CN112177533B - 一种定向钻进的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种定向钻进的PDC钻头，属于地质钻探技术领域，包括钻头本体、定向机构、保径齿、支撑机构和承托机构，定向机构可拆卸连接在钻头本体顶部，用于定向对岩层进行切削钻进，定向机构先对岩层钻进，拆卸定向机构后再通过钻头本体对已被钻进的岩层进行再次钻进，保径齿为多个，均设于钻头本体外壁上，沿钻头本体轴线从钻头本体顶部向底部，保径齿的设置高度依次降低，支撑机构用于支撑所述钻头本体，承托机构与支撑机构可拆卸连接且设有用于与钻杆连接的连接处。本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头，具有的对PDC钻头在做定向钻进岩石时能够准确定位，实现定向钻进，与设计钻进轨迹不出现偏斜，不影响岩石钻进质量的技术效果。

Description

一种定向钻进的PDC钻头

技术领域

本发明属于地质钻探技术领域，更具体地说，是涉及一种定向钻进的PDC钻头。

背景技术

PDC(聚晶金刚石复合片)钻头是广泛应用于石油、地质领域的一种钻头，其具有较高的硬度、耐磨性和使用寿命。PDC钻头破碎岩石的主要方式是切削岩石，由于其一般具有3-7个刀翼，十几个复合片，岩石又是不均质的，因此PDC钻头在工作时存在剧烈的横向振动，削弱了破碎岩石的效率。钻头的旋转依靠钻杆的扭矩，钻头本身并不能产生自主转动，对于切削岩石来讲，全部依靠钻杆的扭矩来实现的。一般情况下PDC钻头在钻进不均质的岩层过程中，会存在偏斜等现象，即钻头在钻进过程中的行进轨迹会与设计钻进轨迹发生偏斜，存在不一致的现象，会导致钻进位置偏斜。

虽然定向钻井技术在石油钻探工程中的应用也迅速增加，定向井的数量也越来越多，在定向钻井中，通常采用旋转与滑动相结合的方式钻取所需的井眼轨迹，然后在井眼轨迹上通过钻头再次钻进钻孔，再次钻进的钻孔与设计钻井位置不偏斜，这样就能满足定向钻井的需求，提高钻井工程效率，降低钻井成本，优选定向钻头很重要。常规的定向钻头采用传统的圆形复合片，它与地层的接触面积大，在破岩时所需要的能量更大，在定向钻井过程中扭矩拨动较大，导致工具面不稳定，不能进行很好的定向钻进，钻头与岩层面接触时易滑移，钻头的钻进轨迹容易与设计轨迹出现偏差，影响施工质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定向钻进的PDC钻头，旨在解决现有技术中的PDC钻头在做定向钻进岩石时容易与设计钻进轨迹出现偏斜，影响岩石钻进质量的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种定向钻进的PDC钻头，包括钻头本体、定向机构、保径齿、支撑机构和承托机构，钻头本体的顶部设有PDC切削齿，用于切削钻进地质岩层；定向机构可拆卸连接在所述钻头本体顶部，所述定向机构置于所述钻头本体轴线上，用于定向对岩层进行切削钻进，所述定向机构先对岩层钻进，拆卸所述定向机构后再通过所述钻头本体对已被钻进的岩层进行再次钻进；保径齿为多个，均设于所述钻头本体外壁上，沿所述钻头本体轴线从所述钻头本体顶部向底部，所述保径齿的设置高度依次降低；支撑机构固设于所述钻头本体底部，与所述钻头本体同轴设置，用于支撑所述钻头本体；承托机构与所述支撑机构可拆卸连接，所述承托机构的底部设有用于与钻杆连接的连接处。

作为本申请另一实施例，所述定向机构包括连接组件、撑开组件和切削组件，连接组件呈圆柱形，与所述钻头本体同轴设置，用于与所述钻头本体可拆卸连接；撑开组件设于所述连接组件顶部，可向远离所述连接组件的方向撑开，所述撑开组件撑开后形成伞型，所述撑开组件的撑开范围可调节；切削组件设于所述撑开组件的外壁上，用于切削岩层，所述撑开组件撑开后借助于所述切削组件对岩层切削。

作为本申请另一实施例，所述连接组件包括连接部、伸缩部和顶杆，连接部用于与所述钻头本体顶部可拆卸连接；伸缩部竖向设于所述连接部顶部，所述伸缩部可在竖向上伸缩且伸缩后可限位；顶杆竖向设于所述伸缩部的顶部，所述顶杆与所述钻头本体之间距离借助于所述伸缩部调节，所述顶杆用于支撑所述撑开组件。

