CN110607993B - 一种内外翻转式防卡钻钻头 - Google Patents

Abstract

一种内外翻转式防卡钻钻头，通过螺纹配合与钻杆连接，由螺纹管头、连接底座和钻头本体组成，钻头本体由偶数数量的钻体单元构成。钻头本体于正常钻进和上提时呈直筒状，当卡钻现象发生时，钻柱系统中的钻具旋转监测感应器连动控制器分批次启动间隔的钻体单元从滑轨外限位卡槽沿滑轨做径向向内滑动，经滑轨中间卡槽，至滑轨内限位卡槽处完成180度内外翻转后再反向滑动返回至滑轨外限位卡槽，转换后的钻头本体外形呈鼓状。钻体单元滑动和内外翻转的过程中，借助钻头本体外形及侧面楔形体沟槽的变化，充分利用活动、振动、摩擦、刮削、缩径以及缓冲的原理实现有效解卡，具有较高的工程实际应用价值。

Description

一种内外翻转式防卡钻钻头

技术领域

本发明涉及一种内外翻转式防卡钻钻头，即一种通过螺纹连接于钻杆的钻井工具，属于石油工程钻井工具设计制造与技术领域。

背景技术

钻井钻头是用来破碎岩石以形成井眼的工具，是钻探及相关行业常用的一种钻井工具。钻头按类型主要分为刮刀钻头、牙轮钻头、金刚石钻头及PDC钻头。刮刀钻头以切削方式破碎岩石；牙轮钻头凭借整体围绕钻头轴线旋转及牙轮自转产生的周期性纵向振动使钻柱不断压缩与伸张，下部钻柱把这种周期性变化的弹性变形通过牙齿转化为对地层的冲击作用力用以破损岩石；金刚石钻头利用镶嵌在钻头胎体上的金刚石颗粒，以犁削、压碎或磨削的方式破碎不同性质的岩石；PDC钻头则是利用能自锐的PDC切削齿切入地层，以切削的方式破碎岩石。

实际钻井工程中，钻头类型的合理选择、钻压和钻速的合理控制是保证各类型钻头使用寿命以及钻井操作得以顺利进行的基本要点。然而，即使保证了基本要点，在钻头钻进及上提过程中，由于各种原因也可能造成钻具陷在井内不能自由活动（卡钻），如沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻、泥包卡钻等。目前，为了消除和防止钻井卡钻现象的发生，除了通过活动、震击、倒扣、套铣、浸泡、磨蚀和爆炸的方式进行解卡外，很多工程技术人员和研究者从钻井钻头的结构和设计上进行了开发和创新。

发明内容

就卡钻形成的原因结合现行外加解卡方式，本发明提供一种内外翻转式防卡钻钻头，从钻头的结构和运行方法上来解决钻井卡钻的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在钻铤下部的钻杆上安装一种内外翻转式防卡钻钻头。该钻头由螺纹管头、连接底座和钻头本体组成，钻头本体由若干钻体单元构成，连接底座分布有径向滑轨。钻井过程中，钻头本体在正常钻进和上提时呈直筒状，当卡钻现象发生时，控制器触发钻头本体的钻体单元交替沿滑轨向中心滑动，钻体单元完成内外翻转后再沿滑轨向外滑动，使钻头本体呈鼓状。解卡后，钻体单元经滑轨通过翻转使钻头本体由鼓状恢复为直筒状。钻头本体内外翻转的外形变化，使钻头在卡钻发生时，充分利用活动、振动、摩擦、刮削、缩径以及缓冲的原理消除沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻以及泥包卡钻等问题，实现有效解卡。

