CN111287666B - 一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，包括固定连接的钻头接头、钻头冠部；钻头冠部沿圆周方向均匀设置有若干钻头刀翼，钻头刀翼由钻头冠部的侧壁延伸至钻头冠部的端部；钻头刀翼靠近钻头接头一侧的外端面沿径向向外延伸形成保径块；钻头刀翼的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿；钻头刀翼上主切削齿的后端设置有副切削齿；保径块的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿；保径块上主切削齿的后端设置有端部可弹性伸缩的保径副齿。本发明利用可弹性伸缩的保径副齿实现保径块上主切削齿对井壁切削深度自适应调节，从而起到调控钻头整体侧向切削能力的作用。
Description
技术领域
本发明属于钻井工程技术领域，具体涉及一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头。
背景技术
定向井是油气开发最主要的井型，定向钻井是定向井形成的必要手段，造斜和稳斜是定向钻井的两个基本过程，利用一套钻具完成造斜和稳斜过程(一趟钻技术)是现代钻井领域对定向井技术提出的技术要求。其中，旋转导向钻井系统的研制为定向井“一趟钻技术”实现提供了设备支撑，利用侧向推靠力实现钻头侧向切削来达到钻井造斜目的是现有3类旋转导向钻井系统造斜方式中的一种，也是应用最为广泛的一种，而提升该种造斜方式的造斜能力和进一步提高其钻井速度是钻井工程领域一直追求的目标。
针对上面所说的利用侧向推靠力实现造斜过程的钻井方式，现有的提升其造斜能力的方法主要包括：增大推靠力；缩短施加的推靠力与钻头间的距离；优化井底钻具组合，主要为降低上部钻具对推靠力施加单元的干扰。
针对上面所说的利用侧向推靠力实现造斜过程的钻井方式，现有的提升其钻井速度的方法主要包括：强化钻井参数，如钻压、水力参数等；增加提速工具，如动力钻具、射流脉冲发生工具等；提升钻头破岩能力，如利用非平面齿钻头、复合切削钻头等。
上述所说的现有的提升造斜能力的方法在一定程度上提升了推靠式造斜方式的造斜能力，现有的提高钻井速度的方法也起到了提高钻速的效果。然而，在定向钻井时，“一趟钻技术”中很难同时提升造斜能力和钻井速度，具体原因如下：推靠式造斜时提升造斜能力与提高钻井速度相矛盾，即造斜能力强则钻速低，钻井速度快则造斜能力弱；造斜段与稳斜段对于钻头侧向切削能力要求存在矛盾，即造斜段要求钻头造斜侧的侧向切削能力强，而稳斜段要求钻头各个方向的侧向切削能力一致。
因此，研制一种钻头，该钻头在定向井造斜段具有较强的侧向切削能力、在稳斜段各个方向的侧向切削能力一致，同时该钻头还具有较高钻速。则该钻头必然可以推动旋转导向钻井技术新发展，使得定向井技术发展到一个新的台阶。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，包括固定连接的钻头接头、钻头冠部；
所述钻头冠部沿圆周方向均匀设置有若干钻头刀翼，所述钻头刀翼由钻头冠部的侧壁延伸至钻头冠部的端部；
所述钻头刀翼靠近钻头接头一侧的外端面沿径向向外延伸形成保径块；所述保径块的外端面呈柱面结构，所述保径块靠近钻头接头一侧的端面呈斜向上的锥面结构；
所述钻头刀翼的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿；所述钻头刀翼上主切削齿的后端设置有副切削齿；所述钻头刀翼上主切削齿凸出钻头刀翼外端面的高度大于钻头刀翼上副切削齿凸出钻头刀翼外端面的高度；
所述保径块的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿；所述保径块上主切削齿的后端设置有端部可弹性伸缩的保径副齿；所述保径块上的主切削齿、保径副齿均凸出保径块的外端面；
