CN110359847A - 一种三牙轮pdc同心钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三牙轮PDC同心钻头，由三牙轮钻头和PDC钻头组成，其中三牙轮PDC同心钻头下部前端领眼钻头为三牙轮钻头，紧随其口的扩眼钻头为PDC钻头，由此形成双级钻头，且上下两级钻头旋转轴心重合，三牙轮钻头和PDC钻头通过锥形螺纹正规扣型连接。该三牙轮PDC同心钻头，为三牙轮钻头与PDC钻头的结合，三牙轮钻头为直径较小的领眼钻头，PDC钻头为直径较大的扩眼钻头，二者旋转轴心重合，从而将牙轮钻头与PDC钻头各自的优点结合，实现双级钻头高效破岩，机械钻速潜力较大，提高机械钻速、增加钻头进尺，减少泥包等井下事故的发生，具有广泛的地层适用性，提供深部硬度高的研磨性地层钻井作业提速增效的新技术方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种PDC钻头技术领域，特别是一种三牙轮PDC同心钻头。
背景技术
钻井是勘探、开发石油天然气和深部矿产资源的一个重要环节。作为钻井过程中用于破碎岩石的重要工具，能够根据地层特性及钻井工艺条件选择合适的钻头，是影响钻井速度和成本的主要因素。石油矿产勘探钻井使用的钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀钻头三大类，其中金刚石钻头包括天然金刚石钻头、聚晶金刚石复合片钻头，即PDC钻头和热稳定性聚晶金刚石钻头，即TSP钻头三类。目前钻井作业向深部复杂地层发展，深井、超深井数量增多，传统的三牙轮和PDC钻头破岩效率低，机械钻速慢，单只钻头进尺短，钻头实效情况严重，使用寿命短，导致起换钻频繁，无法满足深部复杂地层钻井提速增效的要求，迫切需要研制破岩效率更高、使用范围广、使用寿命长的新钻头。
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三牙轮PDC同心钻头，为三牙轮钻头与PDC钻头的结合，三牙轮钻头为直径较小的领眼钻头，PDC钻头为直径较大的扩眼钻头，二者旋转轴心重合，从而将牙轮钻头与PDC钻头各自的优点结合，实现双级钻头高效破岩，机械钻速潜力较大，提高机械钻速、增加钻头进尺，减少泥包等井下事故的发生，具有广泛的地层适用性，为实现深部硬度高的研磨性地层钻井作业提速增效提供了新的技术方案。
本发明的目的在于提供一种三牙轮PDC同心钻头，由三牙轮钻头和PDC钻头组成，其中三牙轮PDC同心钻头下部前端领眼钻头为三牙轮钻头，紧随其口的扩眼钻头为PDC钻头，由此形成双级钻头，且上下两级钻头旋转轴心重合。
优选地，所述三牙轮钻头和PDC钻头通过锥形螺纹正规扣型连接。
优选地，所述三牙轮PDC同心钻头中心设置一条贯通的中心流道，PDC钻头部分包括扩眼PDC钻头体以及上接头，上接头设置在扩眼PDC钻头体上方并扣合，扩眼PDC钻头体外侧设置多个切削齿，内壁设置多个向内倾斜的喷嘴。
优选地，所述三牙轮钻头为普通三牙轮钻头，可根据地层情况自由选型。
优选地，所述PDC钻头没有冠部，只有刀翼，刀翼之间设置喷嘴，喷嘴大小根据上下级水力能量分布确定，用于冷却PDC钻头切削齿、清岩和携岩。
优选地，所述三牙轮钻头由本体、牙轮和牙轮上镶装的硬质合金齿、轴承、储油腔和喷嘴部分组成，所述本体内部设置牙轮以及与牙轮呈一定角度设置的轴承，牙轮一侧设置储油腔，另一侧设置喷嘴，喷嘴与所述本体中心设置的中心流道流体相通，所述牙轮与本体由轴承连接。
优选地，所述三牙轮钻头在钻牙和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动作用而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，以单齿和双齿交替与井底相接触，当单齿着力时，轮轴心升高一点，双齿着地时，轮轴心降低一点，如此交替进行，钻头便随牙轮轴心高低的位移产生往复运动，从而产生冲击、压碎岩石作用。
