CN110145240A - 一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头 - Google Patents

一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头 Download PDF

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牛世伟
林兆虎
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Abstract

本发明公开了一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,属于钻探领域。钻头包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴,所述刀翼上设置有刮切齿,至少一个刀翼在钻头的周向位置延伸有加强座,加强座上设置有刮切齿。本发明技术能够实现切削结构的局部加强,增强硬地层钻进的工作寿命,同时能够降低钻头在硬地层钻进过程中,因振动造成的切削齿过早失效。

Description

一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头
技术领域
本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程钻孔施工、地质钻探、地热钻探、水文钻探、隧道工程、盾构及非开挖等技术设备领域,特别是涉及一种钻进钻头。
背景技术
钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具,常用的有聚晶金刚石复合片钻头(PDC钻头)、牙轮钻头以及孕镶金刚石钻头。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨性、具有自锐能力的聚晶金刚石复合片来剪切岩石,PDC钻头凭借在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长,钻进成本低等优点,在油气勘探、地热钻井作业等工程中得到了广泛使用。以PDC钻头为代表的固定切削齿钻头通常都具有若干个刀翼,刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件(对PDC钻头,切削元件主要是聚晶金刚石复合片,简称复合片或PDC齿)。
据资料显示,仅占总进尺20%的深部复杂地层,就花费了整个钻井周期80%的总成本。难钻地层主要是指地层的可钻性差,具体表现为岩石的硬度高、不均质程度高、研磨性强、温度高等。这些岩石性质条件可能存在各种复杂的组合、变化,且一般都具有较大的不可预知性,特别是在深井、超深井的深部地层表现尤其突出。钻头在复杂难钻地层中钻进的寿命短,需消耗更多的钻头,同时造成起下钻频繁,这已成为制约钻井工程降本增效的技术瓶颈之一。
在钻井过程中,PDC钻头的切削齿在钻压的作用下克服地应力吃入地层,在扭矩的驱动下剪切破碎地层材料。相比于牙轮钻头冲击碾压的破岩方式,所需驱动扭矩较大。钻进深部难钻地层时,特别是在钻遇软硬交错、含砾地层时,钻头吃入地层深度频繁变化,钻头周向和轴向振动剧烈。此时,钻头切削齿承受大的周向轴向冲击载荷,导致钻头崩齿、损坏、钻具断脱、及其他井下工具和测量仪器的损坏,严重影响钻进效率。特别是在钻头的外三分之一区域的切削齿,由于线速度大,更容易受到损坏。当PDC钻头切削齿发生磨损后,为保持一定的机械钻速,经常增加钻压,而扭矩对钻压特别敏感,随着钻压的增加,扭矩增大,这就使钻头的工况更加恶劣,钻头更容易发生失效。
如何增加PDC钻头在深部难钻地层中的工作寿命,减小钻头扭矩对钻压的敏感程度,是延长井下钻具和钻头的使用寿命,是提高钻井效率的重要技术难题。
发明内容
本发明的目的在于:提出一种钻井用的PDC钻头,实现切削结构的局部加强,增强硬地层钻进的工作寿命,同时能够降低钻头在硬地层钻进过程中,因振动造成的切削齿过早失效。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴,所述刀翼上设置有刮切齿,至少一个刀翼在钻头的圆周方向延伸有加强座,加强座上设置通过齿窝而安装的刮切齿。
对于本发明所涉及的钻头本体、刀翼、水眼、喷嘴为本领域公知的概念,在此不做赘述,可以参考如图1~9及图12~14,为本发明钻头的结构示意图,其中,1为钻头体、2为刀翼、3为刮切齿、4为水眼或喷嘴。
“刮切齿”是指以刮切、剪切作用破碎岩石的切削元件,主要包括PDC齿(聚晶金刚石复合片)、TSP齿(热稳定金刚石聚晶片)、斧脊齿、以及具有微切削功能的孕镶卧齿、以及其他具有非平面的金刚石切削齿。刮切齿的材料还可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。
上述方案还有意想不到的效果:第一,在轴向方向上,无论是常规钻井,还是导向钻井,在某种特殊情况下(例如钻头在一定钻压下,由硬地层突然进入软地层),加在钻头上的钻压突然释放,将会使钻头产生冲击,刮切齿上的比压大幅增加,容易造成刮切齿的损坏。本发明技术的加强座连同其上的刮切齿,在这种情况下,能够限制刮切齿的吃入过深,提供更多的支撑点或区域,分担部分钻压,减小振幅,对刀翼上的刮切齿形成一个很好的保护;第二,当加强座设置在钻头外部区域参与保径时,能够增加钻头的圆度,减小多边形效应。
作为优选,加强座延伸自刀翼前端和/或后端,且与钻头体相连接。
上述方案中,所述的刀翼前端,是指某一刀翼在旋转方向上靠前的一端,即切削齿工作面靠近的部分,请参阅图5标注21。与之相反的为刀翼后端,请参阅图5标注22。该方案中,加强座延伸自刀翼前端或后端,且与钻头体相连接,这种结构在加强了刀翼上切削齿的同时,还加强刀翼强度。容易理解的是,加强座亦可以同时延伸自一个刀翼的前端和后端,进一步的刀翼上切削齿的加强。
作为优选,加强座延伸自刀翼前端和/或后端,且不与钻头体相连。
上述方案中,加强座延伸自刀翼前端和/或后端,加强座与钻头体不具有连接关系,这种设置能够有效地避开钻井液及岩屑从井底流出的流道空间,不影响钻头的携岩能力和排屑能力。
