CN111827885B - 一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头 - Google Patents

一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，包括钻头接头、钻头冠部；钻头冠部设置若干钻头刀翼；第一内锥面、第一顶部圆弧面上以及第二顶部圆弧面上设置主切削齿、辅助切削齿；第一保径面、第二保径面上主切削齿后端设置若干保径副齿；第一保径面、第二保径面上主切削齿、保径副齿凸出的高度为0.1mm～5.0mm；第一内锥面、第一顶部圆弧面上主切削齿的后倾角以及第二顶部圆弧面上主切削齿的后倾角均由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向逐渐减小。本发明通过相关主切削齿、保径副齿凸出相应保径面高度的设置，提升了侧向切削能力，通过相关主切削齿后倾角的变化实现了对钻头侧向切削能力与轴向切削能力的合理调控。

Description

一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头
技术领域
本发明属于钻井工程技术领域，具体涉及一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头。
背景技术
推靠式旋转导向钻井技术是最通用的旋转导向技术之一，进一步提高该技术的造斜能力是其急需解决的问题。
现有提高推靠式旋转导向钻井技术造斜能力的方法主要有三种：(1)优化钻井参数；(2)优化钻具组合；(3)强化工具的推靠力。这三种方法在一定程度上均可以达到提高造斜能力的效果，但提高效果仍不够理想，究其原因在于忽略了钻头在造斜中发挥的作用，钻头是破岩的主体，若无钻头，则破岩过程无法实现，造斜更是无法完成。
然而，现有钻头在设计上均是以提高井眼轴向钻井速度为目标，钻头的侧向切削能力较低，从而导致造斜能力较低，同时现有钻头的轴向切削能力与侧向切削能力的对应关系不符合推靠式旋转导向钻井技术的需求。
因此，亟需研制一种钻头，该钻头在应用于推靠式旋转导向钻井技术时具有较高的造斜能力。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，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，所述钻头刀翼包括第一钻头刀翼、第二钻头刀翼；
所述第一钻头刀翼的外端面轮廓包括由钻头冠部顶端至侧壁依次连接的第一内锥面、第一顶部圆弧面、第一保径面；
所述第二钻头刀翼的外端面轮廓包括由钻头冠部顶端至侧壁依次连接的第二内锥面、第二顶部圆弧面、第二保径面；
所述第一保径面与第二保径面均呈柱面结构且位于同一圆柱面上，所述圆柱面的中心轴线与钻头冠部的中心轴线一致；
所述第一钻头刀翼的第一内锥面、第一顶部圆弧面上以及所述第二钻头刀翼的第二顶部圆弧面上设置若干位于前排的沿母线方向排布的主切削齿、若干位于后排的沿母线方向排布的辅助切削齿；
所述第一保径面、第二保径面上设置若干位于前排的主切削齿；
所述第一保径面、第二保径面上主切削齿后端设置若干保径副齿；
所述第一内锥面上的主切削齿、辅助切削齿异轨布置；
所述第一顶部圆弧面、第二顶部圆弧面上的主切削齿、辅助切削齿同轨布置；
所述第一保径面、第二保径面上主切削齿、保径副齿凸出所在保径面的高度为0.1mm～5.0mm；
所述第一钻头刀翼中第一内锥面、第一顶部圆弧面上主切削齿的后倾角以及第二钻头刀翼中第二顶部圆弧面上主切削齿的后倾角均由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向逐渐减小；
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。
优选的，所述第一钻头刀翼的内锥角θ为150°～175°。
优选的，所述第一钻头刀翼中第一顶部圆弧面、第二钻头刀翼中第二顶部圆弧面沿钻头冠部中心轴线方向的高度H为1/16D～1/4D，D为钻头直径。
优选的，所述第一保径面、第二保径面沿钻头冠部中心轴线方向的高度G为10mm～70mm。
优选的，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辅助切削齿凸出钻头刀翼外端面的高度。
优选的，所述第一顶部圆弧面上、所述第二顶部圆弧面上位于同一径向圆周处的主切削齿、辅助切削齿凸出所在钻头刀翼外端面的高度差由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向依次增加。
