CN110725651B - 一种壳式包裹防卡钻取心钻头 - Google Patents

Abstract

一种壳式包裹防卡钻取心钻头，通过螺纹配合与钻杆连接，由螺纹管头、芯轴底座、定位销、取心本体、瓣式壳体和翻转轴构成。钻头钻进时，瓣式壳体被定位销锁住，并与取心本体组成“双层碗”模式，在对地层岩石破碎过程中岩心进入取心本体内腔。定位销解锁瓣式壳体后，瓣式壳体180度翻转，与取心本体组成“非等径球体”模式，并利用其环状复合金刚石刮削片完成对岩心的切割截取操作。取心本体和瓣式壳体的特有结构及瓣式壳体两瓣壳体的分体翻转，不仅能够环切岩石实现取心和护心，还具有抗冲击性能，可以有效解决沉砂、井塌、落物、砂桥及泥包卡钻的问题，能较好地适应软、中、硬地层，具有较高的工程实际应用价值。

Description

一种壳式包裹防卡钻取心钻头

技术领域

本发明涉及一种壳式包裹防卡钻取心钻头，即一种通过螺纹连接于钻杆的钻井工具，属于钻采装备制造技术领域。

背景技术

岩心是油田宝贵的基础资料。通过对岩心的观察研究，可以直接了解地下岩层的岩性、物性和含油、气、水产状特征。油田钻井所用取心钻头，是环空旋转破碎井底岩石，在中心部位形成岩心柱的关键工具。取心钻头的种类很多,在结构上差别也很大。目前，根据破岩方式取心钻头分为切削型、微切削型和研磨型3种类型；根据破碎岩石主体结构分为牙轮、刮刀和筒状取心钻头。钻头钻进和上提过程中，为减少和避免由于沉砂、井塌、落物、砂桥、泥包等各种原因产生的卡钻问题，研究和设计一种有利于形成岩心并保护岩心，同时可以实现有效解卡的钻头，在油田钻井和录井工程中具有实际应用价值。

发明内容

以有利于形成岩心、保护及取出岩心为主线，结合卡钻形成的原因，本发明提供一种壳式包裹防卡钻取心钻头，是一种既能够环切岩石实现取心和护心，同时具有抗冲击性能的防卡钻钻头，可以有效解决沉砂、井塌、落物、砂桥及泥包卡钻的问题，较好地适应软、中、硬地层。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在钻杆端部安装壳式包裹防卡钻取心钻头。该钻头由螺纹管头、芯轴底座、定位销、取心本体、瓣式壳体和翻转轴构成。钻头钻进过程中，瓣式壳体由定位销卡位固定于芯轴底座，取心本体与瓣式壳体呈内、外双层半球体的“双层碗”模式，并以芯轴底座的芯杆为轴随芯轴底座做同轴360度旋转，实现对地层岩石的破碎，岩心进入半球缺状的取心本体内腔。定位销解锁瓣式壳体后，瓣式壳体在翻转轴控制下实现180度翻转，并在翻转中以瓣式壳体的环状复合金刚石刮削片完成对岩心的切割截取操作，并将包裹在由小径半球体的取心本体与大径半球体的瓣式壳体构成的封闭空间中的岩心保护起来，即“非等径球体”模式下完成取心和护心操作。瓣式壳体在被定位销卡位锁住以及解锁阶段，其半球弧面外表面以及弧面上的磨削齿分别在钻头上提和钻进中对与其表面接触的地层岩石和落物起到切削和磨削的作用。而且，定位销对瓣式壳体解锁后，瓣式壳体的两瓣壳体在分体翻转过程中对附着于其上的沉砂、落物、砂桥以及泥等物质进行刮削和抛甩，进而实现解卡。

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。

上述芯轴底座是一侧端面中心一体化成型有芯杆的圆柱体，芯杆与圆柱体底座端面垂直。圆柱体底座另一侧端面与螺纹管头的圆环面一体化连接。圆柱体底座上均匀分布有若干个作为钻井液等液体流动通道的贯穿性液流孔，孔口的形状呈圆形、方形或异形。当钻井液的液体经钻杆内部中空通道流经螺纹管头内腔，再经贯穿性液流孔沿瓣式壳体或取心本体的外表面流入井底，避免了钻井液等流体对取心本体采集的岩心进行直接冲击和腐蚀。圆柱体底座上均匀分布有非贯穿性销槽，销槽槽口与芯杆处于圆柱体底座同侧端面，销槽数量及其断面形状与定位销相匹配。芯轴底座销槽内腔具有多个卡位，对定位销起到滑位和定位作用。

