CN111894463A - 用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井工具技术领域，具体地涉及一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头。所述用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头包括金刚石钻头和单牙轮钻头，所述金刚石钻头包括主体(1)和多个金刚石牙齿(2)，主体具有中空流道(3)，多个金刚石牙齿安装于主体的底部并且设置为能够在主体(1)的带动下绕中空流道(3)的轴线方向旋转，以破碎岩石整体的环形结构，单牙轮钻头安装于中空流道(3)并且设置为能够破碎岩石整体的位于环形结构内的岩石立柱。所述用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头通过单牙轮钻头和金刚石钻头共同形成，使得单牙轮钻头和金刚石钻头能够同时破岩作业，钻进速度更快，提高了钻井的作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及钻井工具技术领域，具体地涉及一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头。
背景技术
钻头是石油和天然气开采过程中不可缺少的井下作业工具。目前，常用钻头为金刚石钻头，金刚石钻头在破岩过程中主要依靠切削齿对岩石的剪切作用，同时以犁入作用为辅，充分利用了岩石剪切强度低的特点。
常规金刚石钻头在硬质地层中钻进时，受金刚石钻头本身结构影响，切削齿对井眼中心岩石的切削速度低，这部分岩石基本是被钻头折断或压碎的，进而限制了金刚石钻头的机械钻速，显著增加了钻井过程中的作业成本。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的金刚石钻头切削速度低、作业成本高等问题，提供一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，所述用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头通过单牙轮钻头和金刚石钻头共同形成，使得单牙轮钻头和金刚石钻头能够同时破岩作业，钻进速度更快，提高了钻井的作业效率。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，包括金刚石钻头和单牙轮钻头，所述金刚石钻头包括主体和多个金刚石牙齿，所述主体具有中空流道，多个所述金刚石牙齿安装于所述主体的底部并且设置为能够在所述主体的带动下绕所述中空流道的轴线方向旋转，以破碎岩石整体的环形结构，所述单牙轮钻头安装于所述中空流道并且设置为能够破碎所述岩石整体的位于所述环形结构内的岩石立柱。
可选的，所述单牙轮钻头包括钻头体和钻齿机构，所述钻头体可拆卸地安装于所述中空流道，所述钻齿机构安装于所述钻头体的底部以用于破碎所述岩石立柱。
可选的，所述主体通过所述中空流道与所述钻头体螺接。
可选的，所述金刚石牙齿为PDC齿，多个所述PDC齿凌乱地分散设置在所述主体的底部端面。
可选的，所述主体的底部在所述中空流道的径向上向外延展以形成第一外扩段，多个所述PDC齿设置在所述第一外扩段的底部端面，所述第一外扩段的周向壁形成为凹凸结构，所述第一外扩段的凸部用于抵住所述环形结构的外周壁，相邻两个所述凸部之间形成用于输送钻井液的凹部。
可选的，所述主体包括沿所述中空流道的周向间隔分布的多个第一水口，所述第一水口设置为能够自所述中空流道向外倾斜延伸至所述第一外扩段的底壁。
可选的，所述金刚石牙齿为孕镶金刚石齿，所述主体的底部在所述中空流道的径向上向外延展以形成第二外扩段，第二外扩段包括沿所述中空流道的周向间隔分布的多个凸起，相邻两个所述凸起之间形成用于输送钻井液的第二水口，所述凸起设置为自所述主体的周向侧壁经由所述主体的底部端面延伸至所述中空流道的底部外边沿，多个所述孕镶金刚石齿划分为与多个所述凸起一一对应的多列齿组，每列所述齿组包括多个所述孕镶金刚石齿，在每列所述齿组中，多个所述孕镶金刚石齿沿所述凸起的延伸方向等间距分布在所述凸部上。
可选的，所述主体包括沿所述中空流道的周向间隔分布的多个第三水口，所述第三水口设置为能够自所述中空流道向下延伸至所述第二外扩段的内周壁的位于所述钻头体下方的部分。
可选的，所述单牙轮钻头具有喷嘴，所述喷嘴自上而下贯穿所述单牙轮钻头设置并且顶端与所述中空流道连通。
