CN111608589B - 一种井底应力诱导卸荷钻头及其提高钻井速度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种井底应力诱导卸荷钻头及其提高钻井速度方法。其技术方案是：支撑块、弹簧、应力卸荷齿母体均安装于钻头体的肩部的专用安装孔内，所述应力卸荷齿安装于应力卸荷齿母体之上；所述弹簧安装于应力卸荷齿母体靠近钻头体内部一侧；所述应力卸荷齿母体和应力卸荷齿的结合体可以相对于弹簧轴线方向滑动；所述钻头体的钻头刀翼外侧设有钻头切削齿，所述应力卸荷齿的伸出长度大于钻头切削齿的伸出长度。有益效果是：本发明实现了应力卸荷齿领先于钻头体冠部底端的钻头切削齿破碎井底形成圆环槽井底，释放井底应力，之后钻头体冠部底端的钻头切削齿在压力和扭矩下破岩，通过先释放应力，再井底全面破岩，实现整个破岩提高钻进速度过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻井工程领域，特别涉及一种井底应力诱导卸荷钻头及其提高钻井速度方法。
背景技术
提高钻井破岩效率的方法主要有提高井底破岩工具的破岩能量、优化井底破岩能量及释放井底岩石的应力三种，前两种方法最为常用，但在超深井特深井钻井过程中，因存在井底破岩能量衰减严重的问题而无法得到较好的应用，释放井底岩石应力从而提高钻井速度的方法以超高压射流辅助破岩提速技术为代表，但直到目前为止，该类技术所需工具结构复杂、安装繁琐且钻井效率不高，用超高压射流辅助破岩提速技术至今仅有井下钻柱减振增压技术达到了现场应用的要求，并进行了推广应用，但该种方法需要在钻头上方增压井下减振增压装置方能实现其目标，限制了其应用范围，若能够开发出一种钻头，通过钻头本身结构即可以释放井底岩石应力，则必将大范围推广。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种井底应力诱导卸荷钻头及其提高钻井速度方法，既能够达到自动释放井底应力的目标，发挥井底应力诱导卸荷提高钻井速度效果，又能够延长破岩工具的使用寿命，减少非钻进时间。
本发明提到的一种井底应力诱导卸荷钻头，其技术方案是：包括钻头体（2）、支撑块（7）、弹簧（6）、应力卸荷齿母体（5）和应力卸荷齿（4），所述支撑块（7）、弹簧（6）、应力卸荷齿母体（5）均安装于钻头体（2）的肩部的专用安装孔（204）内，所述应力卸荷齿（4）安装于应力卸荷齿母体（5）之上，并且位于钻头体（2）外侧；所述弹簧（6）安装于应力卸荷齿母体（5）靠近钻头体内部一侧，且位于支撑块（7）与应力卸荷齿母体（5）之间；所述应力卸荷齿母体（5）和应力卸荷齿（4）的结合体可以相对于弹簧轴线方向滑动；所述专用安装孔（204）位于钻头体的肩部；所述钻头体（2）的钻头刀翼（202）外侧设有钻头切削齿（203），所述应力卸荷齿（4）的伸出长度大于钻头切削齿（203）的伸出长度。
优选的，上述钻头体（2）由上部钻具连接接头（1）和钻头体冠部组成，所述上部钻具连接接头（1）外侧上部为钻具连接扣（101），外侧中部为圆柱面，外侧底端为接头焊接坡口（104），圆柱面中部为上扣钳口（103），上部钻具连接接头内侧上部为钻井液小流道（102），内侧下部为钻井液大流道。
优选的，上述钻头体冠部顶端为钻头体焊接坡口（205），所述钻头体焊接坡口（205）与所述接头焊接坡口（104）相匹配，钻头体冠部外侧上部为钻头冠部外表面，所述钻头冠部外表面为圆柱面，其直径与上部钻具连接接头外侧中部的圆柱面直径相等，所述钻头冠部还包括钻头钢体（206）、钻头刀翼（202）和钻头切削齿（203），所述钻头切削齿（203）安装在钻头刀翼（202）的外部，钻头体冠部内侧上部为钻井液腔，钻井液腔的腔体直径与所述钻井液大流道直径相同，钻头钢体（206）内设有贯穿钻头钢体的喷嘴流道（201），喷嘴流道（201）的外端安装有喷嘴（3）。
