

图3为心部轮廓线为抛物线的钻头示意图

图4为设置有二级切削齿的钻头示意图

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、2-固定刀翼、21-外部切削结构、22-心部切削结构、3-固定切削齿、31-二级切削齿、4-排屑槽、5-喷嘴。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。

实施例

参考图1所示，一种双级钻头，包括钻头体(1)、固定刀翼(2)、固定切削齿(3)、排屑槽(4)、喷嘴(5)等，其特征在于：钻头心部向内凹陷形成心部切削结构(22),与外部切削结构(21)共同构成阶梯状的双级钻头。

作为选择，钻头心部向内凹陷，其心部轮廓线为直线、抛物线、圆弧、样条曲线等等，如图2、3所示。

作为选择，钻头心部向内凹陷，其内凹陷深度H1≥20mm，如图2、3所示。

作为选择，钻头心部切削区域达到钻头径向区域的40％以上，即R1/R2≥0.4，如图2、3所示。

作为选择，钻头直径大于等于9.5英寸。

作为选择，切削结构包含二级或者多级切削齿，如图4所示。

作为选择，所述固定切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双级钻头，包括钻头体、固定刀翼、固定切削齿、喷嘴、排屑槽等等，其特征在于：钻头心部向内凹陷形成心部切削结构,与外部切削结构共同构成阶梯状的双级钻头。

2.根据权利要求1所述一种双级钻头，其特征在于：钻头心部向内凹陷，其心部轮廓线为直线、抛物线、圆弧、样条曲线等等。

3.根据权利要求1、2所述一种双级钻头，其特征在于：钻头心部向内凹陷，其内凹陷深度H1≥20mm。

4.根据权利要求1、2所述一种双级钻头，其特征在于：钻头心部切削区域达到钻头径向区域的40％以上，即R1/R2≥0.4。

5.根据权利要求1、2、3、4所述一种双级钻头，其特征在于：钻头直径大于等于9.5英寸。

6.根据权利要求1、2、3、4所述一种双级钻头，其特征在于：切削结构包含二级或者多级切削齿。

7.根据权利要求1至6所述一种双级钻头，其特征在于：所述固定切削齿为聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石复合齿、热稳定聚晶金刚石切削齿、天然金刚石切削齿、孕镶金刚石切削齿、硬质合金切削齿、立方氮化硼切削齿、陶瓷切削齿、包含金刚石或立方氮化硼的切削齿等等。