CN106869806B - 一种扭矩自平衡嵌套式双钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，属于钻井、钻探领域，该双钻头由内钻头、外钻头和内外钻头扶正耐磨套组成，其中内钻头由内钻头切削齿、内钻头水口、内钻头外台阶、内钻头刚体和射流孔组成；外钻头由外钻头切削齿、外钻头水口、外钻头内台阶和外钻头刚体组成；内外钻头扶正耐磨套由本体和润滑体组成，其中内外钻头扶正耐磨套由本体与润滑体通过过盈配合组合而成，且润滑体在本体轴向上为全覆盖式布置。本发明是由内钻头和外钻头逆向旋转实现对地层岩石的破碎，实现内外钻头的扭矩平衡，对围岩及孔壁扰动小，能够满足井下扭矩自平衡有缆钻具系统对双钻头的要求。
Description
技术领域
本发明属于钻井、钻探领域，涉及一种钻头，特别是涉及一种扭矩自平衡嵌套式双钻头。
背景技术
在钻井钻探过程中，钻杆柱在扭矩的作用下变形成螺旋状，在回转中与井壁碰撞摩擦，磨损和交变载荷作用极易使钻杆柱提前损坏，导致断钻具等井内事故的发生，给整个工程带来巨大损失。随着钻进深度的增加，钻杆柱的长度加长，钻杆在传递钻压和扭矩的过程中克服井内各种摩擦阻力所损耗的能量比例增大，因此需要上部钻机提供更大的扭矩，当井深达到一定深度后，必须在近钻头部位增加井下动力工具为钻头高速回转提供扭矩，上部钻柱通过地面转盘顶驱缓慢回转为钻头提供反扭矩。显而易见，钻具在井内回转碎岩产生的反扭矩危害到整个钻柱和地面设备，钻井工艺也要首先满足反扭矩这一环境条件才能顺利实施。独立一个钻头在碎岩同时需要围岩给与钻头接触的岩石提供相应的反扭力矩，对井壁围岩要求高。若钻头遇破碎地层时，围岩固有的结合力无法给与钻头接触的岩石提供足够的反扭力矩而成块状结构脱离井壁，加之循环泥浆随钻柱回转产生局部紊流搅动井壁，此时会导致井眼扩大的后果；当钻头遇坚硬的大颗粒砂砾岩时，由于砾石的滑动很容易进入钻头水口处并与其它砾石桥接产生极大的力矩，极易导致钻头切削齿的崩落。针对目前井内事故多及成本高的技术难点和不足，有必要提出一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，从根本上解决钻柱回转钻进产生的反扭矩危害，改变钻头单向碎岩对围岩的扰动强度，简化地面钻探装备和配套的工具及工艺方法，实现井内事故少，钻井成本低、能耗小和钻进效率高等目的，钻头作为钻井作业中破岩的工具对钻井机械钻速的提高起着决定性的作用，其寿命和性能直接影响着钻井工程的质量、速度和综合成本。
发明内容
本发明的目的为井下扭矩自平衡有缆钻具系统配套一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，主要分配和平衡嵌套式内、外钻头与岩石间产生的摩擦力。
为达到上述技术目的，本发明提出了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头,其特征是：该双钻头由内钻头、外钻头和内外钻头扶正耐磨套组成，所述内钻头置于外钻头内部并与外钻头同轴布置；所述内外钻头扶正耐磨套设置在内钻头和外钻头之间；
其中内钻头由内钻头切削齿、内钻头水口、内钻头外台阶、内钻头刚体和射流孔组成；所述内钻头刚体底部设置有内钻头切削齿和内钻头水口，且内钻头切削齿和内钻头水口间隔布置，其中内钻头切削齿材质为孕镶金刚石，内钻头水口设有内水槽；所述内钻头外台阶设置在内钻头刚体外侧壁上，用于限制内外钻头扶正耐磨套向下移动；所述射流孔开设在内钻头刚体下部，射流孔直径5mm～15mm，其轴线与内钻头轴线间的夹角为30°～45°；
其中外钻头由外钻头切削齿、外钻头水口、外钻头内台阶和外钻头刚体组成，所述外钻头刚体底部设置有外钻头切削齿和外钻头水口，且外钻头切削齿和外钻头水口间隔布置，其中外钻头切削齿材质为孕镶金刚石，外钻头水口设有外水槽；所述外钻头内台阶设置在外钻头刚体的内侧壁上，用于限制内外钻头扶正耐磨套向下移动；
其中内外钻头扶正耐磨套由本体与润滑体通过过盈配合组合而成，且润滑体在本体轴向上为全覆盖式布置。
进一步，所述内钻头外径与外钻头内径尺寸相差1mm～2mm。