上述螺纹管头与钻杆的螺纹配合用于连接钻铤和钻头，内部中空，垂直投影面呈圆环形。

上述连接底座为中空圆柱体，垂直投影面呈圆环，与螺纹管头具有相同中轴线。连接底座垂直于中轴线的一端圆环面与螺纹管头的圆环面一体化连接，另一端圆环面以中心点为源点呈放射状分布有滑轨，以保证钻体单元在控制器作用下沿滑轨做径向滑动。滑轨数量为偶数，每根滑轨带有1个内限位卡槽、1个外限位卡槽及多个中间卡槽。钻体单元滑至滑轨的内限位卡槽处完成180度内外翻转；钻体单元滑至滑轨的外限位卡槽处时，钻头本体具有最大外径尺寸。钻体单元的内外翻转使得钻头本体的侧面外形发生变化，钻头本体鼓状侧面形成区域缩径。当处于特殊地层结构或空间受阻时，钻头本体以较小外形尺寸对地层岩石进行磨削，可以避免卡钻现象的发生。钻体单元交替沿滑轨做径向滑动至中间卡槽的操作，可以调整相邻钻体单元之间形成的沟槽大小，使得原本夹杂在沟槽内易产生卡钻的物质从钻头本体上脱落下来，实现解卡。

上述钻头本体由与滑轨数量相同的同规格钻体单元通过连接底座端面滑轨的定位构成侧壁带有轴向沟槽的三维实体，该三维实体具有缩径和变形特点。钻体单元的特殊外形使得其所构成的钻头本体外形呈直筒状或鼓状，钻头本体侧面轴向沟槽是相邻钻体单元之间形成的楔形体缝隙，沟槽的形成使得钻体单元发挥了等效于刮刀钻头破碎岩石的作用。沟槽的楔形体缝隙沿滑轨径向内小外大，且在钻体单元沿连接底座端面滑轨做径向滑动时，其楔形体缝隙大小可变，相当于相邻两个钻体单元发生活动与摩擦，使夹杂于沟槽内的沉砂、岩屑、泥浆等易引发卡钻的物质通过剪切、刮削、振动等作用从钻头上脱落下来，进而实现解卡。而且，沟槽的楔形体缝隙构造使得夹杂在沟槽内易引发卡钻的物质在钻头高速旋转的离心力作用下被抛甩掉落，促进解卡。

上述钻体单元是垂直投影为盾形的瓣状体，瓣状体内部嵌有与钻杆轴向一致的360度旋转的转轴，钻体单元在控制器的作用下沿转轴发生180度旋转，所有转轴构成以连接底座滑轨作为构架的笼形罩体。垂直投影为盾形、外形呈瓣状体的钻体单元，其轴侧视角是一对平行的上、下水平端面及两对侧面。一对侧面为曲率半径大小不同、方向相反，且曲率半径方向同垂直于钻杆的两个外凸弧面。两个外凸弧面上沿钻杆轴向方向均分布有切削牙齿，起到对岩石的磨切作用。其中，大曲率半径外凸弧面具有与钻杆相同轴向的母线，即其与垂直平面剖面的交线是一系列平行于钻杆轴线的线段，而小曲率半径外凸弧面与垂直平剖面的交线是一系列平行弧线。另一对侧面，是其外延面之间能够形成楔形体的两个平面。

上述钻体单元于正常情况下，其两个外凸弧面中，大曲率半径外凸弧面处于钻头本体外侧面，小曲率半径外凸弧面处于钻头本体内侧面，此时钻头本体外形呈直筒状，垂直于钻杆轴向的钻头端面的面积较大，钻头本体侧面的楔形体沟槽开口相对较小。钻头在钻进和上提过程中，当感应器监测到钻头速度降至下限额值（卡钻现象发生）时，将连动控制器启动彼此间隔的钻体单元内部的转轴沿连接底座的端面径向滑轨滑动至滑轨内限位卡槽，并控制钻体单元沿转轴同向旋转180度，使钻体单元处于钻头本体外侧面和内侧面的外凸弧面发生对调。此时，钻体单元两个外凸弧面中，小曲率半径外凸弧面处于钻头本体外侧面，大曲率半径外凸弧面处于钻头本体内侧面，钻头本体外形呈鼓状，垂直于钻杆轴向的钻头端面的面积较小，钻头本体侧面的楔形体沟槽开口相对较大。因此，在发生卡钻问题时，钻体单元以内、外翻转重组的模式使钻头本体的外形由端面面积较大的直筒状转化为端面面积较小的鼓状，钻头本体外侧面所呈现的缩径变化使地层岩石作用于钻头本体外侧面的压力得以缓冲，而且钻头本体外侧面楔形体沟槽开口由小变大，不仅使钻体单元发挥了等效于刮刀的切削作用，同时加强了夹杂于钻体单元沟槽内易引发卡钻物质的活动性和脱落性，有效实现解卡。控制器经过两个或以上批次交替启动钻体单元沿连接底座端面滑轨做径向滑动及完成内、外180度翻转操作，能够有效地避免钻体单元侧面内外弧面存在大小差异因空间局限性产生的翻转受阻问题。

