CN107965278B - 一种钻具组合 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种钻具组合，其包括钻头、设置在钻头上方的第一稳定器、设置在第一稳定器的上方的恒压恒扭器、设置在恒压恒扭器的上方的多个钻铤，其中，恒压恒扭器包括相连接的减震器和稳扭器，该钻具组合具有运行稳定的优点。

Description

一种钻具组合

技术领域

本发明涉及石油工程钻井技术领域，尤其是涉及一种钻具组合。

背景技术

现有石油工程钻井施工中，常规底部钻具组合由“钻头+钻铤+稳定器+钻铤”或“钻头+螺杆+钻铤+稳定器+钻铤”组成。在钻遇软硬交错地层、含砾地层、火成岩等坚硬地层时，钻头工作状态不稳定，会发生轴向振动(如跳钻)、周向振动(如粘滑)和横向振动(如涡动)。钻头振动不但会降低钻头破岩效率，还会造成钻头牙齿或切削齿的先期损坏、钻具疲劳破坏，因而造成钻头机械钻速慢、钻头进尺少、钻头寿命短和井下落物等一系列影响钻井周期和钻井费用的问题。

尤其是，目前全球范围内70％以上的钻头进尺是由PDC钻头完成的，但在易引发井下振动的地层中使用常规底部钻具组合时PDC钻头容易先期损坏，造成PDC钻头使用效果较差。钻头的稳定性和攻击性在一定程度上是难以兼顾的，为了提高钻头稳定性，经常采用增加钻头刀翼数量、减小切削齿尺寸、增加布齿密度等降低钻头攻击性的措施，这在提高PDC钻头使用寿命的同时却降低了钻头机械钻速。

为了改变这一现状，很多辅助破岩工具应运而生，也起到了较好的应用效果，但在钻头发生多种振动时，还是难以保证钻头稳定性，因而在同一区块相同地层应用同一型号的钻头和辅助破岩工具有时却会出现应用效果相差很大甚至没有起到作用等问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种钻具组合。该钻具组合具有能发挥钻具组合中各构件降低不同类型的井下振动效果的协同作用，提高钻头稳定性和保护钻头攻击性，达到提高钻井速度和破岩效率的目的。

根据本发明，提出了一种钻具组合，包括：

钻头，

设置在钻头上方的第一稳定器，

设置在第一稳定器的上方的恒压恒扭器，恒压恒扭器包括相连接的减震器和稳扭器，

设置在恒压恒扭器上方的多个钻铤。

在一个实施例中，减震器处于稳扭器的下方并与第一稳定器连接。

在一个实施例中，在最下方的钻铤之上设置有第二稳定器。

在一个实施例中，第一稳定器和第二稳定器中的至少一个包括：

柱状本体，在柱状本体上构造有径向向外凸出的扶正区，

在扶正区内间隔开地构造有径向向外凸出的多个扶正棱，在任一个扶正棱的顶面上间隔开地设有多个弧面扶正块。

在一个实施例中，多个扶正棱相互平行并且平行于柱状本体的轴向而延伸，或多个扶正棱相互平行并且螺旋式延伸。

在一个实施例中，任一个扶正棱的顶面包括凸出的弧面区和处于弧面区两侧的倒角区，多个弧面扶正块设在弧面区内。

在一个实施例中，在一个扶正棱上，多个弧面扶正块沿弧面区的延伸方向间隔开地设置。

在一个实施例中，弧面扶正块的表面为球形或椭球形。

在一个实施例中，椭球形的弧面扶正块的长轴垂直于相应扶正棱的延伸方向。

在一个实施例中，在任一个扶正棱上，从其顶面向其内部开设有多个安装孔，

在任一个安装孔内安装有一个柱形的扶正体，扶正体的顶面为弧面并且凸出到顶面之外而形成弧面扶正块。

与现有技术相比，本发明的优点在于，该钻具组合在不降低其降斜力的同时增强了钻具组合的稳定性，从而提高了钻头的工作稳定性和机械钻速、延长了钻头寿命。由于钻具组合稳定性的提高，可以进一步提高井眼质量和防斜效果，起到了直井防斜打快的作用。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的钻具组合；

