CN111894464A - Pdc与单牙轮复合的内排屑钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钻井工具技术领域，具体涉及一种PDC与单牙轮复合的内排屑钻头。所述内排屑钻头包括单牙轮钻头以及具有主体的PDC钻头，主体的高度方向上具有主流道和内排屑通道，内排屑通道包括第一流道、第二流道和自主体的顶面向下延伸的上段流道，第一流道自上段流道向下延伸至主流道并且设置为能够反向排出主流道的初始钻井液以形成反向压差，第二流道自上段流道向下延伸至主体的底面并且设置为能够在第一流道的压差作用下抽取主体的底面处的携屑钻井液，单牙轮钻头安装于主流道的底部并且设置为能够与PDC钻头共同破岩。所述PDC与单牙轮复合的内排屑钻头通过单牙轮钻头和PDC钻头共同形成，使得PDC钻头和单牙轮钻头同时破岩作业，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PDC与单牙轮复合的内排屑钻头。
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PDC钻头，PDC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PDC钻头钻进时，受PDC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PDC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PDC钻头切削速度低、作业成本高等问题，提供一种PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，所述PDC与单牙轮复合的内排屑钻头通过单牙轮钻头和PDC钻头共同形成，使得PDC钻头和单牙轮钻头能够同时破岩作业，克服了现有的单一PDC钻头的中心部位所存在的破岩效率低的缺陷，所述PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的钻进速度更快。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，包括单牙轮钻头以及具有主体的PDC钻头，所述主体的高度方向上具有主流道和内排屑通道，所述内排屑通道包括第一流道、第二流道和自所述主体的顶面向下延伸的上段流道，所述第一流道自所述上段流道向下延伸至所述主流道并且设置为能够反向排出所述主流道的初始钻井液以形成反向压差，所述第二流道自所述上段流道向下延伸至所述主体的底面并且设置为能够在所述第一流道的压差作用下抽取所述主体的底面处的携屑钻井液，所述单牙轮钻头安装于所述主流道的底部并且设置为能够与所述PDC钻头共同破岩。
可选的，所述单牙轮钻头包括钻头体和钻齿机构，所述钻头体安装于所述主流道，所述钻齿机构安装于所述钻头体，所述PDC钻头具有刀翼，所述刀翼自所述主体的外周壁向下延伸以围在所述钻齿机构的外侧，以与所述钻齿机构共同破岩。
可选的，所述刀翼的底端的高度低于所述钻齿机构的高度。
可选的，所述PDC钻头包括多个所述刀翼，多个所述刀翼沿所述主体的周向间隔分布以包裹所述钻齿机构。
可选的，所述刀翼的靠近相邻所述刀翼的侧壁具有沿该侧壁的外边沿的延伸方向间隔分布的多个牙齿。
可选的，所述钻头体可拆卸地安装于所述主流道中。
可选的，所述主体通过所述主流道与所述钻头体螺接。
可选的，所述主体包括沿所述主流道的周向间隔分布的多个所述内排屑通道。
可选的，在所述第一流道与所述上段流道的连通处，所述第一流道的流通面积小于所述上段流道的流通面积。
可选的，所述主体的底面开设有排屑槽，所述第二流道开设在所述排屑槽的底壁。
通过上述技术方案，本发明提供了一种PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，所述PDC与单牙轮复合的内排屑钻头通过单牙轮钻头和PDC钻头共同形成，使得PDC钻头和单牙轮钻头能够同时破岩作业，克服了现有的单一PDC钻头的中心部位所存在的破岩效率低的缺陷，PDC与单牙轮复合的内排屑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；而且，PDC与单牙轮复合的内排屑钻头还能通过内排屑通道将携屑钻井液及时快速排出，防止了岩屑重复破碎，提高了PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的破岩效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的结构示意图；
图2为图1所示的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的仰视图；
图3为图1所示的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的左视图(或者是，右视图)；
图4为图3所示的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头在A-A处的剖视图。
附图标记说明
1、主流道；2、内排屑通道；3、第一流道；4、第二流道；5、上段流道；6、刀翼；7、牙齿；8、排屑槽；9、主体；10、钻头体；11、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PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，如图1-4所示，包括单牙轮钻头以及具有主体9的PDC钻头，所述主体9的高度方向上具有主流道1和内排屑通道2，所述内排屑通道2包括第一流道3、第二流道4和自所述主体9的顶面向下延伸的上段流道5，所述第一流道3自所述上段流道5向下延伸至所述主流道1并且设置为能够反向排出所述主流道1的初始钻井液以形成反向压差，所述第二流道4自所述上段流道5向下延伸至所述主体9的底面并且设置为能够在所述第一流道3的压差作用下抽取所述主体9的底面处的携屑钻井液，所述单牙轮钻头安装于所述主流道1的底部并且设置为能够与所述PDC钻头共同破岩。