所述钻头接头的中部沿轴线方向设置有贯通的钻井液流道；
所述钻头冠部内部设置有与钻井液流道连通的钻头内腔，所述钻头内腔与钻头冠部外端面之间设置有若干喷嘴流道，所述钻头冠部外端面处的喷嘴流道内设置有钻头喷嘴；所述钻头喷嘴位于相邻的钻头刀翼之间。
优选的，所述保径块外端面上沿径向方向向内设置有保径副齿安装腔，所述保径副齿安装腔的端口处设置有与保径块固定连接的保径副齿稳定块，所述保径副齿安装腔的底端设置有弹性元件；所述保径副齿的一端与弹性元件相连，所述保径副齿的另一端穿过保径副齿稳定块上的保径孔向外凸出。
优选的，所述保径副齿包括穿过保径副齿稳定块上保径孔的推力承载部，所述推力承载部的内端设置扶正部，所述扶正部的侧壁与保径副齿安装腔的内壁进行滑动连接；所述扶正部的内端设置弹性元件导向部。
优选的，所述弹性元件为弹簧；所述弹性元件的一端与保径副齿安装腔的底端固定连接，所述弹性元件的另一端套在弹性元件导向部上且抵在扶正部的内端。
优选的，所述钻头刀翼外端面上远离钻头接头的一侧设置有高效破岩齿。
优选的，高效破岩齿顶部为用来与钻头刀翼连接的破岩齿顶圆面，高效破岩齿底部为破岩齿底圆面，破岩齿顶圆面与破岩齿底圆面之间为破岩齿底坡面，所述高效破岩齿破岩方向最前端为破岩齿前锋，所述破岩齿前锋为刀锋结构。
本发明的有益效果是：
本发明自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头利用凸出的保径块上主切削齿的设置强化钻头在侧向力作用下的侧向切削能力；利用可弹性伸缩的保径副齿实现保径块上主切削齿对井壁切削深度的自适应调节，从而起到调控钻头整体侧向切削能力的作用；利用保径副齿与井壁点接触作为支撑来保径，从而降低侧向力的消耗；利用钻头刀翼上凸出的切削齿能够防止钻头自锁，从而提升造斜能力；利用高效破岩齿提高钻头的钻井速度，达到自适应调控钻头造斜能力及提升钻速的目标。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头的结构示意图；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是本发明中保径块上设置有一个保径副齿时的钻头冠部的结构示意立体图；
图4是本发明中保径块上设置有若干保径副齿时的钻头冠部的结构示意立体图；
图5是本发明中破岩齿的结构示意主视图；
图6是本发明中破岩齿的结构示意右视图；
图7是本发明中破岩齿的结构示意俯视图；
其中：
1-钻头接头，101-钻井液流道，102-钻具组合连接部，103-钻头安装钳口，104-接头外圆面；
2-钻头冠部，201-钻头刀翼，202-保径块，203-主切削齿，204-副切削齿，205-保径副齿安装腔，206-钻头内腔，207-喷嘴流道；
3-保径副齿，301-推力承载部，302-扶正部，303-弹性元件导向部；
4-保径副齿稳定块，5-弹性元件；
6-钻头喷嘴；
7-高效破岩齿，701-破岩齿顶圆面，702-破岩齿前锋，703-破岩齿坡面，704-破岩齿底圆面。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，包括固定连接的钻头接头1、钻头冠部2，具体地，所述钻头接头1与钻头冠部2之间通过焊接进行连接；
如图2-3所示，所述钻头冠部2沿圆周方向均匀设置有若干钻头刀翼201，所述钻头刀翼201由钻头冠部2的侧壁延伸至钻头冠部2的端部；
具体地，位于钻头冠部2侧壁上的钻头刀翼201的外端面呈柱面结构；位于钻头冠部2端部上的钻头刀翼201的外端面呈斜向上的锥面结构；位于钻头冠部2侧壁上的钻头刀翼201外端面与位于钻头冠部2端部上的钻头刀翼201外端面之间通过弧面进行平滑过渡；
所述钻头刀翼201靠近钻头接头1一侧的外端面沿径向向外延伸形成保径块202；所述保径块202的外端面呈柱面结构，所述保径块202靠近钻头接头1一侧的端面呈斜向上的锥面结构；其中，保径块202外端面的柱面直径小于井眼直径；