优选的，上述专用安装孔（204）贯穿钻头钢体，专用安装孔（204）轴线垂直于钻头肩部的切线；专用安装孔（204）靠近钻头外部直径小于靠近钻头内侧直径，专用安装孔（204）靠近钻头钻井液腔一侧带有螺纹。
优选的，上述应力卸荷齿母体（5）由两个不同直径圆柱组合而成，所述应力卸荷齿（4）安装于小直径圆柱顶端；所述小直径圆柱与专用安装孔（204）靠近钻头外部一端间隙配合；所述大直径圆柱于专用安装孔（204）靠近钻头内部一端间隙配合。
优选的，上述支撑块（7）为带有螺纹的圆柱体，安装于专用安装孔（204）靠近钻头钻井液腔带有螺纹一侧。
优选的，上述应力卸荷齿（4）前端为斧形结构（4.1），底端为压入圆柱面（4.2），两侧为侧翼保形面（4.3）。
本发明提到的井底应力诱导卸荷钻头实现提高钻井速度方法，包括以下步骤：
1）所述井底应力诱导卸荷钻头下入井底，应力卸荷齿（4）优先接触井底，在钻压及扭矩的作用下将井底提前破碎出一道圆环槽；
2）钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）接触到井底，在压力和扭矩下破岩；
3）钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）破岩时，应力卸荷齿（4）领先于钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）继续破碎井底形成圆环槽井底，之后钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）在压力和扭矩下持续破岩，实现提高钻井速度，并完成整个钻井过程。
本发明的有益效果是：本发明实现了应力卸荷齿领先于钻头体冠部底端的钻头切削齿破碎井底形成圆环槽井底，释放井底应力，之后钻头体冠部底端的钻头切削齿在压力和扭矩下破岩，通过先释放应力，再井底全面破岩，实现整个破岩提高钻进速度过程，具有以下优势：
1）可达到仅利用钻头即可诱导卸荷井底应力提高井底破岩钻进速度的效果，提速思路独特；
2）本发明的钻头原理及结构简单，容易制造，使用过程不需要安装其他工具，不影响其它钻井工序的实施；
3）适用范围广，可用于直井、定向井等各种井型，可以直接连接于钻铤，亦可以与动力钻具、脉冲射流发生装置等工具配合使用；
4）应力卸荷齿如果损坏，钻头仍可以发挥普通钻头的作用；
5）钻井过程中，操作施工跟常规钻井完全相同，对地面设施、钻井管柱、钻头类型没有特殊要求，有利于推广和应用。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是应力卸荷齿的正面结构示意图；
附图3是应力卸荷齿的左侧方向示意图；
附图4是应力卸荷齿的俯视图；
附图5是本发明技术方案与普通钻头钻速对比图；
附图6是本发明技术方案与普通钻头破岩扭矩对比图；
上图中：上部钻具连接接头1、钻头体2、喷嘴3、应力卸荷齿4、应力卸荷齿母体5、弹簧6、支撑块7，
钻具连接扣101、钻井液小流道102、上扣钳口103、接头焊接坡口104、
喷嘴流道201、钻头刀翼202、钻头切削齿203、专用安装孔204、钻头体焊接坡口205、钻头钢体206，