上述翻转轴由固定端和旋转端组成。固定端嵌入取心本体下底环形面，与取心本体一体化成型。固定端呈圆柱状，数量2个，沿取心本体下底环形面径向直线方向对称分布。圆柱体的固定端轴长与取心本体下底环形面宽度一致。每个固定端沿取心本体下底环形面径向外端内嵌圆柱体旋转端。旋转端与固定端同轴，旋转端轴长与瓣式壳体底部环形面宽度一致。旋转端嵌入瓣式壳体底部环形面中，与瓣式壳体一体化成型。当需要对取心本体中采集的岩心进行切割截取操作或钻头在钻进过程中出现卡钻问题时，翻转轴经由控制器控制其旋转端进行180度旋转，使与其旋转端一体化成型的瓣式壳体完成180度翻转操作。

上述取心本体与芯轴底座一侧端面的芯杆一体化成型，是以芯杆作为中轴的空腔半球体，内腔呈球缺状。球缺状内腔面与半球体外表面之间为实心材质，下底环形面上均匀分布有具有凸齿，对地层岩石起到破碎研磨的作用。取心本体下底环形面径向直线方向上分布一对对称的圆柱体端头，即翻转轴的固定端，该端头与环形面上的凸齿表面相平。固定端嵌入取心本体下底环形面，并与取心本体、芯轴底座和螺纹管头一体化成型。当钻杆在钻井旋转系统控制下进行360度旋转操作时，该一体化成型结构保证了取心本体与芯轴底座和螺纹管头随钻杆同步旋转运行。

上述瓣式壳体由两瓣具有一定厚度的钢壳构成，两瓣壳体组合后呈瓢虫外壳状半球体，壳体外表面一体化复合耐磨材质涂层。两瓣壳体的外表面均匀分布有磨削齿，磨削齿对地层岩石和卡钻物质具有磨削作用。当卡钻发生时，其半球体结构和弧形外表面的特征具有抗冲击性，且有利于钻头在旋转操作中与卡钻物质松动脱离。两瓣壳体之间的对接面为一对具有一定宽度的平行半圆环面，环面的宽度与钢壳的厚度一致，芯轴底座的芯杆位于这对半圆环面的中间。两瓣壳体对接面之间，以及对接面与芯轴底座的芯杆之间具有磁控性，保证了两瓣壳体之间以及壳体与芯轴底座的芯杆之间对接组合的吻合性和组合强度。两瓣壳体分别与两个翻转轴的旋转端一体化成型，瓣式壳体的平底环形面嵌有翻转轴的旋转端，能够保证瓣式壳体随翻转轴同步旋转。瓣式壳体的平底环形面一体化复合金刚石刮削片。两瓣壳体外表面均分布有非贯穿性销槽，销槽槽口与芯轴底座销槽槽口同轴直线相向对应，销槽数量及其断面形状与定位销相匹配。销槽内腔具有多个卡位，对定位销起到滑位和定位作用。钻头正常钻进进行岩心取样时，瓣式壳体的两瓣壳体分别通过定位销固定于芯轴底座，保证瓣式壳体被锁住，不会发生翻转。瓣式壳体的两瓣壳体组合成的下底环形面与取心本体半球体下底环形面共面，两瓣壳体组合成的半球体内表面与取心本体半球体外表面贴合，岩心进入并被包裹于取心本体内腔。此时，瓣式壳体和取心本体形成了大、小碗碗口均朝向钻头钻进方向，且大碗扣在小碗之上的“双层碗”模式。当需要对取心本体中采集的岩心进行切割截取操作或钻头在钻进过程中出现卡钻问题时，翻转轴经由控制器控制其旋转端进行180度旋转，使瓣式壳体的两瓣壳体随旋转端分别完成180度翻转操作。翻转过程中，瓣式壳体下底环形面一体化复合金刚石刮削片完成对取心本体内腔中岩心的切割截取操作。翻转后的两瓣壳体如同一个大碗将取心本体内腔包裹的岩心承托保护起来，避免岩心在钻头钻进和上提中受损，也减缓了钻井液等液体对岩心的冲蚀。此时，瓣式壳体和取心本体形成了大、小碗碗口分别为背向和朝向钻头钻进方向，即小碗扣在大碗上的“非等径球体”模式。无论是上面“小碗”的取心本体还是下面“大碗”的瓣式壳体，半球体的弧面外表面在钻头的钻进和上提过程中均起到缓冲和解卡的作用。而且，瓣式壳体的两瓣壳体的分体翻转操作，充分发挥了切削、摩擦和振动作用，以消除沉砂卡钻、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。

