CN109681122A - 一种两层级切削刮刀 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两层级切削刮刀，包括：钻头体、丝扣、水道、卸扣槽、三牙轮、三刮刀片、水眼；所述钻头体的内部开设有水道，且水道顶部的开口设置在钻头体顶部的中心点处；所述钻头体的上部开设有丝扣，且丝扣的下方设置有卸扣槽，并且卸扣槽在钻头体的左右两侧开设有平行的两处；所述钻头体的底部焊接有三牙轮及三刮刀片，且钻头体的底部开设有水眼；本发明通过对传统刮刀钻头及牙轮钻头的改进，具有结构合理，两层级切削提高钻头的机械钻速和适用范围，刀翼稳定性好、所受载荷小、磨损小，保径效果好，不易损坏等的优点，从而有效的解决了本发明在背景技术一项中提出的问题和不足。

Description

一种两层级切削刮刀

技术领域

本发明涉及石油现代钻井技术领域，更具体的说，尤其涉及一种适用于当前钻井生产的新型的刮刀牙轮两层级切削复合钻头，使其兼有刮刀钻头和牙轮钻头的优点，克服各自的不足，并且有较强的地层适应性，从而提高了钻井工程的整体效益的切削刮刀。

背景技术

刮刀钻头是石油现代钻井领域最早应用于现场的钻头，起初所钻的井深比较浅，地层结构相对简单，在泥岩和页岩等软地层中可以得到高的机械钻速和钻头进尺，有着很大的优点。随着油气田的开发，油藏埋藏深度越来越深，开发难度越来越大，刮刀钻头逐渐出现断刀翼、钻进效率低等问题，不能够适应油气钻井的发展，对钻井需要所使用的钻头也提出了更高的要求。目前，已经被现场所淘汰。随着复合钻头的出现，逐渐有刮刀钻头与其他钻头复合的设计出现。但目前的复合方式均为两种方案的复合，并没有加入新的设计，解决刮刀的载荷问题。

目前在我国的石油钻井中，基本以牙轮钻头为主，部分使用了PDC钻头。所使用过的钻头中,普通三刮刀钻头具有钻速快、进尺高的优点，但缺点也十分明显，主要表现为钻压大、钻头磨损快、钻头不能保持一定的冠部形状，使其井径不规则，井斜严重,甚至造成井眼报废；另外，钻压高、扭矩大、钻机憋压严重，对设备及钻具损害较大。牙轮钻头使用寿命不够理想，还时有掉牙轮现象，使整体效益受到很大限制。而PDC钻头抗冲击能力差，钻头成本高、要求井底干净、不能有金属落物、所钻的岩屑细小虽便于泥浆携带但给岩屑录井工作带来了很大困难。

有鉴于此，针对现有的问题予以研究改良，提供一种适用于当前钻井生产的新型的刮刀牙轮两层级切削复合钻头，使其兼有刮刀钻头和牙轮钻头的优点，克服各自的不足，并且有较强的地层适应性，从而提高了钻井工程的整体效益的切削刮刀，旨在通过该技术，达到解决问题与提高实用价值性的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两层级切削刮刀，以解决上述背景技术中提出的普通三刮刀钻头钻压大、钻头磨损快、钻头不能保持一定的冠部形状，对设备及钻具损害较大；牙轮钻头使用寿命不够理想，还时有掉牙轮现象，使整体效益受到很大限制；PDC钻头抗冲击能力差，钻头成本高、要求井底干净、不能有金属落物、所钻的岩屑细小虽便于泥浆携带但给岩屑录井工作带来了很大困难的的问题和不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种两层级切削刮刀，由以下具体技术手段所达成：

