CN110080692A - 一种新型自调节式pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型自调节式PDC钻头，包括：PDC钻头主体；自动调节装置，被封装在PDC钻头主体的自带式套筒内，自带式套筒安装在PDC钻头主体的刀翼中，自动调节装置为被动式液体力学反馈机构，为自带式套筒上安装的切削深度控制元件，基于钻进速度的收缩和快速扩展动作而对外部载荷产生反应，如果遇到对钻井进程不利的情况，切削深度控制元件快速扩展与地层相互啮合并吸取部分钻压，从而以最快的速度达到使振动减小的目的，在正常稳态钻井中变化操作参数时，切削深度控制元件会逐渐缩回，不会吸收钻压并使钻头能够以较大的切削深度向下钻进。PDC钻头具有三个装置套筒，使切削深度控制元件与钻井液相互隔离，并具有压力和温度补偿功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种PDC钻头技术领域，特别是一种新型自调节式PDC钻头。
背景技术
PDC钻头被称为聚晶金刚石钻头，自从几十年前被首次引入到石油天然气钻井工业界依赖，经历了很多次的技术改进，比如切削齿技术的飞速发展和抗回旋技术的成功应用，但是最近所出现的一种技术革新是切削深度(DOC)控制技术。这种切削深度控制技术是于2000年以后被应用于PDC钻头上的，通过管理钻头的切削攻击能力从而有效降低井下扭转振动，然而，目前的钻井工业界所面临的重大挑战之一是单只钻头一次下井钻完底层岩性完全不同的各个井段，基于这种要求，固定式PDC钻头不能实现这一目标，由于固定式PDX钻头本身结构的固有特性，在钻井过程中不得不在某些井段中容忍一定的振动，或者在另一些井段中无法实现历险过的机械钻速ROP。而切削深度控制技术能够有效地提高钻井作业的稳定性以及钻井效率，这对其技术本身而言是一种重大的突破，但是，传统的切削深度控至元件是被固定化在钻头上某个固定的位置且通常只适用于一种特定的岩石硬度，这样，随着钻井深度的增加，就可能会需要更换钻头，增加了钻井过程中的浪费性非生产事件。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够在钻井过程中自动调节切削深度的PDC钻头，这种钻头不但能够延缓钻头的损坏并提高综合机械钻速，同时有利于自动钻井作业的发展并有望使用单只钻头一次性钻完各种难钻井段。其工作特点是通过使切削深度控制特性随时适应不断变化的钻井环境、最大程度地减少钻井过程中的粘/滑现象并有效提高机械钻速，其自动调节装置实际上是一种被封装在自带式套筒内的被动式液体力学反馈机构，装置套筒安装在钻头的刀翼中。
本发明的目的在于提供一种新型自调节式PDC钻头，包括：
PDC钻头主体；
自动调节装置，被封装在所述PDC钻头主体的自带式套筒内，所述自带式套筒安装在所述PDC钻头主体的刀翼中。
优选的，所述自动调节装置为被动式液体力学反馈机构。
优选的，所述被动式液体力学反馈机构为自带式套筒上安装的切削深度控制元件。
优选的，所述切削深度控制元件基于钻进速度的收缩和快速扩展动作而对外部载荷产生反应。
优选的，如果遇到对钻井进程不利的情况，所述切削深度控制元件快速扩展与地层相互啮合并吸取部分钻压，从而以最快的速度达到使振动减小的目的。
优选的，所述不利的情况包括：产生了会引起钻柱粘/滑现象的周期性切削深度波动、在夹层地层中切削深度发生突然变化、或因钻压变化而造成切削深度波动。
优选的，在正常稳态钻井中变化操作参数时，所述切削深度控制元件会逐渐缩回，从而不会吸收钻压并使钻头能够以较大的切削深度向下钻进。
优选的，所述PDC钻头具有三个装置套筒，从而使所述切削深度控制元件与钻井液相互隔离，并具有压力和温度补偿功能，所述切削深度控制元件为故障安全型设计，所述三个装置套筒本身的失效不会使钻头失效，也不会对钻井进程造成严重的影响。
优选的，所述PDC钻头在刚开始钻进时所述切削深度控制元件处于伸展位置。
优选的，对于一定会发生粘/滑现象的情况，所述自动调节装置会针对每个粘/滑周期进行具体的调节，直到这种粘/滑现象被消除或是其严重性得以有效减小后为止。
本发明的有益效果：
本发明的新型自调节式PDC钻头的调节机构中不含任何电子传感元件，因而成本不高，可靠性高，通过各种试验证实该钻头结构能够在更为恶劣的钻井环境中进行高效高质量的钻探工作，可以作为全套自动钻井系统的一个有机组成部分。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的PDC钻头整体结构图；
附图2为根据本发明实施例的单个钻头部分的细节结构图。
具体实施方式
参见图1-2，一种能够在钻井过程中自动调节切削深度的PDC钻头，这种钻头不但能够延缓钻头的损坏并提高综合机械钻速，同时有利于自动钻井作业的发展并有望使用单只钻头一次性钻完各种难钻井段。其工作特点是通过使切削深度控制特性随时适应不断变化的钻井环境、最大程度地减少钻井过程中的粘/滑现象并有效提高机械钻速，其自动调节装置实际上是一种被封装在自带式套筒内的被动式液体力学反馈机构，装置套筒安装在钻头的刀翼中。
自动调节装置的基本工作原理是，切削深度控制元件安装在套筒上，套筒通过专门设计的基于钻进速度的收缩和快速扩展动作而对外部载荷产生反应，这样，只有在钻头出现有害振动时其切削深度控制功能才会被启动，而在正常的稳态钻井条件下该功能不会发生作用，从而能够实现快速和更为有效的钻井进程。