图2示意性地显示了根据本发明的第一稳定器和/或第二稳定器的结构；

图3示意性地显示了弧面扶正块的第一实施例；

图4示意性地显示了弧面扶正块的第二实施例；

图5示意性地显示了在扶正棱上设置弧面扶正块的方式；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1显示了根据本发明的一个实施例的钻具组合100。如图1所示，钻具组合100包括钻头60、第一稳定器61、恒压恒扭器67和钻铤64。其中，第一稳定器61设置在钻头60上方，用于防止钻头前进方向的偏转和降低钻头涡动发生的概率。恒压恒扭器67设置在第一稳定器61的上方，并包括减震器62和稳扭器63，以用于降低轴向振动和周向振动，并协同提高钻头60的稳定性。钻铤64设置在恒压恒扭器67的上方，用于与钻柱的其它部件连接。

该钻具组合100包括有不同的辅助破岩工具，并通过不同的辅助破岩工具优化连接，发挥其协同作用以抑制钻头60轴向振动、周向振动和横向振动，从而在钻头60使用过程中提高钻头60的稳定性和保护钻头60的攻击性。该底部钻具组合100适用范围广，在钻头60为PDC钻头时，可以适用于软硬交错地层、含砾地层、坚硬地层等地层。另外，由于该底部钻具组合100的钻头60可以避免先期损坏，使钻头60在平稳工作状态下发生正常磨损，同时减少底部钻具组合100疲劳损坏的发生概率，达到提高钻井速度和破岩效率、降低钻井周期和钻井费用的目的。

为了达到更好的减振效果，进一步提高钻具组合100的稳定性。优选地，减震器62处于稳扭器63的下方。也就是，减震器62设置在第一稳定器61的上方，用于降低轴向振动，减小冲击载荷，从而保证钻具组合100的运行稳定性，保护钻头60免于冲击破坏，使钻头60能够始终处于高速破岩状态。稳扭器63设置在减震器62的上方，用于降低周向振动，减小钻头扭矩的波动或稳定钻头60。当然，减震器62也可以处于稳扭器63的上方，这种设置方式也能起到提高钻具组合100的稳定性的效果。

钻具组合100包括多个钻铤64，其中，在稳扭器63的上方设置有一根钻铤64，而在此钻铤64的上方设置第二稳定器65，以进一步提高钻头60的稳定性。并且，在第二稳定器65的上方还具有多根钻铤64。

需要说明地是，该减震器62可以为液压减震器或碟簧减震器中的一种，而只要能够达到降低轴向冲击的减震器62都可以根据实际需要应用到本钻具组合100上。

稳扭器63可以构造为但不限于如中国专利CN103174380A所记载的旋转冲击钻井装置，以及中国专利CN101988368A所记载的粘滑振动减震器等。只要是能够满足使用需求的稳扭器63都可以根据实际需要应用到本钻具组合100上。

在稳扭器63的上方设置有多个互相连接的钻铤64，而在其中的最下方的钻铤64的上方设置有第二稳定器65，以进一步地保护钻具组合100并增加钻头60的使用稳定性。

根据本发明，第一稳定器61和第二稳定器65的结构可以相同也可以不同。第一稳定器61和/或第二稳定器65可以构造为如图2所示的稳定器10。具体地，如图2所示，稳定器10包括柱状本体1，在柱状本体1上构造有扶正区2。在扶正区2内间隔开地构造有多个扶正棱3。这些扶正棱3径向向外凸出到柱状本体1的其余部分的表面4之外，使得扶正区2也呈径向向外凸出的状态。实际上，柱状本体1和扶正区2可通过机加工而一体式成型。特别是扶正区2内的扶正棱3可通过车削、铣削而成型。在相邻的扶正棱3之间形成了通槽5。在柱状本体1的内部构造有轴向贯通的通道6，并且在两端构造有连接结构50。这样可以将稳定器10作为一个短节安装在钻杆上。在钻井过程中，柱状本体1内的通道6可用作钻井液通道。稳定器10的转动会使扶正棱3与井壁转动式摩擦接触。而通槽5可用作排屑槽，以方便地通过井内的钻井液将钻头产生的碎屑返排到井口。