作为优选,加强座在钻头的圆周方向上,由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面,且与钻头体不相连。
上述方案中,这种缓冲座结构其形状类似于道路交通中的桥梁,能够为刮切齿的安装提供足够空间的同时,保留了钻井液及岩屑从井底流出的流道空间,不影响钻头的携岩能力和排屑能力。特别的,加强座设置于钻头的保径区域,且加强座与相连接两刀翼之间的保径处形成一个光滑的整体。从而形成局部区域的全保径。增加了钻头保径面积,能起到很好的自扶正效果,极大地提高钻头的稳定性,减少钻头涡动,延长钻头使用寿命。另外,对于PDC钻头来说,处于钻头外锥处的刮切齿较其他位置线速度大,容易受到更大的冲击载荷而失效。加强座的设置,能够加强外部刮切齿在深部难钻地层中的性能。
需要说明的是,上述结构也同样可以理解为由刀翼后端延伸至所述刀翼在逆旋转方向相邻刀翼的前端。
作为优选,加强座钻头的圆周方向上,由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面,且与钻头体相连。
作为优选,刮切齿为金刚石复合片。
本方案中,金刚石复合片(PDC齿),一般为工作面为平面的刮切齿,其工作面的形状为圆形、椭圆形、菱形、多边形、或为它们之间的组合。本案中的金刚石刮切齿还包括工作面为非平面的切削齿,如斧脊齿、凹面齿、以及不同形状组成的工作面。
进一步的,刮切齿为孕镶卧齿。
进一步的,刮切齿为斧脊齿。
作为优选,加强座应用于包含盘刀切削结构的复合钻头。
作为优选,加强座应用于包含牙轮切削结构的复合钻头。
作为优选,加强座应用于包含冲击切削结构的复合钻头。
本发明的有益效果:
1、本发明技术能够实现切削结构的局部加强,增加钻头在硬地层、不均质地层、含砾地层的可持续钻进能力。
2、本发明技术方案,能够增加在钻进方向上的支撑点或区域,减弱钻头钻进过程中的轴向振动以及扭转振动现象。
3、当加强座位于钻头外部区域参与保径的方案,能够增加钻头的圆度,减小多边形效应,增强钻头的保径能力,同时钻头钻进时的自扶正能力增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施方式提供的加强座前置的钻头结构示意图,且加强座与钻头体不相连。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明实施方式提供的加强座后置的钻头结构示意图,且加强座与钻头体不相连。
图4是本发明实施方式提供的加强座同时前置和后置的钻头结构示意图,且加强座与钻头体不相连。
图5是本发明实施方式提供的加强座前置的钻头结构示意图,且加强座与钻头体相连。
图6是本发明实施方式提供的加强座连通于相邻两刀翼的钻头结构示意图,加强座与钻头体相连,加强座位于钻头外部区域。
图7是本发明实施方式提供的连通于相邻两刀翼形成桥梁加强座的钻头结构示意图,桥梁式加强座位于钻头外部区域,同时加强座上还设置有缓冲齿。
图8是本发明实施方式提供的连通于相邻两刀翼形成桥梁加强座的钻头结构示意图,桥梁式加强座位于钻头内部不同区域。
图9是本发明实施方式提供的钻头结构示意图,且任意相邻两刀翼之间均设置有桥梁式加强座结构。
图10、11分别为本发明实施方式提供的平面刮切齿和非平面刮切齿。
图12 是本发明实施方式提供的加强座应用于包含有牙轮切削结构的钻头示意图。
图13 是本发明实施方式提供的加强座应用于包含有盘刀切削结构的钻头示意图。
图14 是本发明实施方式提供的加强座应用于包含有冲击切削结构的钻头示意图。
图中标记相应名称:1-钻头体、2-刀翼、3-切削齿、4-喷嘴或水眼、5-加强座、6-刮切齿、7-缓冲齿、21-刀翼前面、22-刀翼后面、200-加强座与刀翼间的凹槽。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例
本发明实施例提供了一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,请参阅图1-9为本发明可能实施的部分方案,包括钻头体1、延伸自钻头体1或固定在钻头体1上的若干个刀翼2、水眼或喷嘴4,所述刀翼上设置有刮切齿3,至少一个刀翼2在钻头的圆周方向延伸有加强座5,加强座上设置通过齿窝而安装的刮切齿3。
钻头还包括钻头轴线,在破岩过程中,钻头可绕钻头轴线转动,使刀翼2上的刮切齿3与岩石之间发生相对运动,从而破碎岩石。已破除的岩石,通过排削槽由钻井液携带入环空。
刮切齿3的工作面的形状为平面(参阅图10),其形状可以为圆形、椭圆形、腰鼓形、菱形、环形、多边形、以及它们之间的组合。刮切齿3的工作面还可以为非平面,如凹面齿、斧脊齿、具有平面和外凸面组合的金刚石刮切齿(参阅图11)等等。刮切齿3的材料可以为人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。
本发明技术除对刀翼2上局部刮切齿3加强外,还有意想不到的效果:第一,在轴向方向上,在某种特殊情况下,加在钻头上的钻压突然释放,将会使钻头产生冲击,刮切齿3上的比压大幅增加,容易造成刮切齿3的损坏。本发明技术的加强座5连同其上的刮切齿3,在这种情况下,能够限制刀翼2上刮切齿3的吃入过深,提供更多的支撑点或区域,分担部分钻压,减小振幅,对刀翼2上的刮切齿3形成一个很好的保护;第二,加强座5设置在保径处时,能够增加钻头的圆度,减小多边形效应。
参阅图1、3、4、7、9,加强座5延伸自刀翼2体,但与钻头体1不连接,能够保证钻井液及岩屑从井底流出的流道空间,不影响钻头的携岩能力和排屑能力。图5、6加强座5同时也与钻头体1相连接,能够增加刀翼2体的强度。
图1、3、4分别为加强座5延伸自刀翼2前端21、后端22、同时延伸自前端21和后端22的结构方案。特别地,加强座5在相邻两个刀翼2之间形成桥梁式的结构,请参阅图7,这种结构的形成可以看作是在旋转方向上由刀翼2的前端面21延伸至相邻刀翼2的后端面22,或由刀翼2的后端22向逆钻进方向上延伸至相邻刀翼2的前端21。图8为桥梁式结构应用在钻头的靠近心部位置。
需要特殊说明的是:
本发明技术同样可以应用于包含有盘刀切削结构、牙轮切削结构、冲击切削结构的复合钻头中。图12显示了本发明技术应用于交叉刮切复合钻头中,图13显示了本发明技术应用于牙轮-PDC复合钻头中,图14显示了本发明技术应用于冲击复合钻头中。