通过上述技术方案，本发明提供了一种PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，所述PDC与单牙轮复合的内排屑钻头通过单牙轮钻头和PDC钻头共同形成，使得PDC钻头和单牙轮钻头能够同时破岩作业，克服了现有的单一PDC钻头的中心部位所存在的破岩效率低的缺陷，PDC与单牙轮复合的内排屑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；而且，PDC与单牙轮复合的内排屑钻头还能通过内排屑通道2将携屑钻井液及时快速排出，防止了岩屑重复破碎，提高了PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的破岩效率。
一般而言，普通钻头钻进软质地层或者中硬地层时，以普通PDC钻头为例，主要依靠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PDC钻头受限于刀翼6结构的影响，PDC钻头的中心部位所存在的破岩效率低的缺陷，严重限制了PDC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PDC与单牙轮复合的内排屑钻头在钻进软质地层或者中硬地层时，PDC钻头能够剪切破碎岩石整体的环形结构(例如，PDC可以通过刀翼6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PDC与单牙轮复合的内排屑钻头对岩石整体进行全方位高效破岩作业，在保证不影响PDC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PDC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。而且，在钻进过程中，初始钻井液能够注入主流道1，注入主流道1的初始钻井液分流为两部分：第一部分通过主流道1注入井底以冲刷岩屑，以形成携屑钻井液；第二部分经由第一流道3反向排出主流道1中以形成反向压差，以使得上述携屑钻井液能够在第一流道3的压差作用下依次经由第二流道4和上段流道5排出；从而实现了PDC与单牙轮复合的内排屑钻头能够通过内排屑通道2及时快速排出携屑钻井液，防止了岩屑重复破碎，提高了PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的破岩效率。此外，相较于在普通PDC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PDC与单牙轮复合的内排屑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。
进一步的，所述单牙轮钻头包括钻头体10和钻齿机构11，所述钻头体10安装于所述主流道1，所述钻齿机构11安装于所述钻头体10，所述PDC钻头具有刀翼6，所述刀翼6自所述主体9的外周壁向下延伸以围在所述钻齿机构11的外侧，以与所述钻齿机构11共同破岩。可以理解的是，主体9的顶部可以设置有接头，以便于PDC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，由于钻头体10安装于所述主流道1，使得主体能够通过所述钻头体10带动所述钻齿机构11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钻齿机构自转。
使用时，PDC钻头通过主体9带动刀翼6沿图2所示的逆时针方向绕主体9的轴线方向旋转，则刀翼6沿环形轨迹进行旋转运动，同时刀翼6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，单牙轮钻头借助主体9来带动钻齿机构11同步旋转，即，钻齿机构11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驱使钻齿机构11相对于钻头体10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。
根据本发明的一些具体实施方式，本发明提供的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，相对于PDC钻头的主体9而言，单牙轮钻头可以设置为各种合理高度。例如，刀翼6的底端的高度高于所述钻齿机构11的高度。在钻进初期，单牙轮钻头首先通过钻齿机构11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，该中心孔洞的外周形成为环形结构，PDC钻头的刀翼尚未与该环形结构接触；随着PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的不断钻进，单牙轮钻头不断地加深破碎岩石立柱，PDC钻头也开始通过刀翼6来剪切破碎该环形结构，从而PDC与单牙轮复合的内排屑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。进一步的，所述刀翼6的底端的高度低于所述钻齿机构11的高度。在钻进初期，PDC钻头首先通过刀翼6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11的破碎工作面尚未与岩石立柱接触；随着PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的不断钻进，PDC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11冲击破碎岩石立柱，从而PDC与单牙轮复合的内排屑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，刀翼6的底端的高度还可以与所述钻齿机构11的高度齐平，在此不再赘述。