多个扶正棱3可构造为相互平行并且平行于柱状本体1的轴向而延伸，也可以构造为相互平行并且螺旋式延伸(如图2所示)。优选为，将多个扶正棱3构造为相互平行并且螺旋式延伸，以使得通槽5(或排屑槽)也为螺旋式。这是由于，在钻井过程中井筒内的钻井液呈旋流状态，螺旋式的通槽5(或排屑槽)可使钻井液顺畅地从其内部流过，以便钻头产生的碎屑(或岩屑)顺利通过通槽5(或排屑槽)。

在扶正棱3的顶面30上凸出地设有多个弧面扶正块7。在一个实施例中，弧面扶正块7的材质为硬质合金。硬质合金可选择为碳化钨。这样，在钻井过程中，仅弧面扶正块7与井壁接触，扶正棱3本身并不与井壁接触。扶正块7的弧面表面使得扶正块7与井壁之间形成平滑的滑动接触极大地减低了扶正块7对井壁的切削作用，并且极大地降低了稳定器10与井壁的接触面积。由此，极大地降低了稳定器10与井壁之间的摩擦阻力，进而保证了钻头钻速和钻井效率。

如图3和4所示，每一个扶正棱3的顶面30包括凸出的弧面区31和对称地处于弧面区31两侧的倒角区32。弧面扶正块7设在弧面区31内。在一个优选的实施例中，弧面扶正块7的数量为3个到4个。当然，还可以根据需要调整弧面扶正块7的数量。在一个实施例中，弧面扶正块7的高度与扶正棱3的弧面区31的宽度之比在3:5到4:5之间。相邻弧面扶正块7之间的距离与弧面扶正块7的等效半径之比在1:1到1:2之间。从整体上看，这些弧面扶正块7类似于孤立地显著凸出到扶正棱3的表面之外的珠子。应理解的是，用语“等效半径”可以使用数学方法来计算，这是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。此外，在一个扶正棱3上，多个弧面扶正块7沿弧面区31的延伸方向(如箭头A所示)间隔开地设置成一列，如图3和4所示。申请人发现，在钻井泥浆的润滑作用下，这种尺寸和这种设置的弧面扶正块7能够显著降低稳定器10与井壁之间的摩擦阻力。

在一个未示出的实施例中，扶正棱还可以是刮刀型的。刮刀型的扶正棱的顶面是平坦的，没有凸出的弧面区。为了达到良好的扶正和减阻效果，也需要在这种扶正棱的平坦的顶面上设置如图2和3所示的弧面扶正块7，以减少了稳定器10与井壁之间的接触面积。

图5示意性地显示了在扶正棱3上设置弧面扶正块7的方式。首先，在扶正棱3上从其顶面30向其内部开设有多个安装孔32。然后，在每一个安装孔32内安装一个柱形的扶正体33。扶正体33的顶面34为弧面并且凸出到顶面30之外而形成弧面扶正块7。这样，弧面扶正块7实际上是嵌入在扶正棱3内的扶正体33的一部分，这极大地提高了弧面扶正块7相对于扶正棱3的稳定性，避免了在钻井过程中弧面扶正块7从扶正棱3上脱落的风险。