作为本申请另一实施例，所述撑开组件包括第一撑开部和第二撑开部，第一撑开部的一端与所述顶杆顶部铰接、另一端为自由端，所述第一撑开部可绕所述顶杆顶部铰接点转动且可限位，所述切削组件设于所述第一撑开部外壁上；第二撑开部的一端与所述顶杆顶部铰接、另一端为自由端，所述第二撑开部可绕所述顶杆顶部铰接点转动且可限位，所述切削组件设于所述第二撑开部外壁上，所述第二撑开部与所述第一撑开部均撑开后可围成伞型，所述第二撑开部和所述第一撑开部均与所述顶杆适配连接。

作为本申请另一实施例，所述撑开组件还包括推顶件，推顶件为多个，一端与所述顶杆中部铰接、另一端与所述第一撑开部或所述第二撑开部的内侧中部铰接，所述推顶件用于推顶所述第一撑开部和所述第二撑开部分别绕所述顶杆顶部转动，所述第一撑开部和所述第二撑开部相互组合形成的撑开范围借助于多个所述推顶件调节。

作为本申请另一实施例，所述顶杆的中部设有限位环，所述限位环套接在所述顶杆上且可在所述顶杆上限位，所述推顶件的一端卡接在所述限位环上，所述推顶件的高度可借助于所述限位环调节。

作为本申请另一实施例，所述切削组件包括滑轨和切削齿，滑轨为多个，均可拆卸连接在所述撑开组件外壁上，所述滑轨在所述撑开组件上上位置可调节；切削齿为多个，均为PDC切削齿，均布在所述滑轨上，所述切削齿位于所述撑开组件上的位置可通过所述滑轨的安装位置调节。

作为本申请另一实施例，所述第一撑开部和所述第二撑开部相互组合后形成半球形结构，所述第一撑开部的外径小于所述第二撑开部的外径，且所述第一撑开部可套接在所述第二撑开部内。

作为本申请另一实施例，所述伸缩部为伸缩式杆件，且伸缩后的长度可限位；所述连接部呈圆台形，与所述钻头本体顶部为花键连接。

作为本申请另一实施例，所述承托机构内部设有内螺纹，所述支撑机构呈倒圆台型，所述支撑机构外圆周向上设有外螺纹，所述承托机构内部设有与圆台形状相适配的圆台型内槽，所述内螺纹设于所述内槽内侧，所述内螺纹与所述外螺纹螺纹连接。

本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种定向钻进的PDC钻头，包括钻头本体、定向机构、保径齿、支撑机构和承托机构，钻头本体的顶部设有PDC切削齿，用于切削钻进地质岩层，定向机构可拆卸连接在钻头本体顶部，定向机构置于钻头本体轴线上，用于定向对岩层进行切削钻进，定向机构先对岩层钻进，拆卸定向机构后再通过钻头本体对已被钻进的岩层进行再次钻进，支撑机构固设于钻头本体底部，与钻头本体同轴设置，用于支撑钻头本体，承托机构与支撑机构可拆卸连接，解决了现有技术中的PDC钻头在做定向钻进岩石时容易与设计钻进轨迹出现偏斜，影响岩石钻进质量的技术问题，具有的对PDC钻头在做定向钻进岩石时能够准确定位，实现定向钻进，与设计钻进轨迹不出现偏斜，不影响岩石钻进质量的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种定向钻进的PDC钻头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种定向钻进的PDC钻头的定向机构俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种定向钻进的PDC钻头的定向机构半剖视图或图2中的A-A处截面图。

图中：1、钻头本体；2、定向机构；21、连接组件；211、连接部；212、伸缩部；213、顶杆；22、撑开组件；221、第一撑开部；222、第二撑开部；223、推顶件；23、切削组件；231、滑轨；232、切削齿；24、限位环；3、保径齿；4、支撑机构；5、承托机构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头进行说明。所述一种定向钻进的PDC钻头，包括钻头本体1、定向机构2、保径齿3、支撑机构4和承托机构5，钻头本体1的顶部设有PDC切削齿，用于切削钻进地质岩层；定向机构2可拆卸连接在钻头本体1顶部，定向机构2置于钻头本体1轴线上，用于定向对岩层进行切削钻进，定向机构2先对岩层钻进，拆卸定向机构2后再通过钻头本体1对已被钻进的岩层进行再次钻进；保径齿3为多个，均设于钻头本体1外壁上，沿钻头本体1轴线从钻头本体1顶部向底部，保径齿3的设置高度依次降低；支撑机构4固设于钻头本体1底部，与钻头本体1同轴设置，用于支撑钻头本体1；承托机构5与支撑机构4可拆卸连接，承托机构5的底部设有用于与钻杆连接的连接处。