更进一步，所述内外钻头扶正耐磨套的下平面与内钻头外台阶和外钻头内台阶接触配合。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提出了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，是由内钻头和外钻头逆向旋转实现对地层岩石的破碎，实现内外钻头的扭矩平衡，对围岩及孔壁扰动小，能够满足井下扭矩自平衡有缆钻具系统对双钻头的要求。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1是本发明一种扭矩自平衡嵌套式双钻头总装仰视示意图。
图2是图1的A-A向结构示意图。
图3是本发明一种扭矩自平衡嵌套式双钻头的内钻头仰视示意图。
图4是图3的B-B向结构示意图。
图5是本发明一种扭矩自平衡嵌套式双钻头的外钻头仰视示意图。
图6是图5的A-A向结构示意图。
图7是本发明一种扭矩自平衡嵌套式双钻头的内外钻头扶正耐磨套仰视示意图。
图8是图7的C-C向结构示意图。
图9是本发明的实施例结构示意图。
图中：1-内钻头、101-内钻头切削齿、102-内钻头水口、103-内钻头外台阶、104-内钻头刚体、105-射流孔、2-外钻头、201-外钻头切削齿、202-外钻头水口、203-外钻头内台阶、204-外钻头刚体、3-内外钻头扶正耐磨套、301-本体、302-润滑体、4-外钻头传力下接头、5-外钻头传力上接头、6-内外钻头密封件Ⅰ、7-内外钻头密封件Ⅱ、8-内钻头传力下接头、9-内钻头传力上接头、10-动力电机转子组、11-动力系统轴承密封圈、12-动力系统下密封件、13-动力系统轴承、14-内钻头传扭杆、15-动力电机定子组、16-动力系统上密封件、17-外钻头传压接头、18-外钻头传压机构防脱外套、19-外钻头传压不传扭轴承、20-外钻头传压杆、21-内钻头传压接头、22-内钻头传压机构防脱外套、23-内钻头传压不传扭轴承、24-内钻头压力传感器、25-内外传感器密封圈、26-外钻头压力传感器、27-内钻头动力传压密封圈、28-压力调节密封压套、29-压力调节扶正套、30-压力调节外壳、31-压力调节内钻头传力扶正件、32-压力调节结构、33-泥浆循环系统上接头、34-循环系统密封圈、35-泥浆循环系统、36-泥浆循环系统外壳、37-泥浆循环系统上接头、38-解卡系统下接头、39-随钻测井系统、40-解卡系统转子接头、41-解卡系统下密封件、42-解卡系统密封圈、43-解卡系统扶正轴承、44-解卡系统转子组、45-解卡系统定子组、46-解卡系统上密封件、47-解卡系统钻头、48-线缆及保护外套、49-泥浆循环中心管。
具体实施方式
请参阅图1到图8所示，本发明提出了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头,其特征是：该双钻头由内钻头1、外钻头2和内外钻头扶正耐磨套3组成，所述内钻头1置于外钻头2内部并与外钻头2同轴布置；所述内外钻头扶正耐磨套3设置在内钻头1和外钻头2之间；
其中内钻头1由内钻头切削齿101、内钻头水口102、内钻头外台阶103、内钻头刚体104和射流孔105组成；所述内钻头刚体104底部设置有内钻头切削齿101和内钻头水口102，且内钻头切削齿101和内钻头水口102间隔布置，其中内钻头切削齿101材质为孕镶金刚石，内钻头水口102设有内水槽；所述内钻头外台阶103设置在内钻头刚体104外侧壁上，用于限制内外钻头扶正耐磨套3向下移动；所述射流孔105开设在内钻头刚体104下部，射流孔105直径5mm～15mm，其轴线与内钻头1轴线间的夹角为30°～45°；
其中外钻头2由外钻头切削齿201、外钻头水口202、外钻头内台阶203和外钻头刚体204组成，所述外钻头刚体204底部设置有外钻头切削齿201和外钻头水口202，且外钻头切削齿201和外钻头水口202间隔布置，其中外钻头切削齿201材质为孕镶金刚石，外钻头水口202设有外水槽；所述外钻头内台阶203设置在外钻头刚体204的内侧壁上，用于限制内外钻头扶正耐磨套3向下移动；
其中内外钻头扶正耐磨套3由本体301与润滑体302通过过盈配合组合而成，且润滑体302在本体301轴向上为全覆盖式布置。
所述内钻头1外径与外钻头2内径尺寸相差1mm～2mm。
所述内外钻头扶正耐磨套3的下平面与内钻头外台阶103和外钻头内台阶203接触配合。
实施例1