一种两层级切削刮刀，包括：钻头体、丝扣、水道、卸扣槽、三牙轮、三刮刀片、水眼；所述钻头体的内部开设有水道，且水道顶部的开口设置在钻头体顶部的中心点处；所述钻头体的上部开设有丝扣，且丝扣的下方设置有卸扣槽，并且卸扣槽在钻头体的左右两侧开设有平行的两处；所述钻头体的底部焊接有三牙轮及三刮刀片，且钻头体的底部开设有水眼。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种两层级切削刮刀，所述钻头体与三牙轮为一体式结构，且所述一体式结构设置为现有技术中用于钻井作业的三牙轮钻头，且所述三牙轮钻头的冠部通过三牙轮及三刮刀片组成三刀翼三牙轮复合设计结构，且三牙轮与三刮刀片仰视呈交错设置，并且三牙轮与三刮刀片的错位角度为30度，通过所述三刀翼三牙轮复合设计结构，实现了刮刀和牙轮的两层级切削，工作中利用牙轮和刮刀的两层级切削来充分发挥各自优势，提高钻头的机械钻速和适用范围，利用牙齿对地层的一级切削在地层先形成一部分齿坑，以降低刮刀钻头二次切削时的受力，即：牙轮一级切削后，所剩余的凸起由刮刀刀翼切削，当旋转切削一周后，牙轮再次经过上一个切削位置时，凸起已被刮刀切削掉，牙轮会进一步的增加破碎深度，不会造成之前的凸起影响吃入深度的问题，而且通过丝扣，将钻头和钻柱连接起来，通过卸扣槽，方便钻头的安装和拆卸工作。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种两层级切削刮刀，所述三刮刀片设置有三处呈圆周均布的刀片，且所述刀片呈两端连接中间镂空式设计，告别了以往“单臂梁式”受力的设计，能够极大地增加刀翼的稳定性，防止钻进过程中因扭矩过大而发生刀片断裂，且增大钻头冠部空间，提高岩屑返排速率，使水力作用得到充分利用，且所述刀片的上部与下部设置为呈锥形式结构的倾斜刀翼，且下部的所述倾斜刀翼镶有四处呈线性阵列的锥型齿，且所述锥型齿采用硬质合金材料制作，并且所述锥型齿与所述刀片呈73度倾斜，刀翼的锥型式结构，保证二级切削时刀翼逐层破碎外围岩层，降低岩石应力和钻进中传动的扭矩，改变了以往的刀刃整体切削方式，降低了钻进时钻头的扭矩并有效防止钻具设备的损坏。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种两层级切削刮刀，所述三刮刀片的刀片的中间部位设置为呈竖直形式的垂直刀翼，且所述垂直刀翼镶有硬质合金，且所述刀片的刀翼工作刃与切削地层平面接触角设计成15°夹角，既能保证快速钻进又能使刀翼磨损保持在一个合理的范围内，刀翼中部保径部位的设计，以及刀翼上部配合锥形齿的使用，可以使二级切削时刮刀进行多角度多方式的破岩，降低了刀翼的磨损程度，避免井径发生变化。

作为本技术方案的进一步优化，本发明一种两层级切削刮刀，所述水眼在所述三牙轮钻头底部的中心处设置有一处，且水眼在三刮刀片的刀翼与所述三牙轮钻头冠部接触处设置有呈圆周均布三处，并且所述四处水眼分别与水道相连通，通过水眼使高速液体直接射向井底，帮助牙轮在一级切削过程中辅助破岩，同时可清洗牙轮、清除井底岩屑，冷却钻头，达到快速钻进的目的。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明一种两层级切削刮刀实现了刮刀和牙轮的两层级切削，利用牙齿对地层的一级切削在地层先形成一部分齿坑，以降低刮刀钻头二次切削时的受力，钻头冠部采用三刀翼三牙轮复合设计，工作中利用牙轮和刮刀的两层级切削来充分发挥各自优势，提高钻头的机械钻速和适用范围。