优选地，所述PDC钻头由上接头、钻头体、切削齿和喷嘴组成，所述钻头体中心设置中心流道，上接头中部半径缩小，半径缩小的部分形成卸扣槽，钻头体下部围绕设置切削齿，切削齿内径为保径结构，并设置与所述中心流道贯通的喷嘴。
优选地，所述PDC钻头破碎岩石采用剪切、切削、并辅以压碎和研磨几种方式，当钻进比较软的地层或者其轴向压力足够大的情况下，复合片吃入地层的深度相对较深，在钻头旋转力的综合作用下，地层被剪切和切削破碎，当地层相对比较硬或者轴向压力相对较小时，复合片吃入地层的深度较浅，便会出现轻微的压碎，或者以研磨方式破碎地层，当轴向压力达到或者超过所钻地层的抗压强度时，被钻地层转化为体积破碎方式。
优选地，所述三牙轮PDC同心钻头在易破碎区，先通过三牙轮钻头的冲击和剪切作用破碎岩石，钻出小井眼，紧接着通过PDC扩眼钻头以剪切方式破岩，钻出所需要的设计井眼。
本发明的有益效果：
本发明的三牙轮PDC同心钻头结合了三牙轮钻头和PDC钻头的高校破岩结构，能够有效提高钻精速度，增加进尺，减少起下钻，拓展钻头使用范围，减少泥包等井下事故的发生，包括：
1、三牙轮钻头使用地层范围广、而PDC钻头适用于软至中硬地层。在硬底层中适用三牙轮导眼钻出小井眼，井底岩石地层多出一个自由面，井底应力得到释放，地层硬度相对降低，从而满足了PDC扩眼钻头破岩需求。
2、三牙轮钻头自洗效果好，不易泥包，而在钻进粘性地层时，PDC钻头尤其是冠部位置容易发生泥包，三牙轮PDC同心钻头下部选择三牙轮钻头，改变了PDC钻头冠部形状，解决了PDC钻头冠部易泥包问题。
3、三牙轮钻头钻进所需钻压大，PDC钻头钻进所需钻牙小，三牙轮PDC同心钻头三牙轮导眼钻头位于下部，直接接触井底，承受大部分钻压，而PDC扩眼钻头位于其上部，作用于应力释放的地层，只承受小部分钻压，如此可充分发挥二者优点钻进破岩。
4、三牙轮钻头破碎岩石产生大块岩屑，而PDC扩眼钻头由于其剪切作用，可释放底层应力，地层岩石容易发生破碎。三牙轮PDC同心钻头前端的领眼钻头为三牙轮钻头，该钻头破岩产生的岩屑较大，利于准确判断地质情况。
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三牙轮PDC同心钻头整体结构图；
附图2为根据本发明实施例的三牙轮PDC同心钻头工作原理图；
附图3为根据本发明实施例的三牙轮钻头结构示意图；
附图4为根据本发明实施例的PDC钻头结构示意图。
具体实施方式
传统的三牙轮钻头和PDC钻头结构不同、破岩方式不同，在钻井工艺中各有优势又各有缺点，因此本实施例考虑将三牙轮钻头和PDC钻头有机结合形成三牙轮PDC双级钻头，钻头同心设置，从而提升钻头的地层适用性，发挥最佳破岩效果。
参见图1，三牙轮PDC同心钻头由三牙轮钻头和PDC钻头组成，其中三牙轮PDC同心钻头下部前端领眼钻头为三牙轮钻头，紧随其口的扩眼钻头为PDC钻头，由此形成双级钻头，且上下两级钻头旋转轴心重合。三牙轮钻头和PDC钻头通过锥形螺纹正规扣型连接，方便更换三牙轮钻头。
其中，三牙轮PDC同心钻头中心设置一条贯通的中心流道，PDC钻头部分包括扩眼PDC钻头体以及上接头，上接头设置在扩眼PDC钻头体上方并扣合，扩眼PDC钻头体外侧设置多个切削齿，内壁设置多个向内倾斜的喷嘴。
领眼三牙轮钻头为普通三牙轮钻头，可根据地层情况自由选型。扩眼PDC钻头没有冠部，只有刀翼，刀翼之间设置喷嘴，喷嘴大小根据上下级水力能量分布确定，主要用于冷却PDC钻头切削齿、清岩和携岩。
三牙轮PDC同心钻头的双级结构改变了传统钻头的切削破岩方式，采取分级破岩的方式，参见图2，在易破碎区，先通过三牙轮钻头的冲击和剪切作用破碎岩石，钻出小井眼，紧接着通过PDC扩眼钻头以剪切方式破岩，钻出所需要的设计井眼。领眼钻头直径较小，有较高的机械钻速潜力；领眼钻出之后，井底岩石底层多出了一个自由面，井底应力得到释放，有利于后续扩眼钻头破碎岩石，能够有效提高机械钻速，提高钻头破岩效率，三牙轮PDC同心钻头扩展钻头适应地层范围。