通过上述技术方案，本发明提供了一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，所述用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头通过单牙轮钻头和金刚石钻头共同形成，使得单牙轮钻头和金刚石钻头能够同时破岩作业，克服了现有的单一金刚石钻头的中心部位所存在的破岩效率低的缺陷，复合钻头的钻进速度更快，提高了钻井的作业效率，显著降低了作业成本。
附图说明
图1是本发明提供的其中一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头的结构示意图；
图2为图1所示的复合钻头的俯视图；
图3为图1所示的复合钻头的左视图(或者是，右视图)；
图4为图3所示的复合钻头在A-A处的剖视图；
图5是本发明提供的另一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头的结构示意图；
图6为图5所示的复合钻头的俯视图；
图7为图5所示的复合钻头的左视图(或者是，右视图)；
图8为图7所示的复合钻头在B-B处的剖视图。
附图标记说明
1、主体；2、金刚石牙齿；3、中空流道；4、第一外扩段；5、凸部；6、凹部；7、第一水口；8、第一凹部；9、第二凹部；10、第二外扩段；11、凸起；12、第二水口；13、第三水口；14、喷嘴；15、钻头体；16、钻齿机构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，如图1-8所示，包括金刚石钻头和单牙轮钻头，所述金刚石钻头包括主体1和多个金刚石牙齿2，所述主体1具有中空流道3，多个所述金刚石牙齿2安装于所述主体1的底部并且设置为能够在所述主体1的带动下绕所述中空流道3的轴线方向旋转，以破碎岩石整体的环形结构，所述单牙轮钻头安装于所述中空流道3并且设置为能够破碎所述岩石整体的位于所述环形结构内的岩石立柱。其中，金刚石牙齿2可以采用镶嵌的方式设置在主体1上。
通过上述技术方案，本发明提供了一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，所述用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头通过单牙轮钻头和金刚石钻头共同形成，使得单牙轮钻头和金刚石钻头能够同时破岩作业，克服了现有的单一金刚石钻头的中心部位所存在的破岩效率低的缺陷，复合钻头的钻进速度更快，提高了钻井的作业效率，显著降低了作业成本。
一般而言，普通钻头钻进硬质地层时，以普通金刚石钻头为例，主要依靠金刚石切削齿对岩石的剪切作用，同时以犁入作用为辅；但是，在钻进过程中，普通金刚石钻头受限于金刚石切削齿结构的影响，仅能通过金刚石切削齿破碎岩石整体的环形结构，无法切削所述岩石整体的位于所述环形结构内的岩石立柱，导致这部分岩石立柱基本上是被钻头折断或压碎的，限制了金刚石钻头的机械钻速，显著增加了钻井过程中的作业成本。
为了解决上述问题，本申请中的复合钻头在钻进硬质地层时，金刚石钻头能够剪切破碎岩石整体的环形结构(例如，PDC钻头可以通过金刚石牙齿2进行剪切破碎)，同时单牙轮钻头还能够冲击破碎岩石整体的岩石立柱，从而实现了复合钻头对岩石整体进行全方位破岩作业，在保证不影响金刚石钻头的正常钻进速度的前提下，利用单牙轮钻头挤压破碎岩石立柱，解决了普通金刚石钻头的中心部位破岩效率低的问题，提高了钻井的作业效率，显著降低了作业成本。此外，相较于在普通金刚石钻头的中心部分直接一体化布置单一切削齿(例如，所述单一切削齿为圆锥形金刚石切削齿)而言，岩石立柱的破碎作业由单牙轮钻头11完成，使得岩石立柱施加到复合钻头的中心部分的破碎载荷也就分布在单牙轮钻头11的各个牙齿上，解决了钻头在单一切削齿处集中承受岩石立柱的破碎载荷而容易损坏的问题，延长了使用寿命。
可以理解的是，主体1的顶部可以设置有接头，以便于金刚石钻头通过接头与外界的钻杆或者是井下动力钻具连接，以驱动主体2旋转，由于单牙轮钻头安装于中空流道3，使得主体1能够带动单牙轮钻头绕所述主体9的旋转轴线进行公转；而且，单牙轮钻头还可以与外界的动力机构(例如，可以采用本领域中用于驱动单一的单牙轮钻头的常规动力机构)电连接，以使得外界的动力机构能够带动单牙轮钻头自转。使用时，金刚石钻头通过主体1带动金刚石牙齿2沿图2和6所示的逆时针方向绕主体9的轴线方向旋转，则金刚石牙齿2沿环形轨迹进行旋转运动，同时金刚石牙齿2能够沿着该环形轨迹来破碎岩石整体，即，破碎岩石整体的环形结构；与此同时，单牙轮钻头在主体9的带动作用下进行公转，即，单牙轮钻头绕主体9的旋转轴线进行公转，以破碎位于该环形结构内部的岩石立柱，实现了同步破碎岩石整体，提高了钻井的作业效率；另外，单牙轮钻头还能够在外界的动力机构的驱动作用下进行自转，加强了对岩石立柱的破碎力度，进一步提升了钻井的作业效率。