优选的，所述辅助切削齿为锥形齿，所述辅助切削齿中心轴线沿该辅助切削齿所在径向圆的切线向所在钻头刀翼上的主切削齿方向倾斜0°～35°。
优选的，所述第一钻头刀翼上距离钻头中心轴线最近的主切削齿的后倾角为15°～35°；
所述第一钻头刀翼中第一顶部圆弧面上、第二钻头刀翼中第二顶部圆弧面上距离钻头中心轴线最远的主切削齿的后倾角为5～20°。
优选的，所述第一保径面、第二保径面上主切削齿的后倾角为0～18°。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过相关主切削齿、保径副齿凸出相应保径面高度的设置，提升了侧向切削能力，因此能够提升造斜能力；同时，通过相关主切削齿后倾角的变化实现了对钻头侧向切削能力与轴向切削能力的合理调控，既提高了钻头在与推靠式旋转导向钻井工具配合使用时的造斜能力，也满足了快速钻进的要求。
(2)本发明中钻头刀翼上的主切削齿、辅助切削齿在第一内锥面上进行了异轨布置，在第一顶部圆弧面、第二顶部圆弧面上进行了同轨布置，这种组合的布置方式既可以降低钻头轴向钻速，强化侧向的切削能力，提升钻头的造斜性能，又可以延长钻头寿命。
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是本发明适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头的结构示意立体图；
图2是本发明适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头的结构示意俯视图；
图3是图2的A-A向剖视图；
图4是本发明中钻头冠部的几何结构示意图；
其中：
1-钻头接头，101-钻井液流道；
2-钻头冠部，201-钻头内腔，202-喷嘴流道；
3-第一钻头刀翼，301-第一内锥面，302-第一顶部圆弧面，303-第一保径面；
4-第二钻头刀翼，401-第二顶部圆弧面，402-第二保径面，403-第二内锥面；
5-主切削齿；
6-辅助切削齿；
7-保径副齿。
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。
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1-2所示，一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，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，所述钻头刀翼包括第一钻头刀翼3、第二钻头刀翼4，当钻头刀翼的数量为偶数时，第一钻头刀翼3、第二钻头刀翼4交替布置；其中，允许的情况下，钻头刀翼的数量越多越好；
所述第一钻头刀翼3的外端面轮廓包括由钻头冠部2顶端至侧壁依次连接的第一内锥面301、第一顶部圆弧面302、第一保径面303；
所述第二钻头刀翼4的外端面轮廓包括由钻头冠部2顶端至侧壁依次连接的第二内锥面403、第二顶部圆弧面401、第二保径面402；其中，由于空间的关系，第二内锥面403并未延伸至钻头冠部2中心处，第二内锥面403的内锥角与第一内锥面301的内锥角相等；
所述第一保径面303与第二保径面402均呈柱面结构且位于同一圆柱面上，所述圆柱面的中心轴线与钻头冠部2的中心轴线一致；
所述第一钻头刀翼3的第一内锥面301、第一顶部圆弧面302上以及所述第二钻头刀翼4的第二顶部圆弧面401上设置若干位于前排的沿母线方向排布的主切削齿5、若干位于后排的沿母线方向排布的辅助切削齿6；
所述第一保径面303、第二保径面402上设置若干位于前排的主切削齿5；
所述第一保径面303、第二保径面402上主切削齿5后端设置若干保径副齿7；
其中，所述主切削齿5、辅助切削齿6、保径副齿7均凸出钻头刀翼的外端面；
所述第一内锥面301上的主切削齿5、辅助切削齿6异轨布置；其中异轨是指任意的主切削齿5、辅助切削齿6均不位于同一径向圆周上，即主切削齿5、辅助切削齿6交替布置；第一内锥面301上的主切削齿5、辅助切削齿6异轨布置，使主切削齿5、辅助切削齿6共同分担受力，既可保证钻头稳定性，又可以降低钻头轴向钻速，从而强化了侧向的切削能力；
所述第一顶部圆弧面302、第二顶部圆弧面401上的主切削齿5、辅助切削齿6同轨布置；其中同轨是指主切削齿5、辅助切削齿6成对布置，且成对的主切削齿5、辅助切削齿6位于同一径向圆周上；第一顶部圆弧面302、第二顶部圆弧面401上的主切削齿5、辅助切削齿6同轨布置，其中成对的主切削齿5、辅助切削齿6中较高的主切削齿5先受力使用，当主切削齿5磨损之后，备用的辅助切削齿6再起作用，因此可实现延长钻头寿命，增强侧向切削能力的目标；