2、本发明一种两层级切削刮刀的刀翼采用两端式固定连接，告别了以往“单臂梁式”受力的设计，能够极大地增加刀翼的稳定性，防止钻进过程中因扭矩过大而发生刀片断裂；刀翼呈锥型式结构，保证二级切削时刀翼逐层破碎外围岩层，改变了以往的刀刃整体切削方式，降低了钻进时钻头的扭矩并有效防止钻具设备的损坏；刀翼中部保径部位的设计，以及刀翼上部配合锥形齿的使用，使二级切削时刮刀进行多角度多方式的破岩，降低了刀翼的磨损程度，避免井径发生变化；三刮刀片与三牙轮的错位式结构以及刀翼镂空式设计，可以增大钻头冠部空间，提高岩屑返排速率，使水力作用得到充分利用。

3、本发明通过对传统刮刀钻头及牙轮钻头的改进，具有结构合理，两层级切削提高钻头的机械钻速和适用范围，刀翼稳定性好、所受载荷小、磨损小，保径效果好，不易损坏等的优点，从而有效的解决了本发明在背景技术一项中提出的问题和不足。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的轴测结构示意图；

图2为本发明的仰视结构示意图；

图3为本发明的A点结构示意图；

图4为本发明的正视结构示意图；

图5为本发明的侧视结构示意图；

图6为本发明的俯视结构示意图；

图7为本发明的轴测结构示意图；

图8为本发明的水眼内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1至图8，本发明提供一种两层级切削刮刀的具体技术实施方案：

一种两层级切削刮刀，包括：钻头体1、丝扣2、水道3、卸扣槽4、三牙轮5、三刮刀片6、水眼7；钻头体1的内部开设有水道3，且水道3顶部的开口设置在钻头体1顶部的中心点处；钻头体1的上部开设有丝扣2，且丝扣2的下方设置有卸扣槽4，并且卸扣槽4在钻头体1的左右两侧开设有平行的两处；钻头体1的底部焊接有三牙轮5及三刮刀片6，且钻头体1的底部开设有水眼7。

具体的，请参见图1与图2，钻头体1与三牙轮5为一体式结构，且所述一体式结构设置为现有技术中用于钻井作业的三牙轮钻头，且所述三牙轮钻头的冠部通过三牙轮5及三刮刀片6组成三刀翼三牙轮复合设计结构，且三牙轮5与三刮刀片6仰视呈交错设置，并且三牙轮5与三刮刀片6的错位角度为30度。

具体的，请参见图2，三刮刀片6设置有三处呈圆周均布的刀片，且请参见图5，所述刀片呈两端连接中间镂空式设计，且所述刀片的上部与下部设置为呈锥形式结构的倾斜刀翼，且下部的所述倾斜刀翼镶有四处呈线性阵列的锥型齿，且所述锥型齿采用硬质合金材料制作，并且所述锥型齿与所述刀片呈73度倾斜。

具体的，请参见图4与图5，三刮刀片6的刀片的中间部位设置为呈竖直形式的垂直刀翼，且所述垂直刀翼镶有硬质合金，且所述刀片的刀翼工作刃与切削地层平面接触角设计成15°夹角。

具体的，请参见图2与图3及图8，水眼7在所述三牙轮钻头底部的中心处设置有一处，且水眼7在三刮刀片6的刀翼与所述三牙轮钻头冠部接触处设置有呈圆周均布三处，并且所述四处水眼7分别与水道3相连通。

具体实施步骤：

钻头工作时，三牙轮5首先接触地层，利用牙齿的滚动及滑动剪切作用对地层进行一级切削，破碎岩石并在井底平面形成部分齿坑。减小了地层岩石之间的应力，以便于后续三刮刀片6的二级切削。

随着钻头的进一步深入，三刮刀片6的刀翼部分开始慢慢接触地层，刀翼上的锥形齿和刀刃部分对地层进行二级切削。由于刀翼的设计参考了锥型式结构，因此三刮刀片6的刮刀片并不是一次性接触地层，而是循序渐进逐步完成地对外围岩石的切削。极大的降低了刀片所需的扭矩，并减缓了刮刀片的磨损程度，提高钻头工作寿命。同时镶嵌在刀翼上的斜向锥型齿在轴向力和扭矩作用下进行连续旋转破碎外围岩石，锥形齿以前倾角的角度将岩石犁出沟槽，将岩石从母体上剥离，同时在侧向对岩石产生挤压破坏作用，而剩余的部分岩石则在刀刃的高速旋转下破碎。