钻头设计带有三个装置套筒，从而使切削深度控制机构与钻井液相互隔离，并具有压力和温度补偿功能。整个装置为精致小巧的可更换型模块设计，便于在钻头刀翼上安装和拆卸。此外，该控制装置为故障安全型设计，套筒组件本身的失效不会使钻头失效，也不会对钻井进程造成严重的影响，钻头可以照样像标准的PDC钻头那样继续钻进。如果遇到对钻井进程不利的情况，比如产生了会引起钻柱粘/滑现象的周期性切削深度波动、在夹层地层中切削深度发生突然变化、或因钻压变化而造成切削深度波动时，切削深度控制元件就会快速扩展与地层相互啮合并吸取部分钻压，从而以最快的速度达到使振动减小的目的。
相反，在正常稳态钻井中变化操作参数时，则切削深度控制元件会逐渐缩回，从而不会吸收钻压并使钻头能够以较大的切削深度向下钻进。如此，在较软的井段、在钻压受到限制的水平井段以及在较高机械钻速为钻井目标的相似情况下，钻井进程就会更快且效率更高。
自调节式PDC钻头在刚开始钻进时其切削深度控制元件处于伸展位置。在一口具有三种不同井段的井内，比如最上部的井段较软且不容易发生粘/滑现象，而下面两个井段的岩层则是不同的，容易发生粘/滑现象的岩性，则钻头的切削深度控制元件会针对每个井段的地层情况作出不同的响应。
在较软的顶部井段岩层中，切削深度控制元件会在几分钟以内逐渐缩回，直到其接触力达到一个较小的值后为止，此时，钻头就像一只标准的PDX钻头那样以一定的钻压(WOB)平稳地向下钻进，而切削深度控制元件则不与地层相啮合。在钻头钻到下面的地层后，如果切削深度控制元件开始快速波动，则整个调节结构就会快速伸展从而使切削深度控制元件与地层相啮和，阻止钻头上突发的内向运动，产生一个较大的接触力。
阻止切削深度加大的结构是能够防止粘/滑现象的发生，但是，如果无论如何都还是会发生粘/滑现象的话，则调节机构就会针对每个粘/滑周期进行具体的调节，直到这种粘/滑现象被消除或是其严重性得以有效减小后为止。
本实施例采用一只8.75英寸的原型钻头进行围压钻井试验，在试验过程中，无论是在快速还是在慢速情况下钻头对切削深度变化的响应达到设计目标。此外进行多种变化地层的井场现场试验，在试验中观察到，该钻头不但能够在钻进过程中有效减小钻柱的粘/滑现象，并且同时提高钻井机械钻速。这是由于本实施例的自调节式钻头能够在多种地层中有效减小粘/滑现象，因而使钻头工作更加稳定，向钻头输送更大的功率，进而大幅提高钻头的综合钻井性能。通过与固定式PDC钻头的对比试验发现，随着对钻井参数进行调节以便以较低的机械比能和更高的机械钻速实现更快和更为有效的钻井过程中，在机械钻速产国每小时10.40米后，固定式PDC钻头便会发生严重的粘/滑现象，而本实施例的自调节PDC钻头在机械钻速达到每小时27.40米时仍没有发生粘/滑现象。
本实施例的新型自调节式PDC钻头的调节机构中不含任何电子传感元件，因而成本不高，可靠性高，通过各种试验证实该钻头结构能够在更为恶劣的钻井环境中进行高效高质量的钻探工作，可以作为全套自动钻井系统的一个有机组成部分。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。
Claims (10)
1.一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于包括：
PDC钻头主体；
自动调节装置，被封装在所述PDC钻头主体的自带式套筒内，所述自带式套筒安装在所述PDC钻头主体的刀翼中。
2.根据权利要求1所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：所述自动调节装置为被动式液体力学反馈机构。
3.根据权利要求2所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：所述被动式液体力学反馈机构为自带式套筒上安装的切削深度控制元件。
4.根据权利要求3所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：所述切削深度控制元件基于钻进速度的收缩和快速扩展动作而对外部载荷产生反应。
5.根据权利要求4所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：如果遇到对钻井进程不利的情况，所述切削深度控制元件快速扩展与地层相互啮合并吸取部分钻压，从而以最快的速度达到使振动减小的目的。
6.根据权利要求5所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：所述不利的情况包括：产生了会引起钻柱粘/滑现象的周期性切削深度波动、在夹层地层中切削深度发生突然变化、或因钻压变化而造成切削深度波动。
7.根据权利要求4所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：在正常稳态钻井中变化操作参数时，所述切削深度控制元件会逐渐缩回，从而不会吸收钻压并使钻头能够以较大的切削深度向下钻进。
8.根据权利要求1所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：所述PDC钻头具有三个装置套筒，从而使所述切削深度控制元件与钻井液相互隔离，并具有压力和温度补偿功能，所述切削深度控制元件为故障安全型设计，所述三个装置套筒本身的失效不会使钻头失效，也不会对钻井进程造成严重的影响。
9.根据权利要求1所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：所述PDC钻头在刚开始钻进时所述切削深度控制元件处于伸展位置。
10.根据权利要求1所述的一种新型自调节式PDC钻头，其特征在于：对于一定会发生粘/滑现象的情况，所述自动调节装置会针对每个粘/滑周期进行具体的调节，直到这种粘/滑现象被消除或是其严重性得以有效减小后为止。
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