图3示意性地显示了表面为球形的弧面扶正块7。图4示意性地显示了表面为椭球形的弧面扶正块7。在图4所示的实施例中，椭球形的弧面扶正块7的长轴40垂直于扶正棱3(或弧面区31)的延伸方向(如箭头A所示)。这带来以下有益效果，在钻井过程中，弧面扶正块7与井壁的接触方式为：弧面扶正块7半径较小的端部41首先与井壁接触，然后接触面积顺应椭球的形状而平滑过渡地增加。这极大地提高了钻杆的稳定性，并减小了摩擦阻力。同时，由于钻柱与井壁之间的推靠力与上述的接触方式没有关系，因此这种方案基本不会改变推靠力，但是却降低了摩擦阻力，从而提高了井口输入能量的传递效率并且有助于使钻头沿预定方向钻进并且有助于提高钻井速度。还应注意的是，可以根据实际情况，适当调节椭球形的弧面扶正块7的数量，以达到良好的扶正效果和减阻效果。

综上所述，本发明的稳定器10可有助于降低与井壁之间的摩擦阻力，使钻头获得更大的破岩能量。此外，还提高了钻具(包括钻杆和钻头)的稳定性，降低了钻具的井下振动，从而提高了钻头钻速和钻井效率。

综上所述，本发明通过优化底部钻具组合100，增强底部钻具组合100抵抗轴向振动和周向振动的能力，并使底部钻具组合100上部的钻柱最大程度的保持稳定性，在增大钻头60破岩能量和钻头60降斜力的同时，降低冲击等造成的钻头60先期损坏，使钻头60长时间在较平稳工作状态下发生正常磨损，同时减少钻具组合100疲劳损坏的发生概率，达到提高钻井速度和破岩效率、降低钻井周期和钻井费用的目的。

本申请中，方位用于“上”和“下”与钻具组合100的实际工作方位为参照。

以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种钻具组合，其特征在于，包括：

钻头，

设置在所述钻头上方的能防止所述钻头前进方向的偏转和降低所述钻头涡动发生的第一稳定器，

设置在所述第一稳定器的上方的恒压恒扭器，所述恒压恒扭器包括能降低轴向振动的减震器，以与所述减震器连接的能降低周向振动并减小钻头扭矩的波动的稳扭器，所述减震器处于所述稳扭器的下方并与所述第一稳定器连接，

设置在所述恒压恒扭器上方的多个钻铤，

在最下方的钻铤之上设置的第二稳定器，

其中，所述第一稳定器和所述第二稳定器中的至少一个包括构造有径向向外凸出的扶正区的柱状本体和在所述扶正区内间隔开地构造有径向向外凸出的多个扶正棱，在任一个扶正棱的顶面上间隔开地设有3或4个弧面扶正块，并且在一个所述扶正棱上的所述扶正块沿着弧面区的延伸方向间隔开地设置为一列，在所述任一个扶正棱上，从其顶面向其内部开设有多个安装孔，在任一个安装孔内安装有一个柱形的扶正体，所述扶正体的顶面为弧面并且凸出到所述顶面之外而形成所述弧面扶正块，并且弧面扶正块的高度与扶正棱的弧面区的宽度之比在3:5到4:5之间。

2.根据权利要求1所述的钻具组合，其特征在于，多个扶正棱相互平行并且平行于所述柱状本体的轴向而延伸，或多个扶正棱相互平行并且螺旋式延伸。

3.根据权利要求2所述的钻具组合，其特征在于，所述任一个扶正棱的顶面包括凸出的弧面区和处于所述弧面区两侧的倒角区，所述弧面扶正块设在所述弧面区内。

4.根据权利要求3所述的钻具组合，其特征在于，在一个扶正棱上，3或4个所述弧面扶正块沿弧面区的延伸方向间隔开地设置。

5.根据权利要求1所述的钻具组合，其特征在于，所述弧面扶正块的表面为球形或椭球形。

6.根据权利要求5所述的钻具组合，其特征在于，椭球形的所述弧面扶正块的长轴垂直于相应扶正棱的延伸方向。

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