上述定位销，呈棒状卡位于芯轴底座销槽中。定位销断面呈圆形、多边形或异形，其数量与芯轴底座销槽和瓣式壳体销槽一致。当钻头进行岩心取样操作时，即“双层碗”模式下，棒状定位销经由控制器控制，其两端分别卡位于芯轴底座销槽与瓣式壳体销槽中，使瓣式壳体被锁住固定连接于芯轴底座，不会发生翻转。当需要对取心本体中采集的岩心进行切割截取操作或钻头在钻进过程中出现卡钻问题时，即“非等径球体”模式下，棒状定位销经由控制器控制，使其沿芯轴底座销槽向内滑位并卡位，其朝向芯轴底座外部的一端从瓣式壳体销槽中脱离，解锁瓣式壳体并使其两瓣壳体在控制器控制下进行180度分体翻转。反之，当瓣式壳体与取心本体需要恢复“双层碗”模式时，棒状定位销经由控制器控制，使其沿芯轴底座销槽向外滑位并卡位，再次使其两端分别卡位于芯轴底座销槽与瓣式壳体销槽中，瓣式壳体被重新锁住固定连接于芯轴底座，不会发生翻转。

与现有技术相比，本发明采用瓣式壳体包裹取心本体的方式，在“双层碗”和“非等径球体”两种模式的周期性转换下，既能够环切岩石实现取心和护心，同时具有抗冲击性能，可以有效解决沉砂、井塌、落物、砂桥及泥包卡钻的问题，能较好地适应软、中、硬地层，具有较强的工程实际应用性。

附图说明

图1是“双层碗”模式下钻头结构示意图及A-A视图。

图2是“非等径球体”模式下钻头结构示意图。

图3是取心本体结构示意图。

图4是瓣式壳体结构示意图。

图5是钻头一体化成型部位结构示意图。

图6是芯轴底座结构示意图及B-B视图。

图中：1.螺纹管头，2.芯轴底座，3.取心本体，4.瓣式壳体，5.翻转轴，6.定位销，21.液流孔，22.芯杆，23.芯轴底座销槽，31.取心本体外表面，32.取心本体内腔，33.下底环形面凸齿，34.下底环形面，41.瓣式壳体内表面，42.瓣式壳体外表面，43.瓣式壳体销槽，44.磨削齿，45.复合金刚石刮削片，51.固定端，52.旋转端。

具体实施方式

本发明实施例中壳式包裹防卡钻取心钻头由螺纹管头、芯轴底座、定位销、取心本体、瓣式壳体和翻转轴构成。

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，芯轴底座是一侧端面中心一体化成型有芯杆的圆柱体，芯杆与圆柱体底座端面垂直，圆柱体底座另一侧端面与螺纹管头的圆环面一体化连接。

本发明实施例中，芯轴底座的圆柱体底座上均匀分布有若干个作为钻井液等液体流动通道的贯穿性液流孔，孔口的形状呈圆形、方形或异形。

本发明实施例中，圆柱体底座上均匀分布有非贯穿性销槽，销槽槽口与芯杆处于圆柱体底座同侧端面，销槽数量及其断面形状与定位销相匹配。

本发明实施例中，取心本体与芯轴底座一侧端面的芯杆一体化成型，取心本体是以芯杆作为中轴的空腔半球体，内腔呈球缺状，以包裹容纳岩心。

本发明实施例中，翻转轴的固定端为圆柱体，沿取心本体下底环形面径向直线方向对称分布，固定端轴长与取心本体下底环形面宽度一致。

本发明实施例中，翻转轴的旋转端为圆柱体，与固定端同轴嵌入固定端沿取心本体下底环形面径向外端，旋转端轴长与瓣式壳体底面环宽度一致。

本发明实施例中，瓣式壳体由两瓣具有一定厚度的钢壳构成，两瓣壳体组合后呈瓢虫外壳的半球体，壳体外表面一体化复合耐磨涂层。

本发明实施例中，瓣式壳体的两瓣壳体之间的对接面为一对具有一定宽度的平行半圆环面，环面的宽度与钢壳的厚度一致，芯轴底座的芯杆位于这对半圆环中心。两瓣壳体对接面之间以及对接面与芯轴底座的芯杆之间具有磁控性，保证了两瓣壳体之间以及壳体与芯轴底座的芯杆之间对接组合的吻合性和组合强度。