斧形结构4.1、压入圆柱面4.2、侧翼保形面4.3。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照附图1，本发明提到的一种井底应力诱导卸荷钻头，包括钻头体2、支撑块7、弹簧6、应力卸荷齿母体5和应力卸荷齿4，所述支撑块7、弹簧6、应力卸荷齿母体5均安装于钻头体2的肩部的专用安装孔204内，所述应力卸荷齿4安装于应力卸荷齿母体5之上，并且位于钻头体2外侧；所述弹簧6安装于应力卸荷齿母体5靠近钻头体内部一侧，且位于支撑块7与应力卸荷齿母体5之间；所述应力卸荷齿母体5和应力卸荷齿4的结合体可以相对于弹簧轴线方向滑动；所述专用安装孔204位于钻头体的肩部；所述钻头体2的钻头刀翼202外侧设有钻头切削齿203，所述应力卸荷齿4的伸出长度大于钻头切削齿203的伸出长度。
参照附图1，本发明提到的钻头体2由上部钻具连接接头1和钻头体冠部组成，所述上部钻具连接接头1外侧上部为钻具连接扣101，外侧中部为圆柱面，外侧底端为接头焊接坡口104，圆柱面中部为上扣钳口103，上部钻具连接接头内侧上部为钻井液小流道102，内侧下部为钻井液大流道。
另外，本发明的钻头体冠部顶端为钻头体焊接坡口205，所述钻头体焊接坡口205与所述接头焊接坡口104相匹配，钻头体冠部外侧上部为钻头冠部外表面，所述钻头冠部外表面为圆柱面，其直径与上部钻具连接接头外侧中部的圆柱面直径相等，所述钻头冠部还包括钻头钢体206、钻头刀翼202和钻头切削齿203，所述钻头切削齿203安装在钻头刀翼202的外部，钻头体冠部内侧上部为钻井液腔，钻井液腔的腔体直径与所述钻井液大流道直径相同，钻头钢体206内设有贯穿钻头钢体的喷嘴流道201，喷嘴流道201的外端安装有喷嘴3。
具体的，上述专用安装孔204贯穿钻头钢体，专用安装孔204轴线垂直于钻头肩部的切线；专用安装孔204靠近钻头外部直径小于靠近钻头内侧直径，专用安装孔204靠近钻头钻井液腔一侧带有螺纹。
具体的，上述应力卸荷齿母体5由两个不同直径圆柱组合而成，所述应力卸荷齿4安装于小直径圆柱顶端；所述小直径圆柱与专用安装孔204靠近钻头外部一端间隙配合；所述大直径圆柱于专用安装孔204靠近钻头内部一端间隙配合。
优选的，上述支撑块7为带有螺纹的圆柱体，安装于专用安装孔204靠近钻头钻井液腔带有螺纹一侧。
参照附图2-4，本发明采用的应力卸荷齿4前端为斧形结构4.1，底端为压入圆柱面4.2，两侧为侧翼保形面4.3。
本发明采用井底应力诱导卸荷钻头实现提高钻井速度方法，包括以下步骤：
1所述井底应力诱导卸荷钻头下入井底，应力卸荷齿4优先接触井底，在钻压及扭矩的作用下将井底提前破碎出一道圆环槽；
2钻头体冠部底端的钻头切削齿203接触到井底，在压力和扭矩下破岩；
3钻头体冠部底端的钻头切削齿203破岩时，应力卸荷齿4领先于钻头体冠部底端的钻头切削齿203继续破碎井底形成圆环槽井底，之后钻头体冠部底端的钻头切削齿203在压力和扭矩下持续破岩，实现提高钻井速度，并完成整个钻井过程。
本发明采用井底应力诱导卸荷钻头实现提高钻井速度方法，实施效果如附图5所示，从图中可以看出，本发明的技术方案在同等条件下破岩速度大于普通钻头，且随着钻压增加，破岩速度增加比例增大，具体增加比例30%-290%之间；
参照附图6，本发明的技术方案在破岩过程中，下侧浅色部分为本发明钻头的破岩扭矩，本发明所需扭矩比普通钻头有大幅度降低，降低10%-50%之间，大幅降低能耗，节能环保。
本发明实现了应力卸荷齿领先于钻头体冠部底端的钻头切削齿破碎井底形成圆环槽井底，释放井底应力，之后钻头体冠部底端的钻头切削齿在压力和扭矩下破岩，通过先释放应力，再井底全面破岩，实现整个破岩提高钻进速度过程，具有以下优势：
1可达到仅利用钻头即可诱导卸荷井底应力提高井底破岩钻进速度的效果，提速思路独特；
2本发明的钻头原理及结构简单，容易制造，使用过程不需要安装其他工具，不影响其它钻井工序的实施；
3适用范围广，可用于直井、定向井等各种井型，可以直接连接于钻铤，亦可以与动力钻具、脉冲射流发生装置等工具配合使用；
4 应力卸荷齿如果损坏，钻头仍可以发挥普通钻头的作用；