参见图3，三牙轮钻头钻头包括本体，内部设置牙轮以及与牙轮呈一定角度设置的轴承，牙轮一侧设置储油腔，另一侧设置喷嘴，喷嘴与所述本体中心设置的中心流道流体相通。三牙轮钻头由本体、牙轮和牙轮上镶装的硬质合金齿、轴承、储油腔和喷嘴部分组成，牙轮与本体由轴承连接。三牙轮钻头在钻牙和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动作用而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，以单齿和双齿交替与井底相接触，当单齿着力时，轮轴心升高一点，双齿着地时，轮轴心降低一点，如此交替进行，钻头便随牙轮轴心高低的位移产生往复运动，从而产生冲击、压碎岩石作用。由于三牙轮钻头的超顶、复锥和移轴，使牙轮齿对地层具有一定的滑动剪切和研磨作用。三牙轮钻头工作时，破岩扭矩小，比压高，易于吃入地层；切削齿与井底接触面积小，工作刃总长度大，因而可相对减少磨损。
三牙轮钻头使用于从松软到坚硬的各种地层，特别是在喷射式牙轮钻头和长喷嘴牙轮钻头出现后，牙轮钻头的钻井速度提高。牙轮钻头按照牙齿类型可以分为铣齿(钢齿)牙轮钻头、镶齿(牙轮上镶装硬质合金齿)牙轮钻头，三牙轮钻头通过牙齿的冲击和滑动产生的剪切双重作用破碎岩石，破岩效率高；三牙轮钻头破碎岩石所产生的岩屑块较大，利于分辨岩屑，准确判断地质情况；三牙轮钻头自洗效果好，利于冲洗牙轮，不容易形成泥包；三牙轮钻头本体不能重复利用，在一定程度上拉高了钻井成本；三牙轮钻头因为其结构特点的限制，钻进过程中牙轮容易遗落井底，造成井下事故。
参见图4，PDC钻头包括上接头和钻头体，钻头体中心设置中心流道，上接头中部半径缩小，半径缩小的部分形成卸扣槽，钻头体下部围绕设置切削齿，切削齿内径为保径结构，并设置与所述中心流道贯通的喷嘴。参见图4，PDC钻头主要由上接头、钻头本体、切削齿和喷嘴组成。PDC钻头破碎岩石主要有剪切、切削、并辅以压碎和研磨几种方式。当钻进比较软的地层或者其轴向压力足够大的情况下，复合片吃入地层的深度相对较深，在钻头旋转力的综合作用下，地层被剪切和切削破碎，当地层相对比较硬或者轴向压力相对较小时，复合片吃入地层的深度较浅，便会出现轻微的压碎，或者以研磨方式破碎地层，当轴向压力达到或者超过所钻地层的抗压强度时，被钻地层转化为体积破碎方式，该破碎方式被认为是最好的破碎方式。
PDC钻头适用于软到中硬质均质地层。在高抗压强度、致密胶结的研磨性砂岩、隧石和花岗岩、刚玉、黄铁矿、砾石等地层中使用效果不佳。PDC钻头包括：PDC钻头主要以剪切方式破碎岩石，在软至中硬均质地层中破岩效率较高；PDC钻头切削齿具有自锐性，能始终保持较高的机械钻速；PDC钻头本体和切削齿耐磨性高，寿命长；PDC钻头所需钻压较低，在吊打情况下能保持较高的机械钻速；PDC钻头主要通过切削齿剪切和破碎岩石，本体抗冲击性能好，不易损坏，可重复使用，一定程度上降低了钻井成本；PDC钻头切削齿抗冲击性能差，且其对水力结构设计要求较高，易发生泥包；PDC钻头适用于高转速、高排量钻井作业，对设备要求相对较高；PDC钻头破碎岩石产生的岩屑基本上是粒度很细的粉末，在岩屑录井作业时不易准确判断井下情况；PDC钻头由于自身特性，易造成在定向井中发生井斜和方位控制问题，因而现场定向井多使用牙轮钻头。
本实施例采用三牙轮PDC双级同心钻头，与目前使用的双级PDC钻头相比，抗冲击性能更好，目前使用的双级PDC钻头中，PDC复合片抗冲击性能较差，而三牙轮PDC双级通信钻头的领眼钻头为三牙轮钻头，破岩时可以使得易碎区域经验产生局部垮塌，有效降低对扩眼PDC钻头复合片的冲击力，所以抗冲击性能好，可在含有沙砾的地层钻进；经济性好，三牙轮PDC同心钻头将双级PDC钻头的领眼PDC钻头换成了可拆卸的三牙轮钻头，领眼PDC钻头可单独拆换，从而降低钻头整体使用成本。