Claims (10)

1.一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,包括钻头体、延伸自钻头体或固定在钻头体上的若干个刀翼、水眼或喷嘴,所述刀翼上设置有刮切齿,其特征在于:至少一个刀翼在钻头的圆周方向延伸有加强座,所述加强座上设置有通过齿窝固定的刮切齿。
2.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:加强座延伸自刀翼前端和/或后端,与钻头体相连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:加强座延伸自刀翼前端和/或后端,不与钻头体相连。
4.根据权利要求1所述的一种在深部难道地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:加强座在钻头的圆周方向上,由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面,且与钻头体相连。
5.根据权利要求1所述的一种在深部难道地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:加强座在钻头的圆周方向上,由刀翼前端面延伸至所述刀翼相邻刀翼后端面,且不与钻头体相连。
6.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:所述刮切齿为金刚石复合片。
7.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:所述刮切齿为孕镶齿。
8.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:所述加强座应用于包含盘刀切削结构的复合钻头。
9.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:所述加强座应用于包含牙轮切削结构的复合钻头。
10.根据权利要求1所述的一种适用于硬地层钻进的金刚石钻头,其特征在于:所述加强座应用于包含冲击切削结构的复合钻头。
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CN113187403A (zh) * 2021-04-30 2021-07-30 西南石油大学 一种具有滑动式自适应缓冲结构的金刚石钻头
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