本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头，与现有技术相比，本发明一种定向钻进的PDC钻头，包括钻头本体1、定向机构2、保径齿3、支撑机构4和承托机构5，钻头本体1的顶部设有PDC切削齿，用于切削钻进地质岩层，定向机构2可拆卸连接在钻头本体1顶部，定向机构2置于钻头本体1轴线上，用于定向对岩层进行切削钻进，定向机构2先对岩层钻进，拆卸定向机构2后再通过钻头本体1对已被钻进的岩层进行再次钻进，支撑机构4固设于钻头本体1底部，与钻头本体1同轴设置，用于支撑钻头本体1，承托机构5与支撑机构4可拆卸连接，解决了现有技术中的PDC钻头在做定向钻进岩石时容易与设计钻进轨迹出现偏斜，影响岩石钻进质量的技术问题，具有的对PDC钻头在做定向钻进岩石时能够准确定位，实现定向钻进，与设计钻进轨迹不出现偏斜，不影响岩石钻进质量的技术效果。

保径齿3设于钻头本体1外圆周上，多个保径齿3沿钻头本体1轴线，从钻头本体1顶部到底部的方向，分别定义为第一保径、第二保径、第三保径和第四保径，且保径直径逐渐减小或降低，外径依次减小，在保证钻头保径总长度不变的情况下，第一保径可以保证钻头本体1工作面的稳定性，定向效果好，第二保径、第三保径和第四保径与井壁之间的间隙相对于现有钻头间隙增大，从而加大了钻头钻进方向可以变化的范围，提高了导向效率。先破坏岩层的应力分布，使钻进更加容易，提高钻进速度，先与岩层接触，容易实现钻头本体1再次对岩层的切削位置，可以保证很好的定向钻进，实现定向钻进的功能。连接处是指设置在承托机构5上的螺纹，能够实现与钻杆的螺纹连接。

本发明的钻头，可为PDC钻头，在钻头本体1上设有排屑槽、喷流孔，PDC钻头可以进行切削岩石或岩层，该钻头的操作原理参见现有技术中PDC钻头的操作方法，在此不再介绍，只是说明钻头本体1上具有定向钻进的功能，可以对原有的钻头本体1进行改进，增加了对岩层定向钻进的结构，先通过定向机构2对岩层定向钻进，然后通过钻头本体1对已切削的岩层进行重复钻进，则定向机构2起到了很好的定位作用。在具体实施中，先将定向机构2安装到钻头本体1上，然后通过旋转钻杆，则钻头本体1驱动定向机构2旋转，定向机构2对岩层钻进，然后将定向机构2拆卸下来，再次通过钻头本体1对已切削的岩层进行切削，则被钻头本体1钻进好的钻孔就与设计钻进轨迹一致，通过定向机构2就能很好保证对钻进位置定向。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，定向机构2包括连接组件21、撑开组件22和切削组件23，连接组件21呈圆柱形，与钻头本体1同轴设置，用于与钻头本体1可拆卸连接；撑开组件22设于连接组件21顶部，可向远离连接组件21的方向撑开，撑开组件22撑开后形成伞型，撑开组件22的撑开范围可调节；切削组件23设于撑开组件22的外壁上，用于切削岩层，撑开组件22撑开后借助于切削组件23对岩层切削。定向机构2的结构强度较大，能够承受钻头本体1的扭矩，通过切削组件23对岩层进行定向切削，当切削组件23的切削位置固定好以后，再次通过钻头本体1对已定向的岩层切削位置进行切削。

具体的，切削组件23对岩层切削的位置就是钻头本体1设计的钻进位置，钻进深度可为很小，定向机构2主要是起到了对钻进位置定位的作用，只要钻头本体1能够再次插入至岩层中即可定位钻头本体1的钻进位置，钻头本体1在钻进中不跑偏，保证钻进质量和位置。