本发明提出了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，该双钻头由内钻头1、外钻头2和内外钻头扶正耐磨套3组成。内钻头1与外钻头2联合作用在相对平衡状态破碎岩石，由内钻头切削齿101、内钻头水口102、内钻头外台阶103、内钻头刚体104和射流孔105组成。内钻头切削齿101为孕镶金刚石，主要以磨削形式破碎地层岩石；内钻头水口102设有内水槽，不设外水槽；内钻头外台阶103用于限制内外钻头扶正耐磨套3下行；射流孔105用来防止和清理进到内外钻头间的岩屑或岩粉，射流孔直径10mm，其轴线与内钻头1轴线间的夹角为30°。外钻头2由外钻头切削齿201、外钻头水口202、外钻头内台阶203和外钻头刚体204组成；外钻头切削齿201为孕镶金刚石，主要以磨削形式破碎地层岩石；外钻头水口202设有外水槽，不设内水槽；外钻头内台阶203用于限制内外钻头扶正耐磨套3下行。内钻头1外径与外钻头2内径尺寸差1mm～2mm。内外钻头扶正耐磨套3由本体301和润滑体302组成；内外钻头扶正耐磨套3的下平面与内钻头外台阶103和外钻头内台阶203接触配合；本体301与润滑体302通过过盈配合组合而成，润滑体302在本体301上的分布要满足轴向的全覆盖。
请参阅图9所示，结合井下扭矩自平衡有缆钻具系统的结构对扭矩自平衡嵌套式双钻头的工作原理和过程做进一步说明：
一种井下扭矩自平衡有缆钻具系统，该钻具系统由内外钻头组件、动力组件、内外钻头压力调节系统、泥浆循环系统和解卡系统组成，扭矩自平衡有缆钻具系统上部钻具只承受轴向力作用，下部钻具由内外钻头逆向回转实现扭矩平衡。内外钻头组件用于逆向回转切削岩石，需要围岩给与钻头接触的岩石提供的反扭力矩微小，因此对围岩只产生微小的扰动，即使在破碎地层中钻进，井壁也相对规整和稳定。该内外钻头组件包括内钻头1、外钻头2、取心筒、外钻头传力下接头4、外钻头传力上接头5、内外钻头密封件Ⅰ6、内外钻头密封件Ⅱ7、内钻头传力下接头8、内钻头传力上接头9和内钻头传扭杆14，内钻头1、取心筒、内钻头传力下接头8、内钻头传力上接头9和内钻头传扭杆14依次丝扣连接，取心筒内径与内钻头1内径相匹配；外钻头2、外钻头传力下接头4和外钻头传力上接头5丝扣连接；内外钻头密封件Ⅰ6和内外钻头密封件Ⅱ7构成内外钻头滑动密封副，该内外钻头滑动密封副位于外钻头传力上接头5和内钻头传力下接头8之间，其与外钻头传力上接头5和内钻头传力下接头8紧密配合相连，起到扶正和限位内外钻头作用。动力组件用于为内外钻头组件提供动力，动力电机转子组10与动力电机定子组15通过结构台阶由动力系统轴承13限位，使动力电机转子组10和动力电机定子组15相对稳定旋转；动力系统轴承密封圈11和动力系统下密封件12、动力系统上密封件16组合形成密闭腔体，防止泥浆进入密闭腔体；动力电机转子组10的内孔上有多条键槽与内钻头传扭杆14键槽连接，将动力扭矩传递给内钻头1。动力系统下密封件12与外钻头传力上接头5丝扣连接，动力系统上密封件16与外钻头传压接头17丝扣连接。内外钻头压力调节系统与地面数据终端通过数据线通信连接，用于动态调节加在内外钻头上的压力，实现相对地层自平衡逆向回转，内外钻头压力调节系统及以上钻具均无来自钻头的扭矩作用，只承担轴向拉压力作用。内钻头压力调节组件，压力调节结构32、压力调节内钻头传力扶正件31、内钻头压力传感器24、内钻头传压接头21和内钻头传压机构防脱外套22顺次丝扣连接，实现钻压由上部钻具传递到内钻头1上，通过内钻头传压不传扭轴承23实现只传压不传扭功能；外钻头压力调节组件，压力调节外壳30、外钻头压力传感器26、外钻头传压杆20、外钻头传压机构防脱外套18和外钻头传压接头17顺次丝扣连接，实现钻压由上部钻具传递到外钻头2上，通过外钻头传压不传扭轴承19实现只传压不传扭功能；内钻头压力调节组件和外钻头压力调节组件通过压力调节扶正套29实现扶正和定位功能，通过内外传感器密封圈25、内钻头动力传压密封圈27和压力调节密封压套28实现压力调节系统内部空腔的密封。外钻头传压接头17与动力系统上密封件16丝扣连接，压力调节外壳30与泥浆循环系统上接头33丝扣连接。