5钻井过程中，操作施工跟常规钻井完全相同，对地面设施、钻井管柱、钻头类型没有特殊要求，有利于推广和应用。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种井底应力诱导卸荷钻头，其特征是：包括钻头体（2）、支撑块（7）、弹簧（6）、应力卸荷齿母体（5）和应力卸荷齿（4），所述支撑块（7）、弹簧（6）、应力卸荷齿母体（5）均安装于钻头体（2）的肩部的专用安装孔（204）内，所述应力卸荷齿（4）安装于应力卸荷齿母体（5）之上，并且位于钻头体（2）外侧；所述弹簧（6）安装于应力卸荷齿母体（5）靠近钻头体内部一侧，且位于支撑块（7）与应力卸荷齿母体（5）之间；所述应力卸荷齿母体（5）和应力卸荷齿（4）的结合体可以相对于弹簧轴线方向滑动；所述专用安装孔（204）位于钻头体的肩部；所述钻头体（2）的钻头刀翼（202）外侧设有钻头切削齿（203），所述应力卸荷齿（4）的伸出长度大于钻头切削齿（203）的伸出长度；所述专用安装孔（204）贯穿钻头钢体，专用安装孔（204）轴线垂直于钻头肩部的切线；专用安装孔（204）靠近钻头外部直径小于靠近钻头内侧直径，专用安装孔（204）靠近钻头钻井液腔一侧带有螺纹；
另外，采用所述井底应力诱导卸荷钻头实现提高钻井速度方法，包括以下步骤：
1）所述井底应力诱导卸荷钻头下入井底，应力卸荷齿（4）优先接触井底，在钻压及扭矩的作用下将井底提前破碎出一道圆环槽；
2）钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）接触到井底，在压力和扭矩下破岩；
3）钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）破岩时，应力卸荷齿（4）领先于钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）继续破碎井底形成圆环槽井底，之后钻头体冠部底端的钻头切削齿（203）在压力和扭矩下持续破岩，实现提高钻井速度，并完成整个钻井过程；
所述应力卸荷齿母体（5）由两个不同直径圆柱组合而成，所述应力卸荷齿（4）安装于小直径圆柱顶端；所述小直径圆柱与专用安装孔（204）靠近钻头外部一端间隙配合；大直径圆柱与专用安装孔（204）靠近钻头内部一端间隙配合；所述支撑块（7）为带有螺纹的圆柱体，安装于专用安装孔（204）靠近钻头钻井液腔带有螺纹一侧；
所述钻头体（2）由上部钻具连接接头（1）和钻头体冠部组成，所述上部钻具连接接头（1）外侧上部为钻具连接扣（101），外侧中部为圆柱面，外侧底端为接头焊接坡口（104），圆柱面中部为上扣钳口（103），上部钻具连接接头内侧上部为钻井液小流道（102），内侧下部为钻井液大流道；
所述钻头体冠部顶端为钻头体焊接坡口（205），所述钻头体焊接坡口（205）与所述接头焊接坡口（104）相匹配，钻头体冠部外侧上部为钻头冠部外表面，所述钻头冠部外表面为圆柱面，其直径与上部钻具连接接头外侧中部的圆柱面直径相等，所述钻头冠部还包括钻头钢体（206）、钻头刀翼（202）和钻头切削齿（203），所述钻头切削齿（203）安装在钻头刀翼（202）的外部，钻头体冠部内侧上部为钻井液腔，钻井液腔的腔体直径与所述钻井液大流道直径相同，钻头钢体（206）内设有贯穿钻头钢体的喷嘴流道（201），喷嘴流道（201）的外端安装有喷嘴（3）。
2.根据权利要求1所述的井底应力诱导卸荷钻头，其特征是：所述应力卸荷齿（4）前端为斧形结构（4.1），底端为压入圆柱面（4.2），两侧为侧翼保形面（4.3）。
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