与现有技术相比，本发明充分利用活动、振动、摩擦、刮削、缩径以及缓冲的原理，采用通过连接底座端面分布的径向滑轨实现对钻头本体的钻体单元分批次交替进行滑动及内、外180度翻转，改变钻头本体的形状及侧面楔形体沟槽状态来消除沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻以及泥包卡钻问题，实现有效解卡，具有较强的工程实际应用性。

附图说明

图1是非卡钻状态下钻头本体呈直筒状的钻头侧视图。

图2是卡钻状态下钻头本体呈鼓状的钻头侧视图。

图3是非卡钻状态下钻头本体呈直筒状的钻头A-A剖面示意图。

图4是卡钻状态下钻头本体呈鼓状的钻头B-B剖面示意图。

图5是非卡钻状态下钻体单元通过滑轨与连接底座连接的俯视图。

图6是卡钻状态下钻体单元通过滑轨与连接底座连接的俯视图。

图7是非卡钻状态下钻体单元通过滑轨与连接底座连接的侧视图。

图8是卡钻状态下钻体单元通过滑轨与连接底座连接的侧视图。

图中：1.螺纹管头，2.连接底座，3.钻头本体，4.钻体单元，5.转轴，6.滑轨，7.中空内圈，8.内限位卡槽，9.中间卡槽，10.外限位卡槽，41.大曲率半径外凸弧面，42.小曲率半径外凸弧面，43.切削牙齿。

具体实施方式

本发明实施例中内外翻转式防卡钻钻头由螺纹管头、连接底座和钻头本体组成，钻头本体由若干钻体单元构成。

本发明实施例中，螺纹管头与钻杆的螺纹配合，内部中空，垂直投影面呈圆环形。

本发明实施例中，连接底座为中空圆柱体，垂直投影面呈圆环形。连接底座一端圆环面以中心点为源点呈放射状分布有滑轨，滑轨数量为偶数。每根滑轨带有1个内限位卡槽、1个外限位卡槽及多个中间卡槽。

本发明实施例中，钻头本体数量与滑轨数量相同。钻头本体在正常钻进和上提时呈直筒状，在卡钻发生时呈鼓状。钻头本体侧面带有楔形体缝隙沟槽。

本发明实施例中，钻体单元是一个垂直投影为盾形的瓣状体，其轴侧视角是一对平行的上、下水平端面及两对侧面。

本发明实施例中，钻体单元的一对侧面为曲率半径大小不同、方向相反且曲率半径方向同垂直于钻杆的两个外凸弧面，其另一对侧面是其外延面之间能够形成楔形体的两个平面。

本发明实施例中，钻体单元的两个外凸弧面侧面中，大曲率半径外凸弧面具有与钻杆相同轴向的母线，即其与垂直平剖面的交线是一系列平行于钻杆轴线的线段，而小曲率半径外凸弧面与垂直平剖面的交线是一系列平行弧线。