所述钻头刀翼201的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿203；所述钻头刀翼201上主切削齿203的后端设置有副切削齿204；所述钻头刀翼201上主切削齿203凸出钻头刀翼201外端面的高度大于钻头刀翼201上副切削齿204凸出钻头刀翼201外端面的高度；此处的顺时针是指图2中的顺时针；
其中，钻头刀翼201上主切削齿203用于破岩钻进，钻头刀翼201上副切削齿204用于稳定钻头及主切削齿203破损时代替主切削齿203破岩钻进，延长钻头寿命；
所述保径块202的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿203；所述保径块202上主切削齿203的后端设置有端部可弹性伸缩的保径副齿3；所述保径块202上的主切削齿203、保径副齿3均凸出保径块202的外端面；此处的顺时针是指图2中的顺时针；使用时，主切削齿203及保径副齿3顶端均与井壁接触，用于切削井壁及提供支撑；其中一个保径块202上可以如图1-3所示设置有一个保径副齿3，可以如图4所示沿母线方向设置有若干保径副齿3，其中每个保径块202上的保径副齿3的设置数量根据实际情况而定；
其中，保径块202上主切削齿203用于修整井眼及实现钻头侧向切削，保径副齿5用于控制钻头侧向切削深度，从而控制钻头侧向切削能力；
所述钻头接头1的中部沿轴线方向设置有贯通的钻井液流道101；具体地，如图1所示，钻头接头1由上到下包括钻具组合连接部102、接头外圆面104，接头外圆面104的中部为钻头安装钳口103，接头外圆面104的底端为接头焊接坡口。
所述钻头冠部2内部设置有与钻井液流道101连通的钻头内腔206，所述钻头内腔206与钻头冠部2外端面之间设置有若干喷嘴流道207，所述钻头冠部2外端面处的喷嘴流道207内设置有钻头喷嘴6；所述钻头喷嘴6位于相邻的钻头刀翼201之间。
优选的，所述保径块202外端面上沿径向方向向内设置有保径副齿安装腔205，所述保径副齿安装腔205的端口处设置有与保径块202固定连接的保径副齿稳定块4，所述保径副齿安装腔205的底端设置有弹性元件5；所述保径副齿3的一端与弹性元件5相连，所述保径副齿3的另一端穿过保径副齿稳定块4上的保径孔向外凸出。
优选的，所述保径副齿3包括穿过保径副齿稳定块4上保径孔的推力承载部301，所述推力承载部301的内端设置扶正部302，所述扶正部302的侧壁与保径副齿安装腔205的内壁进行滑动连接；所述扶正部302的内端设置弹性元件导向部303；其中推力承载部301用于为井壁提供支撑力，扶正部302用于实现保径副齿3与保径副齿安装腔205相对稳定滑动，弹性元件导向部303用于保证弹性元件5压缩时沿着径向压缩。保径副齿5的这种可弹性压缩的结构设置用于实现钻头承受侧向力时，受力方向切削深度增加，切削能力增强，并且无侧向力时，钻头各向切削能力均衡。
优选的，所述弹性元件5为弹簧；所述弹性元件5的一端与保径副齿安装腔205的底端固定连接，所述弹性元件3的另一端套在弹性元件导向部303上且抵在扶正部302的内端。
优选的，所述钻头刀翼201外端面上远离钻头接头1的一侧设置有高效破岩齿7。
优选的，如图5-7所示，高效破岩齿7顶部为用来与钻头刀翼201连接的破岩齿顶圆面701，高效破岩齿7底部为破岩齿底圆面704，破岩齿顶圆面701与破岩齿底圆面704之间为破岩齿底坡面703，所述高效破岩齿7破岩方向最前端为破岩齿前锋702，所述破岩齿前锋702为刀锋结构。
本发明自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，可以实现：定向井造斜段强化侧向切削能力、稳斜段无侧向切削能力的自适应调控、全井段钻井速度的提高，具体分析如下：