综上所述：该一种两层级切削刮刀实现了刮刀和牙轮的两层级切削，利用牙齿对地层的一级切削在地层先形成一部分齿坑，以降低刮刀钻头二次切削时的受力，钻头冠部采用三刀翼三牙轮复合设计，工作中利用牙轮和刮刀的两层级切削来充分发挥各自优势，提高钻头的机械钻速和适用范围；刀翼采用两端式固定连接，告别了以往“单臂梁式”受力的设计，能够极大地增加刀翼的稳定性，防止钻进过程中因扭矩过大而发生刀片断裂；刀翼呈锥型式结构，保证二级切削时刀翼逐层破碎外围岩层，改变了以往的刀刃整体切削方式，降低了钻进时钻头的扭矩并有效防止钻具设备的损坏；刀翼中部保径部位的设计，以及刀翼上部配合锥形齿的使用，使二级切削时刮刀进行多角度多方式的破岩，降低了刀翼的磨损程度，避免井径发生变化；三刮刀片与三牙轮的错位式结构以及刀翼镂空式设计，可以增大钻头冠部空间，提高岩屑返排速率，使水力作用得到充分利用；本发明通过对传统刮刀钻头及牙轮钻头的改进，具有结构合理，两层级切削提高钻头的机械钻速和适用范围，刀翼稳定性好、所受载荷小、磨损小，保径效果好，不易损坏等的优点，从而有效的解决了本发明在背景技术一项中提出的问题和不足。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种两层级切削刮刀，包括：钻头体(1)、丝扣(2)、水道(3)、卸扣槽(4)、三牙轮(5)、三刮刀片(6)、水眼(7)；其特征在于：所述钻头体(1)的内部开设有水道(3)，且水道(3)顶部的开口设置在钻头体(1)顶部的中心点处；所述钻头体(1)的上部开设有丝扣(2)，且丝扣(2)的下方设置有卸扣槽(4)，并且卸扣槽(4)在钻头体(1)的左右两侧开设有平行的两处；所述钻头体(1)的底部焊接有三牙轮(5)及三刮刀片(6)，且钻头体(1)的底部开设有水眼(7)。

2.根据权利要求1所述的一种两层级切削刮刀，其特征在于：所述钻头体(1)与三牙轮(5)为一体式结构，且所述一体式结构设置为现有技术中用于钻井作业的三牙轮钻头，且所述三牙轮钻头的冠部通过三牙轮(5)及三刮刀片(6)组成三刀翼三牙轮复合设计结构，且三牙轮(5)与三刮刀片(6)仰视呈交错设置，并且三牙轮(5)与三刮刀片(6)的错位角度为30度。

3.根据权利要求1所述的一种两层级切削刮刀，其特征在于：所述三刮刀片(6)设置有三处呈圆周均布的刀片，且所述刀片呈两端连接中间镂空式设计，且所述刀片的上部与下部设置为呈锥形式结构的倾斜刀翼，且下部的所述倾斜刀翼镶有四处呈线性阵列的锥型齿，且所述锥型齿采用硬质合金材料制作，并且所述锥型齿与所述刀片呈73度倾斜。

4.根据权利要求3所述的一种两层级切削刮刀，其特征在于：所述三刮刀片(6)的刀片的中间部位设置为呈竖直形式的垂直刀翼，且所述垂直刀翼镶有硬质合金，且所述刀片的刀翼工作刃与切削地层平面接触角设计成15°夹角。

5.根据权利要求1所述的一种两层级切削刮刀，其特征在于：所述水眼(7)在钻头体(1)底部的中心处设置有一处，且水眼(7)在三刮刀片(6)的刀翼与所述三牙轮轮(5)接触处设置有呈圆周均布三处，并且所述四处水眼(7)分别与水道(3)相连通。