本发明的实施例：

通过钻柱系统中的速度监测感应器监测到钻具在钻井过程中的钻进或上提速度，并在钻具速度突降发生卡钻问题时连动控制器执行滑动和翻转操作，使得外径尺寸和外形发生变化的一种内外翻转式防卡钻钻头，其在非卡钻状态下钻头本体呈直筒状的钻头侧视图和A-A剖面示意图以及钻体单元通过滑轨与连接底座连接的俯视图和侧视图分别如附图1、附图3、附图5和附图7所示，在卡钻状态下钻头本体呈鼓状的钻头侧视图和B-B剖面示意图以及钻体单元通过滑轨与连接底座连接的俯视图和侧视图分别如附图2、附图4、附图6和附图8所示。钻头的螺纹管头（1）一端通过螺纹与钻杆配合实现钻头本体（3）与钻铤的连接，另一端与内部中空的连接底座（2）的一个端面一体化连接。连接底座（2）另一个端面表面以中心为源点，呈放射状分布有数量为偶数的滑轨（6）。嵌入钻体单元（4）中的转轴（5）将数量与滑轨(6)数量相同的钻体单元（4）与滑轨对应相连，使得垂直投影为盾形的全部瓣状体钻体单元（4）围绕连接底座（2）中轴线排列成钻头本体（3）。组成钻头本体（3）的相邻两个钻体单元的侧平面之间构成呈楔形体的轴向沟槽，沟槽的形成使得钻体单元（4）发挥了等效于刮刀钻头破碎岩石的作用，沟槽的楔形体缝隙沿滑轨（6）径向内小外大。连接底座（2）的中空内圈（7）与偶数数量的滑轨（6）和嵌入钻体单元（4）中的转轴（5）构成一个笼形罩体骨架。连接底座（2）端面上的每根滑轨（6）均带有1个内限位卡槽（8）、1个外限位卡槽（10）及多个中间卡槽（9）。由一对平行水平端面、一对外凸弧面及一对侧平面构成的钻体单元（4）凭借嵌于钻体单元（4）中的转轴沿滑轨（6）做径向滑动及内、外翻转，不仅可以改变钻头本体（3）的外径大小，而且可以改变钻头本体（3）的外形。当钻头正常钻进或上提时，所有钻体单元（4）被固定于滑轨（6）的外限位卡槽（10）；钻体单元（4）两个外凸弧面中，具有与钻杆相同轴向母线，即与垂直平剖面的交线是一系列平行于钻杆轴线线段的大曲率半径外凸弧面（41）作为钻头本体（3）的外侧面，而与垂直平剖面的交线是一系列平行弧线的小曲率半径外凸弧面（42）作为钻头本体（3）的内侧面。此时，钻头本体（3）外侧面呈直筒状，钻头本体外径达最大，在地层结构中保持正常的钻进或上提速度。当钻柱系统中的速度监测感应器监测到钻具在钻井过程中的钻进和上提速度突降，即发生卡钻问题时，感应器连动控制器对钻头本体（3）上相互间隔的钻体单元（4）分两个或两个以上批次沿滑轨（6）做径向向内滑动。间隔的钻体单元（4）交替滑动至滑轨（6）的中间卡槽的过程中，可以扩大相邻钻体单元（4）之间形成的沟槽区域，加上卡槽定位及脱位的活动使得原本夹杂在沟槽内易产生卡钻的物质从钻头本体（3）上脱落下来，实现解卡。当钻体单元（4）沿滑轨（6）径向滑动至内限位卡槽（8）时，各钻体单元（4）沿转轴（5）进行同向180度旋转，转换钻体单元（4）的大曲率半径外凸弧面（41）成为钻头本体（3）的内侧面，而钻体单元（4）的小曲率半径外凸弧面（42）成为钻头本体（3）的外侧面。此时，钻头本体（3）外侧面呈鼓状，形成区域缩径，使地层岩石作用于钻头本体（3）侧面的压力得以缓冲，而且钻头本体（3）侧面楔形体沟槽开口由小变大，不仅使钻体单元（4）发挥了等效于刮刀的切削作用，同时加强了夹杂于钻体单元（4）沟槽内易引发卡钻物质的活动性和脱落性，有效实现解卡。交替控制间隔的钻体单元（4）分批次沿连接底座端面滑轨（6）做径向向内滑动及完成180度翻转操作，能够有效地避免钻体单元（4）侧面内外弧面存在大小差异因空间局限性产生的滑动及内、外翻转受阻问题。卡钻问题解除后，感应器监测到钻具在钻井过程中的钻进或上提速度增加到正常数值范围内时，重复分批次交替启动间隔钻体单元（4）沿滑轨做径向滑动及完成180度翻转，转换钻体单元（4）大曲率半径外凸弧面（41）成为钻头本体（3）的外侧面，钻体单元（4）小曲率半径外凸弧面（42）成为钻头本体（3）的内侧面，钻头本体（3）外侧面恢复为直筒状。

