CN107366509A - 基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头 - Google Patents
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Abstract
基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，包括滚珠丝杠，滚珠丝杠的杠身固定复位弹簧的一端，复位弹簧的另一端连接变向伸缩爪的底部，变向伸缩爪套装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠顶部连接钻头主体；使用时，钻头与变向伸缩爪之间通过滚珠丝杠传递运动，当锚爪在液压力的作用下撑开在井壁上时，通过顶部的楔角可以进一步楔进井壁，为钻头提供更大的推进力；本发明具有井下作业适应性和实时变向的优点。
Description
技术领域
本发明涉及石油行业井下钻井用钻头结构的改进，特别涉及基于 气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头。
背景技术
目前采用的欠平衡钻井方式有空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、 充气钻井等。其中空气钻井主要是应用大功率压风机向井底输送循环 高压或大排量空气流，以空气作为循环介质携带出岩屑。气体欠平衡 钻井技术利用气体作为钻井循环介质不仅成本较低并且可以大大节 省钻井费用。由于钻井介质是循环气体而非钻井循环液，因此气体钻 井不仅可以防止钻井液泄露而污染油层，而且还可以防止井漏、井喷 等这些钻井事故的发生，有效防止钻井过程中对产层的伤害,缩短钻 井周期，延长钻具寿命。但是实现并保持欠平衡钻井需要配备专用注 汽设备、井控设备、产出流体地面处理设备、随钻测量仪器设备、固控设备等，并且这种方法适用的井型也有一定限制。气体欠平衡钻井 有时也容易发生井壁失稳、井斜过大、钻具失效、井下爆炸、地层出 水等问题。在起下钻过程中很难维持欠平衡状态，因此应选择质量好 并能适应井下环境满足作业要求的钻头实现一个钻头钻完一个目的 层且力求实现连续钻井，达到提高钻井效率的目的。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于气体欠平衡钻 井的自驱可造斜钻头，通过采用均布伸缩爪、丝杠传动实现钻头的井 下作业适应性和实时变向的目的，可以满足在欠平衡钻井技术下的作 业要求，同时具有一定的越障解卡能力，结构简单紧凑，便于操作和 控制。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，包括滚珠丝杠1，滚珠 丝杠1的杠身固定复位弹簧2的一端，复位弹簧2的另一端连接变向 伸缩爪3的底部，变向伸缩爪3套装在滚珠丝杠1上，滚珠丝杠1顶 部连接钻头主体4。
所述的变向伸缩爪3包括柱体31，柱体31的圆周方向均匀分布 伸缩锚爪32，组成，伸缩锚爪32的顶部均设置有楔角33。
所述的钻头主体4采用PDC钻头。
本发明的有益效果：
具有一定的越障解卡能力，结构简单紧凑，便于操作和控制；钻 头与变向伸缩爪之间通过滚珠丝杠传递运动，可以快速实现钻头的连 续钻进；省去了旋转钻井中钻杆在转盘中的旋转运动，大大提高了钻 井效率；省去了井下导向工具，节约了钻井成本；采用连续柔管或钢 丝绳的钻井方式可以有效保护地层，防止井喷井漏事故的产生，有效 减少地层伤害。
附图说明
图1为本发明三维模型。
图2为本发明运动原理图
图3为本发明变向钻井运动原理图
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：
参照图1所示，基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，包括滚 珠丝杠1，滚珠丝杠1的杠身固定复位弹簧2的一端，复位弹簧2的 另一端连接变向伸缩爪3的底部，变向伸缩爪3套装在滚珠丝杠1上， 滚珠丝杠1顶部连接钻头主体4。
所述的变向伸缩爪3包括柱体31，柱体31的圆周方向均匀分布 伸缩锚爪32，组成，伸缩锚爪32的顶部均设置有楔角33，当锚爪在 液压力的作用下撑开在井壁上时，通过顶部的楔角可以进一步楔进井 壁，为钻头提供更大的推进力；同时伸缩爪具有一定的单向通过性， 可以防止钻头在作业时由于反向运动而失效的现象产生。
所述的钻头主体4采用普通的PDC钻头，PDC钻头主要由钻头体、 切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成，在我国得到了广泛的应用，在 软-中硬岩层中钻进时，钻进效率远高于孕镶钻头及牙轮钻头，创造 良好的经济效益。
本发明的工作原理：
如图2所示，图(a)为钻头入井之后的初始工作状态,此时沿周向 分布的变向伸缩爪3撑开并以一定的抓臂力紧密贴合井壁。此时变向 伸缩爪3与井壁5保持相对静止，滚珠丝杠1在电机的带动下开始旋 转运动并带动钻头主体进行旋转运动。此时钻头主体处于工作状态， 并将自身的旋转运动转化为沿井眼方向的运动；伴随着丝杠的运动， 复位弹簧被压缩并储存弹性势能，如图(b)所示；通过地面控制使 六个变向伸缩爪收缩并在复位弹簧的作用下回到入井时的初始位置。 当伸缩爪恢复到相对于丝杠的初始位置时控制其撑开恢复工作状态， 此时钻头已经沿井眼方向工作了一段距离，如图(c)所示，此时与 图(a)中的状态相同。如此重复进行，实现钻头沿井眼方向的钻进 进。
参照图3所示，对比常规的井下钻头和传统的钻井作业方式，针 对水平井和分支井等变向井的井下作业方式，在垂直段，沿周向分布 变向伸缩爪撑开并以一定的抓臂力紧密贴合井壁，滚珠丝杠在电机的 带动下开始旋转运动并带动钻头主体进行旋转运动，实现竖直段的钻 进。进入造斜段，由地面控制系统发出指令，改变轴向六个变向伸缩 爪的伸展长度，使钻头的钻进方向与竖直段的轴线方向形成一定的偏 心，此时钻头的回转轴线发生一定角度的偏转，使得它与井眼轴线产 生一定的夹角，如图中(b)所示。当进入水平段时，再次改变六个 变向伸缩爪沿径向的伸缩长度，使其在水平段的运动轨迹与井眼轴线 重合，即可满足作业要求，从而实现按预定方向的钻进。
Claims (3)
1.基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，包括滚珠丝杠(1)，其特征在于，滚珠丝杠(1)的杠身固定复位弹簧(2)的一端，复位弹簧(2)的另一端连接变向伸缩爪(3)的底部，变向伸缩爪(3)套装在滚珠丝杠(1)上，滚珠丝杠(1)顶部连接钻头主体(4)。
2.根据权利要求1所述的基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，其特征在于，所述的变向伸缩爪(3)包括柱体(31)，柱体(31)的圆周方向均匀分布伸缩锚爪(32)，组成，伸缩锚爪(32)的顶部均设置有楔角(33)。
3.根据权利要求1所述的基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，其特征在于，所述的钻头主体(4)采用的PDC钻头。
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