进一步的，所述单牙轮钻头包括钻头体15和钻齿机构16，所述钻头体15可拆卸地安装于所述中空流道3，所述钻齿机构16安装于所述钻头体15的底部以用于破碎所述岩石立柱，设计更为合理，便于拆卸与组装。一旦单牙轮钻头受损，可快速更换，降低了复合钻头的使用成本。
为了便于加工复合钻头，所述主体1通过所述中空流道3与所述钻头体15螺接。
值得一提的是，本发明提供了一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，如图1-8所示，相对于金刚石钻头的主体1而言，单牙轮钻头可以设置为各种合理高度。例如，位于最下方的金刚石牙齿2的高度可以高于钻齿机构16的高度；这样，在钻进初期，单牙轮钻头首先通过钻齿机构16来冲击破碎岩石立柱，此时，岩石整体在该岩石立柱处逐渐形成中心孔洞，该中心孔洞的外周即为环形结构，金刚石钻头的金刚石牙齿2尚未与该环形结构接触；随着复合钻头的不断钻进，单牙轮钻头不断地加深破碎岩石立柱，金刚石钻头也开始通过金刚石牙齿2来剪切破碎该环形结构，从而复合钻头能够对岩石整体进行全方位破岩作业，实现了快速钻进。或者是，位于最下方所述金刚石牙齿2的高度还可以低于所述钻齿机构16的高度；在钻进初期，金刚石钻头首先通过金刚石牙齿2来剪切破碎岩石整体的环形结构，此时，岩石整体逐渐形成位于环形结构内部的岩石立柱，钻齿机构16的破碎工作面尚未与岩石立柱接触；随着复合钻头的不断钻进，金刚石钻头不断地加深破碎环形结构，单牙轮钻头也开始通过钻齿机构16冲击破碎岩石立柱，从而复合钻头能够对岩石整体进行全方位破岩作业，实现了快速钻进。此外，位于最下方所述金刚石牙齿2的高度还可以跟所述钻齿机构16的高度相等，在此不再赘述。
根据本发明的其中一种具体实施方式，如图1-4所示，所述金刚石牙齿2为PDC齿，多个所述PDC齿凌乱地分散设置在所述主体1的底部端面，有利于金刚石钻头通过PDC齿进行高效破岩作业。
进一步的，所述主体1的底部在所述中空流道3的径向上向外延展以形成第一外扩段4，多个所述PDC齿设置在所述第一外扩段4的底部端面，所述第一外扩段4的周向壁形成为凹凸结构，所述第一外扩段4的凸部5用于抵住所述环形结构的外周壁，相邻两个所述凸部5之间形成用于输送钻井液的凹部6。在钻进过程中，第一外扩段4上的凹部6可以提供一定的水力能量来冲刷金刚石钻头与岩石整体(例如，岩石整体的环形结构，其中，可以包括环形结构的外周壁、底壁和内周壁)之间的摩擦面，有利于提高作业效率。
进一步的，所述主体1包括沿所述中空流道3的周向间隔分布的多个第一水口7，所述第一水口7设置为能够自所述中空流道3向外倾斜延伸至所述第一外扩段4的底壁，保证了第一外扩段4上的凹部6能够提供充足的水力能量来冲刷摩擦面，有效地提高了凹部6的排屑能力，提高了破岩效率。值得一提的是，多个凹部6可以设置为各种形式，例如，多个凹部6的流通面积相等；或者是，所述凹部6包括沿所述中空流道3的周向交替分布的第一凹部8和第二凹部9，所述第一凹部8的流通面积大于所述第二凹部9的流通面积，在保证凹部6的排屑能力的前提下，还能确保金刚石钻头的自身强度，延长了金刚石钻头的使用寿命。
根据本发明的另一种具体实施方式，如图5-8所示，所述金刚石牙齿2为孕镶金刚石齿，所述主体1的底部在所述中空流道3的径向上向外延展以形成第二外扩段10，第二外扩段10包括沿所述中空流道3的周向间隔分布的多个凸起11，相邻两个所述凸起11之间形成用于输送钻井液的第二水口12，所述凸起11设置为自所述第二外扩段10的周向侧壁经由所述第二外扩段10的底部端面延伸至所述中空流道3的底部外边沿，多个所述孕镶金刚石齿划分为与多个所述凸起11一一对应的多列齿组，每列所述齿组包括多个所述孕镶金刚石齿，在每列所述齿组中，多个所述孕镶金刚石齿沿所述凸起11的延伸方向等间距分布在所述凸部11上。其中，所述中空流道3的底部外边沿，指的是第二外扩段10的底部端面与中空流道的交界处。在钻进过程中，第二外扩段10的第二水口12可以提供一定的水力能量来冲刷金刚石钻头与岩石整体(例如，岩石整体的环形结构，其中，可以包括环形结构的外周壁、底壁和内周壁)之间的摩擦面，方便及时清理岩屑，避免了凸起11处的金刚石牙齿2重复破碎岩屑的问题，有利于提高复合钻头的机械钻速。