(1)定向井造斜段强化侧向切削能力：在定向井造斜段，钻头受到侧向推靠力作用时，侧向推靠力的作用使保径副齿3缩入保径副齿安装腔205，从而使保径块202上主切削齿203与保径副齿3之间沿推靠力作用方向上的高度差增加，使得保径块202上主切削齿203在推靠力作用方向的最大切削深度增加，导致钻头的总体侧向切削能力增加；另外，利用保径副齿3与井壁点接触作为支撑实现保径以降低侧向力的消耗，从而使得保径块202上主切削齿203上受到的推靠力更大，从而进一步增加其侧向切削效果。
(2)稳斜段无侧向切削能力的自适应调控：在定向井稳斜段，钻头无侧向推靠力作用时，钻头各方向保径块202上保径副齿3伸出长度相等，使得主切削齿203在各个方向具有相同的切削能力，各向均匀切削导致钻头稳斜钻进。
(3)全井段钻井速度的提高：利用钻头刀翼201外端面上远离钻头接头1的一侧设置的高效破岩齿7降低破岩能量消耗，提高破岩速度；具体地，利用高效破岩齿7底部的破岩齿底圆面704结构与破岩齿底坡面703结构的配合提升钻压下钻头吃入地层效果；利用破岩齿前锋702的刀锋结构降低扭矩作用下钻头破岩难度，提升破岩速度；利用高效破岩齿7与作为普通破岩齿的主切削齿203的配合实现钻头底面各点破岩能力的均衡，克服钻头中心破岩能力低下的缺陷，从而提升钻头整体破岩速度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，其特征是，包括固定连接的钻头接头、钻头冠部；
所述钻头冠部沿圆周方向均匀设置有若干钻头刀翼，所述钻头刀翼由钻头冠部的侧壁延伸至钻头冠部的端部；
所述钻头刀翼靠近钻头接头一侧的外端面沿径向向外延伸形成保径块；所述保径块的外端面呈柱面结构，所述保径块靠近钻头接头一侧的端面呈斜向上的锥面结构；
所述钻头刀翼的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿；所述钻头刀翼上主切削齿的后端设置有副切削齿；所述钻头刀翼上主切削齿凸出钻头刀翼外端面的高度大于钻头刀翼上副切削齿凸出钻头刀翼外端面的高度；
所述保径块的顺时针方向前端沿母线方向设置有若干主切削齿；所述保径块上主切削齿的后端设置有端部可弹性伸缩的保径副齿；所述保径块上的主切削齿、保径副齿均凸出保径块的外端面；
所述钻头接头的中部沿轴线方向设置有贯通的钻井液流道；
所述钻头冠部内部设置有与钻井液流道连通的钻头内腔，所述钻头内腔与钻头冠部外端面之间设置有若干喷嘴流道，所述钻头冠部外端面处的喷嘴流道内设置有钻头喷嘴；所述钻头喷嘴位于相邻的钻头刀翼之间；
所述保径块外端面上沿径向方向向内设置有保径副齿安装腔，所述保径副齿安装腔的端口处设置有与保径块固定连接的保径副齿稳定块，所述保径副齿安装腔的底端设置有弹性元件；所述保径副齿的一端与弹性元件相连，所述保径副齿的另一端穿过保径副齿稳定块上的保径孔向外凸出；
所述钻头刀翼外端面上远离钻头接头的一侧设置有高效破岩齿。
2.如权利要求1所述的自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，其特征是，所述保径副齿包括穿过保径副齿稳定块上保径孔的推力承载部，所述推力承载部的内端设置扶正部，所述扶正部的侧壁与保径副齿安装腔的内壁进行滑动连接；所述扶正部的内端设置弹性元件导向部。
3.如权利要求2所述的自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，其特征是，所述弹性元件为弹簧；所述弹性元件的一端与保径副齿安装腔的底端固定连接，所述弹性元件的另一端套在弹性元件导向部上且抵在扶正部的内端。
4.如权利要求1所述的自适应调控侧向切削能力的高效破岩钻头，其特征是，高效破岩齿顶部为用来与钻头刀翼连接的破岩齿顶圆面，高效破岩齿底部为破岩齿底圆面，破岩齿顶圆面与破岩齿底圆面之间为破岩齿底坡面，所述高效破岩齿破岩方向最前端为破岩齿前锋，所述破岩齿前锋为刀锋结构。
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