Claims (6)

1.一种内外翻转式防卡钻钻头，由螺纹管头、连接底座和钻头本体组成，钻头本体由若干钻体单元构成；连接底座一端与螺纹管头一体化连接，另一端分布有滑轨，以保证钻头本体的钻体单元在控制器作用下沿滑轨做径向滑动；钻井过程中，当钻柱系统中的钻具旋转监测感应器监测到钻头本体旋转速度突降，即卡钻现象发生时，感应器连动控制器分批次交替启动间隔的钻体单元从滑轨外限位卡槽沿滑轨做径向向内滑动，经滑轨中间卡槽，至滑轨内限位卡槽处完成180度内外翻转后再沿滑轨做径向向外滑动；钻头本体由与滑轨数量相同的同规格钻体单元通过连接底座端面滑轨的定位构成侧壁带有轴向沟槽的三维实体，钻井过程中，钻头本体在正常钻进和上提时呈直筒状，卡钻现象发生时，感应器连动控制器分批次交替启动间隔的钻体单元沿滑轨进行滑动并完成内外翻转的同时，钻头本体外形经转换呈鼓状，该三维实体具有缩径和变形特点；钻体单元进行内外翻转及钻头本体变形的过程中，充分利用活动、振动、摩擦、刮削、缩径以及缓冲的原理消除沉砂卡钻、井塌卡钻、落物卡钻、砂桥卡钻以及泥包卡钻问题，实现有效解卡。

2.根据权利要求1所述的一种内外翻转式防卡钻钻头，所述的连接底座为中空圆柱体，垂直投影面呈圆环形，连接底座一端圆环面以中心点为源点呈放射状分布有滑轨，滑轨数量为偶数，每根滑轨带有1个内限位卡槽、1个外限位卡槽及多个中间卡槽。

3.根据权利要求2所述的一种内外翻转式防卡钻钻头，所述的钻头本体在正常钻进和提出时呈直筒状，在卡钻发生时呈鼓状，钻头本体侧面带有楔形体缝隙沟槽。

4.根据权利要求1所述的一种内外翻转式防卡钻钻头，所述的钻体单元是一个垂直投影为盾形的瓣状体，其轴侧视角是一对平行的上、下水平端面及两对侧面，钻体单元的一对侧面为曲率半径大小不同、方向相反且曲率半径方向同垂直于钻杆的两个外凸弧面，其另一对侧面是其外延面之间能够形成楔形体的两个平面。

5.根据权利要求1所述的一种内外翻转式防卡钻钻头，所述的钻体单元的两个外凸弧面侧面中，大曲率半径外凸弧面具有与钻杆相同轴向的母线，即其与垂直平剖面的交线是一系列平行于钻杆轴线的线段，而小曲率半径外凸弧面与垂直平剖面的交线是一系列平行弧线。

6.根据权利要求2所述的一种内外翻转式防卡钻钻头，所述的钻头本体呈直筒状时，其钻体单元的大曲率半径外凸弧面组成钻头本体的外侧面，钻体单元的小曲率半径外凸弧面组成钻头本体的内侧面，而钻头本体呈鼓状时，其钻体单元的大曲率半径外凸弧面组成钻头本体的内侧面，钻体单元的小曲率半径外凸弧面组成钻头本体的外侧面。

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