撑开组件22的撑开范围可调节，当切削不同性质的岩层时或切削不同直径的钻孔时，通过改变撑开组件22的撑开范围，就可以调节对岩层的切削直径，进而可调节定向机构2对岩层的切削直径，当钻孔被切削完成后，便于在该钻孔内容纳不同外径的钻头本体1，钻头本体1置于该钻孔内，便于对岩层的再次切削。被定向机构2已经切削的钻孔起到了对钻头本体1定向钻进的作用。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，连接组件21包括连接部211、伸缩部212和顶杆213，连接部211用于与钻头本体1顶部可拆卸连接；伸缩部212竖向设于连接部211顶部，伸缩部212可在竖向上伸缩且伸缩后可限位；顶杆213竖向设于伸缩部212的顶部，顶杆213与钻头本体1之间距离借助于伸缩部212调节，顶杆213用于支撑撑开组件22。通过调节伸缩部212的伸缩长度，就可以调节切削组件23与钻头本体1之间间距，便于切削组件23对不同情况下够到岩层并进行切削；顶杆213位于伸缩部212的顶部，与伸缩部212和连接部211同处于同一竖直方向上。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，撑开组件22包括第一撑开部221和第二撑开部222，第一撑开部221的一端与顶杆213顶部铰接、另一端为自由端，第一撑开部221可绕顶杆213顶部铰接点转动且可限位，切削组件23设于第一撑开部221外壁上；第二撑开部222的一端与顶杆213顶部铰接、另一端为自由端，第二撑开部222可绕顶杆213顶部铰接点转动且可限位，切削组件23设于第二撑开部222外壁上，第二撑开部222与第一撑开部221均撑开后可围成伞型，第二撑开部222和第一撑开部221均与顶杆213适配连接。第一撑开部221和第二撑开部222的撑开角度(相对于顶杆213)可调节，进而可改变对岩层的钻进直径，在实际应用中，应根据不同情况进行合理的调节第一撑开部221和第二撑开部222的展开角度。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，撑开组件22还包括推顶件223，推顶件223为多个，一端与顶杆213中部铰接、另一端与第一撑开部221或第二撑开部222的内侧中部铰接，推顶件223用于推顶第一撑开部221和第二撑开部222分别绕顶杆213顶部转动，第一撑开部221和第二撑开部222相互组合形成的撑开范围借助于多个推顶件223调节。推顶件223的推顶长度可调节，进而可调节第一撑开部221和第二撑开部222的张开或撑开范围。与第一撑开部221连接的多个推顶件223同时调节，与第二撑开部222连接的多个推顶件223同时调节。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，顶杆213的中部设有限位环24，限位环24套接在顶杆213上且可在顶杆213上限位，推顶件223的一端卡接在限位环24上，推顶件223的高度可借助于限位环24调节。通过限位环24可以固定推顶件223的伸缩位置，限位环24从顶杆213的上部穿过，并与顶杆213中部卡接。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，切削组件23包括滑轨231和切削齿232，滑轨231为多个，均可拆卸连接在撑开组件22外壁上，滑轨231在撑开组件22上上位置可调节；切削齿232为多个，均为PDC切削齿232，均布在滑轨231上，切削齿232位于撑开组件22上的位置可通过滑轨231的安装位置调节。滑轨231通过螺丝固定在撑开组件22上，通过调节螺丝，可使滑轨231置于撑开组件22上的位置发生改变，从而可使切削齿232置于撑开组件22上的位置改变。滑轨231也呈弧形，与第一撑开部221和第二撑开部222的外圆弧相适配。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第一撑开部221和第二撑开部222相互组合后形成半球形结构，第一撑开部221的外径小于第二撑开部222的外径，且第一撑开部221可套接在第二撑开部222内。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，伸缩部212为伸缩式杆件，且伸缩后的长度可限位；连接部211呈圆台形，与钻头本体1顶部为花键连接。在伸缩式杆件上设有多个顶丝，通过正向或反向旋拧顶丝，可调节伸缩部212的伸缩长度。

具体的，伸缩部212包括三个首尾相互插接的杆体，相邻的杆体之间通过顶丝限位，相邻的杆体的长度固定好以后，则三个杆体的总长度就可锁定，对切削组件23的支撑高度就被锁定。