为了增强PDC钻头的破碎效率，所述PDC钻头包括多个所述刀翼6，多个所述刀翼6沿所述主体9的周向间隔分布以包裹所述钻齿机构11，加强了PDC钻头通过刀翼6对环形结构的破碎力度。
如图1-4所示，所述刀翼6的靠近相邻所述刀翼6的侧壁具有沿该侧壁的外边沿的延伸方向间隔分布的多个牙齿7。使用时，PDC钻头通过主体9带动多个刀翼6沿图1和2所示的逆时针方向旋转，方便牙齿7有效地破碎环形结构，结构简单，有利于高效作业。值得一提的是，刀翼6可以设置为各种形式，例如，多个牙齿7镶嵌设置在刀翼6上。
进一步的，所述钻头体10可拆卸地安装于所述主流道1中，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PDC与单牙轮复合的内排屑钻头的使用成本。
为了便于加工PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，所述主体9通过所述主流道1与所述钻头体10螺接。
进一步的，所述主体9包括沿所述主流道1的周向间隔分布的多个所述内排屑通道2，提高了携屑钻井液的排出量，以便于将井底岩屑通过内排屑通道2彻底排出。
进一步的，所述主体9的底面开设有排屑槽8，所述第二流道4开设在所述排屑槽8的底壁，使得PDC与单牙轮复合的内排屑钻头能够利用第一流道3的压差作用将井底的岩屑、岩渣和钻井液以携屑钻井液的形式经由排屑槽8吸入到内排屑通道2中，从而完成了钻井液的反向循环，还能够加速携屑钻井液的流动，有利于高效清洗井底岩屑，进而提高了钻井的作业效率，避免了现有钻井中存在的井底压持效应和岩屑重复破碎的问题。
进一步的，在所述第一流道3与所述上段流道5的连通处，所述第一流道3的流通面积小于所述上段流道5的流通面积，以降低初始钻井液从第一流道3喷入上段流道5的动力，在PDC与单牙轮复合的内排屑钻头能够通过初始钻井液提供必要的压差作用的前提下，主流道1中的初始钻井液能够更多地注入井底以冲刷井底，有利于高效清洗井底岩屑等。当然，为了使得PDC与单牙轮复合的内排屑钻头能够通过初始钻井液提供充足的压差作用，第一流道3的流动方向可以与主流道1的流动方向呈钝角设置，其中，两者的夹角越大，初始钻井液产生的压差作用越大，促使携屑钻井液能够顺利脱离井底并且加速抽取的动力也就越大。
进一步的，如图4所示，单牙轮钻头包括依次贯穿钻头体10和钻齿机构11的主喷嘴，有利于初始钻井液依次经过主流道1和主喷嘴注入井底以冲刷岩屑，方便钻井液携带井底岩屑经由排屑槽8排出。
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PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，包括单牙轮钻头以及具有主体(9)的PDC钻头，所述主体(9)的高度方向上具有主流道(1)和内排屑通道(2)，所述内排屑通道(2)包括第一流道(3)、第二流道(4)和自所述主体(9)的顶面向下延伸的上段流道(5)，所述第一流道(3)自所述上段流道(5)向下延伸至所述主流道(1)并且设置为能够反向排出所述主流道(1)的初始钻井液以形成反向压差，所述第二流道(4)自所述上段流道(5)向下延伸至所述主体(9)的底面并且设置为能够在所述第一流道(3)的压差作用下抽取所述主体(9)的底面处的携屑钻井液，所述单牙轮钻头安装于所述主流道(1)的底部并且设置为能够与所述PDC钻头共同破岩。
2.根据权利要求1所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述单牙轮钻头包括钻头体(10)和钻齿机构(11)，所述钻头体(10)安装于所述主流道(1)，所述钻齿机构(11)安装于所述钻头体(10)，所述PDC钻头具有刀翼(6)，所述刀翼(6)自所述主体(9)的外周壁向下延伸以围在所述钻齿机构(11)的外侧，以与所述钻齿机构(11)共同破岩。
3.根据权利要求2所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述PDC钻头包括多个所述刀翼(6)，多个所述刀翼(6)沿所述主体(9)的周向间隔分布以包裹所述钻齿机构(11)。
4.根据权利要求3所述的PDC与单牙轮的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述刀翼(6)的靠近相邻所述刀翼(6)的侧壁具有沿该侧壁的外边沿的延伸方向间隔分布的多个牙齿(7)。
5.根据权利要求2所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述钻头体(10)可拆卸地安装于所述主流道(1)中。
6.根据权利要求5所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述主体(9)通过所述主流道(1)与所述钻头体(10)螺接。
7.根据权利要求1所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述主体(9)包括沿所述主流道(1)的周向间隔分布的多个所述内排屑通道(2)。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，所述主体(9)的底面开设有排屑槽(8)，所述第二流道(4)开设在所述排屑槽(8)的底壁。
9.根据权利要求1所述的PDC与单牙轮复合的内排屑钻头，其特征在于，在所述第一流道(3)与所述上段流道(5)的连通处，所述第一流道(3)的流通面积小于所述上段流道(5)的流通面积。
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