所述第一保径面303、第二保径面402上主切削齿5、保径副齿7凸出所在保径面的高度为0.1mm～5.0mm，为钻头提供侧向切削允量，以提升钻头的侧向切削能力；
所述第一钻头刀翼3中第一内锥面301、第一顶部圆弧面302上主切削齿5的后倾角以及第二钻头刀翼4中第二顶部圆弧面401上主切削齿5的后倾角均由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向逐渐减小；
如图3所示，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；
如图3所示，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201，所述钻头内腔201与钻头冠部2外端面之间设置有若干喷嘴流道202；其中，所述喷嘴流道202位于相邻的钻头刀翼之间。
优选的，如图4所示，所述第一钻头刀翼3的内锥角θ为150°～175°，本申请钻头的内锥角较现有钻头中的大，因此能够降低内锥对侧向切削效果的影响；其中第一钻头刀翼3的内锥角指的是第一内锥面所在的圆锥面的锥角。
优选的，如图4所示，所述第一钻头刀翼3中第一顶部圆弧面302、第二钻头刀翼4中第二顶部圆弧面401沿钻头冠部2中心轴线方向的高度H为1/16D～1/4D，该高度范围的设置可以既保证钻头侧向切削能力，又不会引起钻头外锥过早破坏，D为钻头直径，钻头直径为第一保径面303、第二保径面402所在圆柱面的直径。
其中，本申请钻头内锥角θ以及顶部圆弧面高度H的设置，使顶部圆弧面的高度较现有钻头中的小，从而使其上布置的侧向的切削齿较少，在所受的作用力不变的情况下，提高了侧向切削齿的单齿受力，从而进一步提升了钻头的侧向切削能力。
优选的，如图4所示，所述第一保径面303、第二保径面402沿钻头冠部2中心轴线方向的高度G为10mm～70mm，该高度范围的设置能够保证对井壁的修整能力，且不会分担过大的侧向推靠力。
优选的，所述钻头刀翼上主切削齿5凸出钻头刀翼外端面的高度大于钻头刀翼上辅助切削齿6凸出钻头刀翼外端面的高度。
其中，钻头刀翼上主切削齿5用于破岩钻进，钻头刀翼上辅助切削齿6用于稳定钻头及主切削齿5破损时代替主切削齿5破岩钻进，延长钻头寿命；
使用时，主切削齿5及保径副齿7顶端均与井壁接触，用于切削井壁及提供支撑；其中每个保径面上的保径副齿7的设置数量根据实际情况而定。
优选的，所述第一顶部圆弧面302上、所述第二顶部圆弧面401上位于同一径向圆周处的主切削齿5、辅助切削齿6凸出所在钻头刀翼外端面的高度差由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向依次增加。
优选的，所述辅助切削齿6为锥形齿，所述辅助切削齿6中心轴线沿该辅助切削齿所在径向圆的切线向所在钻头刀翼上的主切削齿5方向倾斜0°～35°，以保证辅助切削齿6具有足够的切削能力。
优选的，所述第一钻头刀翼3上距离钻头中心轴线最近的主切削齿5的后倾角为15°～35°，该角度范围的设置可有效控制轴向切削速度，提高钻头侧向切削次数及延长对井壁固定点切削时间；
所述第一钻头刀翼3中第一顶部圆弧面302上、第二钻头刀翼4中第二顶部圆弧面401上距离钻头中心轴线最远的主切削齿5的后倾角为5～20°，该角度范围的设置可保证钻头冠顶切削速度，延长钻头冠顶切削齿寿命。
优选的，所述第一保径面303、第二保径面402上主切削齿5的后倾角为0～18°，该角度范围的设置可以起到强化侧向切削能力的作用。
本发明通过将第一保径面303、第二保径面402上主切削齿5、保径副齿7凸出所在保径面的高度设置为0.1mm～5.0mm，从而为钻头提供侧向切削允量，以提高钻头的侧向切削能力；通过将第一钻头刀翼3中第一内锥面301、第一顶部圆弧面302上主切削齿5的后倾角以及第二钻头刀翼4中第二顶部圆弧面401上主切削齿5的后倾角设置为由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向逐渐减小，来调节钻头轴向切削能力与侧向切削能力的对应关系，使它们的对应关系符合推靠式旋转导向钻井技术的需求；因此，本申请钻头通过相关的结构设置，提升了侧向切削能力，并通过相关主切削齿5后倾角的变化实现了对钻头侧向切削能力与轴向切削能力的合理调控，既提高了钻头在与推靠式旋转导向钻井工具配合使用时的造斜能力，也满足了快速钻进的要求。更进一步地，通过将内锥角θ设置为150°～175°、钻头刀翼顶部圆弧面沿钻头冠部2中心轴线方向的高度H设置为1/16D～1/4D，使顶部圆弧面的高度较现有钻头中的小，从而使其上布置的侧向的切削齿较少，在所受的作用力不变的情况下，提高了侧向切削齿的单齿受力，从而进一步提升了钻头的侧向切削能力。