泥浆循环系统用于循环泥浆冷却钻头、携带岩屑和保护井壁，代替了地面泥浆泵及其部分管汇，泥浆循环系统下接头33、泥浆循环系统外壳36和泥浆循环系统上接头37顺次丝扣连接，其中泥浆循环系统下接头33与压力调节外壳30丝扣连接，泥浆循环系统上接头37与解卡系统下接头38丝扣连接；所述泥浆循环系统35位于浆循环系统下接头33和泥浆循环系统上接头37之间；所述循环系统密封圈34设置在泥浆循环系统下接头33和泥浆循环系统35之间，循环系统密封圈34阻隔泥浆循环系统上接头37进浆口与下部钻具间的连通。解卡系统用于解决卡钻井下事故。解卡系统下接头38、随钻测井系统39、解卡系统转子接头40和解卡系统转子组44顺次丝扣连接；所述解卡系统下密封件41、解卡系统定子组45、解卡系统上密封件46、解卡系统钻头47顺次丝扣连接；所述解卡系统转子接头40、解卡系统下密封件41间隙配合；解卡系统转子组44和解卡系统定子组45通过两个解卡系统扶正轴承43实现扶正和定位功能，通过两组解卡系统密封圈42实现解卡动力系统内部空腔的密封。随钻测井系统39在上部无扭矩环境下可以安装各种测量参数的传感器等仪器，所述随钻测井系统39中预留有声、电、磁和放射性等各种测井参数仪器，并及时将采集到的相关数据通过数据线传输到地面数据终端进行处理。线缆及保护外套48、泥浆循环中心管49分别与解卡系统上密封件46丝扣密封连接，解卡系统下接头38与泥浆循环系统上接头37丝扣连接。线缆及保护外套48、泥浆循环中心管49的长度随钻进深度加长，线缆及保护外套48为铠装保护，具有较强的抗拉强度。
内外钻头回转碎岩：动力电机转子组10通过键槽经内钻头传扭杆14驱动内钻头传力上接头9、内钻头传力下接头8和取心筒，最终将动力扭矩传递给内钻头1，实现内钻头1的回转碎岩；同时动力电机定子组15、动力系统下密封件12、外钻头传力上接头5及外钻头传力下接头4顺次丝扣连接，最终将内钻头1碎岩产生的动力反扭矩传递给外钻头2，实现外钻头2的逆向回转碎岩。
本发明提出了一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，是由内钻头1和外钻头2逆向旋转实现对地层岩石的破碎，实现内外钻头的扭矩平衡，对围岩及孔壁扰动小，能够满足井下扭矩自平衡有缆钻具系统对双钻头的要求。
Claims (3)
1.一种扭矩自平衡嵌套式双钻头,其特征是：该双钻头由内钻头(1)、外钻头(2)和内外钻头扶正耐磨套(3)组成，所述内钻头(1)置于外钻头(2)内部并与外钻头(2)同轴布置；所述内外钻头扶正耐磨套(3)设置在内钻头(1)和外钻头(2)之间；
其中内钻头(1)由内钻头切削齿(101)、内钻头水口(102)、内钻头外台阶(103)、内钻头刚体(104)和射流孔(105)组成；所述内钻头刚体(104)底部设置有内钻头切削齿(101)和内钻头水口(102)，且内钻头切削齿(101)和内钻头水口(102)间隔布置，其中内钻头切削齿(101)材质为孕镶金刚石，内钻头水口(102)设有内水槽；所述内钻头外台阶(103)设置在内钻头刚体(104)外侧壁上，用于限制内外钻头扶正耐磨套(3)向下移动；所述射流孔(105)开设在内钻头刚体(104)下部，射流孔(105)直径5mm～15mm，其轴线与内钻头(1)轴线间的夹角为30°～45°；
其中外钻头(2)由外钻头切削齿(201)、外钻头水口(202)、外钻头内台阶(203)和外钻头刚体(204)组成，所述外钻头刚体(204)底部设置有外钻头切削齿(201)和外钻头水口(202)，且外钻头切削齿(201)和外钻头水口(202)间隔布置，其中外钻头切削齿(201)材质为孕镶金刚石，外钻头水口(202)设有外水槽；所述外钻头内台阶(203)设置在外钻头刚体(204)的内侧壁上，用于限制内外钻头扶正耐磨套(3)向下移动；
其中内外钻头扶正耐磨套(3)由本体(301)与润滑体(302)通过过盈配合组合而成，且润滑体(302)在本体(301)轴向上为全覆盖式布置。
2.根据权利要求1所述的一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，其特征是：所述内钻头(1)外径与外钻头(2)内径尺寸相差1mm～2mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种扭矩自平衡嵌套式双钻头，其特征是：所述内外钻头扶正耐磨套(3)的下平面与内钻头外台阶(103)和外钻头内台阶(203)接触配合。
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