进一步的，所述主体1包括沿所述中空流道3的周向间隔分布的多个第三水口13，所述第三水口13设置为能够自所述中空流道3向下延伸至所述第二外扩段10的内周壁的位于所述钻头体15下方的部分，有利于中空流道3中的钻井液能够经由第三水口13冲刷井底，方便及时清理井底岩屑，避免了金刚石牙齿2和单牙轮钻头重复破碎岩屑的问题，有利于提高复合钻头的机械钻速。
进一步的，所述单牙轮钻头具有喷嘴14，所述喷嘴14自上而下贯穿所述单牙轮钻头设置并且顶端与所述中空流道3连通，有利于钻井液依次经过中空流道3和喷嘴14注入井底以冲刷岩屑，方便及时清理井底岩屑，避免了单牙轮钻头重复破碎岩屑的问题，有利于提高复合钻头的机械钻速。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，包括金刚石钻头和单牙轮钻头，所述金刚石钻头包括主体(1)和多个金刚石牙齿(2)，所述主体(1)具有中空流道(3)，多个所述金刚石牙齿(2)安装于所述主体(1)的底部并且设置为能够在所述主体(1)的带动下绕所述中空流道(3)的轴线方向旋转，以破碎岩石整体的环形结构，所述单牙轮钻头安装于所述中空流道(3)并且设置为能够破碎所述岩石整体的位于所述环形结构内的岩石立柱。
2.根据权利要求1所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述单牙轮钻头包括钻头体(15)和钻齿机构(16)，所述钻头体(15)可拆卸地安装于所述中空流道(3)，所述钻齿机构(16)安装于所述钻头体(15)的底部以用于破碎所述岩石立柱。
3.根据权利要求2所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述主体(1)通过所述中空流道(3)与所述钻头体(15)螺接。
4.根据权利要求1所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述金刚石牙齿(2)为PDC齿，多个所述PDC齿凌乱地分散设置在所述主体(1)的底部端面。
5.根据权利要求4所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述主体(1)的底部在所述中空流道(3)的径向上向外延展以形成第一外扩段(4)，多个所述PDC齿设置在所述第一外扩段(4)的底部端面，所述第一外扩段(4)的周向壁形成为凹凸结构，所述第一外扩段(4)的凸部(5)用于抵住所述环形结构的外周壁，相邻两个所述凸部(5)之间形成用于输送钻井液的凹部(6)。
6.根据权利要求5所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述主体(1)包括沿所述中空流道(3)的周向间隔分布的多个第一水口(7)，所述第一水口(7)设置为能够自所述中空流道(3)向外倾斜延伸至所述第一外扩段(4)的底壁。
7.根据权利要求1所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述金刚石牙齿(2)为孕镶金刚石齿，所述主体(1)的底部在所述中空流道(3)的径向上向外延展以形成第二外扩段(10)，所述第二外扩段(10)包括沿所述中空流道(3)的周向间隔分布的多个凸起(11)，相邻两个所述凸起(11)之间形成用于输送钻井液的第二水口(12)，所述凸起(11)设置为自所述第二外扩段(10)的周向侧壁经由所述第二外扩段(10)的底部端面延伸至所述中空流道(3)的底部外边沿，多个所述孕镶金刚石齿划分为与多个所述凸起(11)一一对应的多列齿组，每列所述齿组包括多个所述孕镶金刚石齿，在每列所述齿组中，多个所述孕镶金刚石齿沿所述凸起(11)的延伸方向等间距分布在所述凸部(11)上。
8.根据权利要求7所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述主体(1)包括沿所述中空流道(3)的周向间隔分布的多个第三水口(13)，所述第三水口(13)设置为能够自所述中空流道(3)向下延伸至所述第二外扩段(10)的内周壁的位于所述钻头体(15)下方的部分。
9.根据权利要求1所述的用于硬地层钻井的金刚石与单牙轮复合钻头，其特征在于，所述单牙轮钻头具有喷嘴(14)，所述喷嘴(14)自上而下贯穿所述单牙轮钻头设置并且顶端与所述中空流道(3)连通。
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