更进一步地，本发明钻头中钻头刀翼上的主切削齿5、辅助切削齿6在第一内锥面上进行了异轨布置，在第一顶部圆弧面、第二顶部圆弧面上进同轨布置，这种组合的布置方式既可以降低钻头轴向钻速，强化侧向的切削能力，提升钻头的造斜性能，提高其在推靠式旋转导向钻井技术中应用时的高斜率，又可以延长钻头寿命。
另外，本发明钻头除了能够适用于推靠式旋转导向钻井技术以外，还能够用于推靠式垂直钻井技术，在推靠式垂直钻井技术中既可以增强其防斜打直效果，也可以降低推靠式垂直钻井工具的损耗；同时，本申请钻头也可满足各种地层定向钻进的需要。
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 (9)

1.一种适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，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，所述钻头刀翼包括第一钻头刀翼、第二钻头刀翼；
所述第一钻头刀翼的外端面轮廓包括由钻头冠部顶端至侧壁依次连接的第一内锥面、第一顶部圆弧面、第一保径面；
所述第二钻头刀翼的外端面轮廓包括由钻头冠部顶端至侧壁依次连接的第二内锥面、第二顶部圆弧面、第二保径面；
所述第一保径面与第二保径面均呈柱面结构且位于同一圆柱面上，所述圆柱面的中心轴线与钻头冠部的中心轴线一致；
所述第一钻头刀翼的第一内锥面、第一顶部圆弧面上以及所述第二钻头刀翼的第二顶部圆弧面上设置若干位于前排的沿母线方向排布的主切削齿、若干位于后排的沿母线方向排布的辅助切削齿；
所述第一保径面、第二保径面上设置若干位于前排的主切削齿；
所述第一保径面、第二保径面上主切削齿后端设置若干保径副齿；
所述第一内锥面上的主切削齿、辅助切削齿异轨布置；
所述第一顶部圆弧面、第二顶部圆弧面上的主切削齿、辅助切削齿同轨布置；
所述第一保径面、第二保径面上主切削齿、保径副齿凸出所在保径面的高度为0.1mm～5.0mm；
所述第一钻头刀翼中第一内锥面、第一顶部圆弧面上主切削齿的后倾角以及第二钻头刀翼中第二顶部圆弧面上主切削齿的后倾角均由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向逐渐减小；
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。
2.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述第一钻头刀翼的内锥角θ为150°～175°。
3.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述第一钻头刀翼中第一顶部圆弧面、第二钻头刀翼中第二顶部圆弧面沿钻头冠部中心轴线方向的高度H为1/16D～1/4D，D为钻头直径。
4.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述第一保径面、第二保径面沿钻头冠部中心轴线方向的高度G为10mm～70mm。
5.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，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辅助切削齿凸出钻头刀翼外端面的高度。
6.如权利要求5所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述第一顶部圆弧面上、所述第二顶部圆弧面上位于同一径向圆周处的主切削齿、辅助切削齿凸出所在钻头刀翼外端面的高度差由靠近钻头中心轴线端向外沿母线方向依次增加。
7.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述辅助切削齿为锥形齿，所述辅助切削齿中心轴线沿该辅助切削齿所在径向圆的切线向所在钻头刀翼上的主切削齿方向倾斜0°～35°。
8.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述第一钻头刀翼上距离钻头中心轴线最近的主切削齿的后倾角为15°～35°；
所述第一钻头刀翼中第一顶部圆弧面上、第二钻头刀翼中第二顶部圆弧面上距离钻头中心轴线最远的主切削齿的后倾角为5～20°。
9.如权利要求1所述的适用于推靠式旋转导向钻井技术的高造斜率钻头，其特征是，所述第一保径面、第二保径面上主切削齿的后倾角为0～18°。
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