作为本发明提供的一种定向钻进的PDC钻头的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，承托机构5内部设有内螺纹，支撑机构4呈倒圆台型，支撑机构4外圆周向上设有外螺纹，承托机构5内部设有与圆台形状相适配的圆台型内槽，内螺纹设于内槽内侧，内螺纹与外螺纹螺纹连接。承托机构5截面呈U型，底部设有与钻杆连接的连接处。在承托机构5的外圆周壁上也设有多个保径凸，保径凸能起到对承托机构5在旋转过程中保径的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种定向钻进的PDC钻头，其特征在于，包括：

钻头本体，顶部设有PDC切削齿，用于切削钻进地质岩层；

定向机构，可拆卸连接在所述钻头本体顶部，所述定向机构置于所述钻头本体轴线上，用于定向对岩层进行切削钻进，所述定向机构先对岩层钻进，拆卸所述定向机构后再通过所述钻头本体对已被钻进的岩层进行再次钻进；

保径齿，为多个，均设于所述钻头本体外壁上，沿所述钻头本体轴线从所述钻头本体顶部向底部，所述保径齿的设置高度依次降低；

支撑机构，固设于所述钻头本体底部，与所述钻头本体同轴设置，用于支撑所述钻头本体；以及

承托机构，与所述支撑机构可拆卸连接，所述承托机构的底部设有用于与钻杆连接的连接处；

所述定向机构包括：

连接组件，呈圆柱形，与所述钻头本体同轴设置，用于与所述钻头本体可拆卸连接；

撑开组件，设于所述连接组件顶部，能向远离所述连接组件的方向撑开，所述撑开组件撑开后形成伞型，所述撑开组件的撑开范围可调节；以及

切削组件，设于所述撑开组件的外壁上，用于切削岩层，所述撑开组件撑开后借助于所述切削组件对岩层切削；

所述连接组件包括：

连接部，用于与所述钻头本体顶部可拆卸连接；

伸缩部，竖向设于所述连接部顶部，所述伸缩部可在竖向上伸缩且伸缩后能限位；以及

顶杆，竖向设于所述伸缩部的顶部，所述顶杆与所述钻头本体之间距离借助于所述伸缩部调节，所述顶杆用于支撑所述撑开组件；

所述切削组件包括：

滑轨，为多个，均可拆卸连接在所述撑开组件外壁上，所述滑轨在所述撑开组件上上位置可调节；以及

切削齿，为多个，均为PDC切削齿，均布在所述滑轨上，所述切削齿位于所述撑开组件上的位置可通过所述滑轨的安装位置调节；

所述撑开组件包括：

第一撑开部，一端与所述顶杆顶部铰接、另一端为自由端，所述第一撑开部可绕所述顶杆顶部铰接点转动且能限位，所述切削组件设于所述第一撑开部外壁上；以及

第二撑开部，一端与所述顶杆顶部铰接、另一端为自由端，所述第二撑开部可绕所述顶杆顶部铰接点转动且能限位，所述切削组件设于所述第二撑开部外壁上，所述第二撑开部与所述第一撑开部均撑开后能围成伞型，所述第二撑开部和所述第一撑开部均与所述顶杆适配连接；

所述撑开组件还包括：

推顶件，为多个，一端与所述顶杆中部铰接、另一端与所述第一撑开部或所述第二撑开部的内侧中部铰接，所述推顶件用于推顶所述第一撑开部和所述第二撑开部分别绕所述顶杆顶部转动，所述第一撑开部和所述第二撑开部相互组合形成的撑开范围借助于多个所述推顶件调节；

所述顶杆的中部设有限位环，所述限位环套接在所述顶杆上且能在所述顶杆上限位，所述推顶件的一端卡接在所述限位环上，所述推顶件的高度可借助于所述限位环调节；

所述第一撑开部和所述第二撑开部相互组合后形成半球形结构，所述第一撑开部的外径小于所述第二撑开部的外径，且所述第一撑开部能套接在所述第二撑开部内。

2.如权利要求1所述的一种定向钻进的PDC钻头，其特征在于，所述伸缩部为伸缩式杆件，且伸缩后的长度能限位；所述连接部呈圆台形，与所述钻头本体顶部为花键连接。

3.如权利要求1所述的一种定向钻进的PDC钻头，其特征在于，所述承托机构内部设有内螺纹，所述支撑机构呈倒圆台型，所述支撑机构外圆周向上设有外螺纹，所述承托机构内部设有与圆台形状相适配的圆台型内槽，所述内螺纹设于所述内槽内侧，所述内螺纹与所述外螺纹螺纹连接。