本发明实施例中，瓣式壳体的两瓣壳体分别与两个翻转轴的旋转端一体化成型，瓣式壳体的平底面一体化复合金刚石刮削片。

本发明实施例中，瓣式壳体的两瓣壳体外表面均有非贯穿性销槽，销槽槽口与芯轴底座销槽槽口同轴直线对应，销槽数量及其断面形状与定位销相匹配。销槽内腔具有多个卡位，对定位销起到滑位和定位作用。

本发明实施例中，定位销呈棒状卡位于芯轴底座的销槽中。定位销断面呈圆形、多边形或异形，其数量与芯轴底座销槽和瓣式壳体销槽一致。

本发明的实施例：

执行岩心切割截取操作以及通过速度监测感应器监测到钻具在钻井过程中的钻进速度，并在钻具速度突降发生卡钻问题连动控制器执行定位销滑位卡位变换操作和瓣式壳体翻转操作，使取心本体和瓣式壳体的组合在“双层碗”和“非等径球体”两种模式下进行周期性转换的一种壳式包裹防卡钻取心钻头，其“双层碗”模式下钻头结构示意图及A-A视图如图1所示，“非等径球体”模式下钻头结构示意图如图2所示，取心本体结构和瓣式壳体结构示意图示意图分别如图3和图4所示，钻头一体化成型部位结构示意图如图5所示，芯轴底座结构示意图及B-B视图如图6所示。钻头的螺纹管头（1）一端通过螺纹与钻杆配合进而实现取心本体（3）与钻铤的连接，另一端与芯轴底座（2）的圆柱体底座端面一体化连接。钻井液经由螺纹管头（1）的中空管心，通过芯轴底座（2）上的液流孔（21）流入井底。钻头正常钻进进行岩心取样时，同翻转轴（5）的旋转端（52）一体化成型的瓣式壳体（4）的两瓣壳体以瓢虫外壳的半球体外形与同翻转轴（5）的固定端（51）一体化成型的取心本体（3）组成大、小碗碗口均朝向钻头钻进方向，且大碗扣在小碗之上的“双层碗”模式。此时，瓣式壳体内表面（41）贴合于取心本体外表面（31）。棒状定位销（6）经由控制器控制，使其两端分别卡位于芯轴底座销槽（23）与瓣式壳体销槽（43）中，将瓣式壳体（4）固定连接于芯轴底座（3），瓣式壳体（4）被牢牢锁住不会发生翻转。钻杆在钻井旋转系统的控制下，带动一体化成型的螺纹管头（1）、芯轴底座（2）及与芯杆（22）一体化成型的取心本体（3）发生旋转，取心本体下地环形面（34）上均匀分布的下底环形面凸齿（33）对地层岩石进行切削和磨削破碎，同时岩心进入取心本体内腔（32）。当对取心本体（3）中采集的岩心进行切割截取操作或钻头在钻进过程中出现卡钻问题时，棒状定位销（6）经由控制器控制，使其沿芯轴底座销槽（23）向内滑位并卡位，其朝向芯轴底座（2）外部的一端从瓣式壳体销槽（43）脱离，瓣式壳体（4）进而被解锁。翻转轴（5）经由控制器控制旋转端（52）进行180度旋转，进而使瓣式壳体（4）的两瓣壳体分别完成180度翻转操作。翻转过程中，瓣式壳体（4）平底面一体化复合金刚石刮削片（45）完成对取心本体内腔（32）中采集包裹的岩心进行切割截取操作。此时，瓣式壳体（4）和取心本体（3）形成了大、小碗碗口分别为背向和朝向钻头钻进方向，小碗扣在大碗上的“非等径球体”模式。瓣式壳体（4）的两瓣壳体如同一个大碗将取心本体内腔（32）包裹的岩心承托保护起来，避免岩心在钻头钻进和上提中受损，也减缓了钻井液等液体对岩心的冲蚀。在钻头钻进和上提过程中，与地层岩石进行直接接触的取心本体（3）和瓣式壳体（4）的半球体的弧面结构，具有缓冲抗冲击性，且有利于钻头在旋转操作中与卡钻物质松动脱离实现解卡。瓣式壳体外表面（42）均匀分布的磨削齿（44）对地层岩石和卡钻物质具有磨削作用，促进解卡。瓣式壳体（4）的两瓣壳体的分体翻转操作，经切削、摩擦和振动作用充分消除沉砂卡钻、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。当瓣式壳体（4）与取心本体（3）需要恢复“双层碗”模式后，棒状定位销（6）经由控制器控制，使其沿芯轴底座销槽（23）向外滑位并卡位，其两端分别恢复卡位于芯轴底座销槽（23）与瓣式壳体销槽（43），使瓣式壳体（4）重新固定连接于芯轴底座（2）再次被牢牢锁住。