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)
1.一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：由三牙轮钻头和PDC钻头组成，其中三牙轮PDC同心钻头下部前端领眼钻头为三牙轮钻头，紧随其口的扩眼钻头为PDC钻头，由此形成双级钻头，且上下两级钻头旋转轴心重合。
2.根据权利要求1所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述三牙轮钻头和PDC钻头通过锥形螺纹正规扣型连接。
3.根据权利要求1所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述三牙轮PDC同心钻头中心设置一条贯通的中心流道，PDC钻头部分包括扩眼PDC钻头体以及上接头，上接头设置在扩眼PDC钻头体上方并扣合，扩眼PDC钻头体外侧设置多个切削齿，内壁设置多个向内倾斜的喷嘴。
4.根据权利要求3所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述三牙轮钻头为普通三牙轮钻头，可根据地层情况自由选型。
5.根据权利要求1所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述PDC钻头没有冠部，只有刀翼，刀翼之间设置喷嘴，喷嘴大小根据上下级水力能量分布确定，用于冷却PDC钻头切削齿、清岩和携岩。
6.根据权利要求1所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述三牙轮钻头由本体、牙轮和牙轮上镶装的硬质合金齿、轴承、储油腔和喷嘴部分组成，所述本体内部设置牙轮以及与牙轮呈一定角度设置的轴承，牙轮一侧设置储油腔，另一侧设置喷嘴，喷嘴与所述本体中心设置的中心流道流体相通，所述牙轮与本体由轴承连接。
7.根据权利要求6所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述三牙轮钻头在钻牙和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动作用而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，以单齿和双齿交替与井底相接触，当单齿着力时，轮轴心升高一点，双齿着地时，轮轴心降低一点，如此交替进行，钻头便随牙轮轴心高低的位移产生往复运动，从而产生冲击、压碎岩石作用。
8.根据权利要求1所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述PDC钻头由上接头、钻头体、切削齿和喷嘴组成，所述钻头体中心设置中心流道，上接头中部半径缩小，半径缩小的部分形成卸扣槽，钻头体下部围绕设置切削齿，切削齿内径为保径结构，并设置与所述中心流道贯通的喷嘴。
9.根据权利要求8所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述PDC钻头破碎岩石采用剪切、切削、并辅以压碎和研磨几种方式，当钻进比较软的地层或者其轴向压力足够大的情况下，复合片吃入地层的深度相对较深，在钻头旋转力的综合作用下，地层被剪切和切削破碎，当地层相对比较硬或者轴向压力相对较小时，复合片吃入地层的深度较浅，便会出现轻微的压碎，或者以研磨方式破碎地层，当轴向压力达到或者超过所钻地层的抗压强度时，被钻地层转化为体积破碎方式。
10.根据权利要求1所述的一种三牙轮PDC同心钻头，其特征在于：所述三牙轮PDC同心钻头在易破碎区，先通过三牙轮钻头的冲击和剪切作用破碎岩石，钻出小井眼，紧接着通过PDC扩眼钻头以剪切方式破岩，钻出所需要的设计井眼。
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