Claims (5)

1.一种壳式包裹防卡钻取心钻头，由螺纹管头、芯轴底座、定位销、取心本体、瓣式壳体和翻转轴组成，螺纹管头、芯轴底座、取心本体和翻转轴一体化成型；取心本体是以芯轴底座的芯杆作为中轴的空腔半球体；瓣式壳体由两瓣具有一定厚度的钢壳构成，两瓣壳体组合后呈瓢虫外壳的半球体，两瓣壳体对接面之间具有磁控性，保证了两瓣壳体之间对接组合的吻合性和组合强度；芯轴底座的芯杆位于瓣式壳体的两瓣壳体之间对接面的中心，两瓣壳体与芯轴底座的芯杆之间具有磁控性，保证了壳体与芯轴底座的芯杆之间对接组合的吻合性和组合强度；瓣式壳体与芯轴底座之间通过定位销进行卡位固定或卡位解锁；翻转轴由固定端和旋转端组成，固定端沿取心本体下底环的径向直线方向对称分布，旋转端与固定端同轴嵌入取心本体下底环的径向外端。

2.根据权利要求1所述的一种壳式包裹防卡钻取心钻头，其特征是：钻头钻进过程中，瓣式壳体由定位销卡位固定于芯轴底座，通过翻转轴连接的取心本体与瓣式壳体呈内、外双层半球体的“双层碗”模式，取心本体下底环形面上的凸齿对地层岩石进行破碎，岩心进入取心本体内腔；定位销解锁瓣式壳体后，瓣式壳体的两瓣壳体随翻转轴进行180度分体翻转，两瓣壳体在翻转中通过瓣式壳体的环状复合金刚石刮削片完成对岩心的切割截取操作，并将包裹在由小径半球体的取心本体与大径半球体的瓣式壳体构成的封闭空间内的岩心保护起来，在“非等径球体”模式下完成取心操作；瓣式壳体在被定位销卡位锁住以及解锁阶段，瓣式壳体的半球弧面外表面以及弧面上的磨削齿分别在钻头上提和钻进中对与其表面接触的地层岩石和落物均到切削和磨削的作用，而且瓣式壳体在定位销对其解锁完成两瓣壳体分体翻转的过程中，对附着于其上的沉砂、落物、砂桥以及泥物质进行刮削和抛甩，进而实现解卡。

3.根据权利要求1所述的一种壳式包裹防卡钻取心钻头，所述的取心本体的半球体空腔内部呈球缺状，以包裹容纳岩心。

4.根据权利要求1所述的一种壳式包裹防卡钻取心钻头，所述的翻转轴固定端呈圆柱状，固定端的轴长与取心本体下底环宽度一致；旋转端呈圆柱状，旋转端的轴长与瓣式壳体底面环宽度一致。

5.根据权利要求1所述的一种壳式包裹防卡钻取心钻头，所述的瓣式壳体的壳体外表面一体化复合耐磨涂层；瓣式壳体的两瓣壳体之间的对接面为一对具有一定宽度的平行半圆环面，环面的宽度与钢壳的厚度一致；瓣式壳体的平底面一体化复合金刚石刮削片，用以对取心本体内腔中采集包裹的岩心进行切割截取操作。

Images