CN112610159A - 一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头及钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，包括钻头接头、钻头体；钻头体沿圆周方向均匀设置有若干阶梯式刀翼；阶梯式刀翼的径向外端面包括由钻头体侧壁向头端方向延伸的外环端面、由外环端面边缘向下阶梯式内凹且向钻头体头端中心方向延伸的内环端面；内环端面上沿母线方向设置若干内环切削齿；外环端面上沿母线方向设置若干外环端面切削齿；钻头体的头端中心处设置中心齿；钻头体上设置钻头喷嘴。本发明阶梯式刀翼中内环端面的内凹设置以及钻头体中心部位中心齿的设置，能有效防止“掏心”情况的发生，同时大大降低了中心部位岩石的破碎难度，从而适应智能钻井的需要。

Description

一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头及钻井方法

技术领域

本发明属于钻井工程技术领域，具体涉及一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头及钻井方法。

背景技术

随着科技的进步及国内外油气资源勘探开发力度的增大，使得油气资源开采工作逐渐向深层及超深层发展，钻井技术向着智能化及智慧化发展。钻头是油气钻井开采中直接作用在岩石上的工具，然而传统钻头在钻进过程中，钻遇坚硬地层时存在钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的不均衡、切削齿易损坏、产生“掏心”或环形损伤等问题，无法满足当下提速增效的钻井工艺要求。因此，卸载井底应力集中，均衡钻头不同部位的破岩能力、降低切削齿在破坏岩石过程中的能耗，对提高钻进速度和降低钻井成本起着重要的作用。

基于以上问题，本申请提出一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头及钻井方法，该钻头及钻井方法既能释放井底应力，降低破岩比功(破岩比功是指破碎单位体积的的岩石所消耗的机械能)，又具有防掏心功能，可起到提高钻井速度，延长破岩工具寿命及拓展钻头应用范围的作用，以适应智能钻井的需要。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，包括固定连接的钻头接头、钻头体；

所述钻头体沿圆周方向均匀设置有若干阶梯式刀翼，所述阶梯式刀翼由钻头体的头端延伸至钻头体的侧壁；

所述阶梯式刀翼的径向外端面包括由钻头体侧壁向头端方向延伸的外环端面、由外环端面边缘向下阶梯式内凹且向钻头体头端中心方向延伸的内环端面；

所述内环端面上沿母线方向设置若干内环切削齿；

所述外环端面上沿母线方向设置若干外环端面切削齿；

所述钻头体的头端中心处设置中心齿；

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；

所述钻头体内部设置有与钻井液流道连通的钻头内腔；

所述钻头体上设置钻头喷嘴，所述钻头喷嘴通过喷嘴流道与钻头内腔相连通。

优选的，所述外环端面包括沿圆周方向分布的呈阶梯状的前排外环端面和后排外环端面，所述前排外环端面的周向包络面位于后排外环端面周向包络面的内部；

所述外环端面切削齿包括设置在前排外环端面上且沿母线方向分布的若干外环前排切削齿、设置在后排外环端面上且沿母线方向分布的若干外环后排切削齿；

所有外环前排切削齿齿端的周向包络面位于所有外环后排切削齿齿端周向包络面的外部。

优选的，所述中心齿为多棱锥齿，所述多棱锥齿的齿身端部呈圆柱体，所述多棱锥齿的破岩端为多棱锥齿面。

优选的，所述阶梯式刀翼中外环端面与内环端面之间的竖直阶梯连接面呈柱面结构；

所有阶梯式刀翼的竖直阶梯连接面位于同一个轴向圆柱面上，所述轴向圆柱面的中心轴线与钻头体中心轴线共线。

优选的，所述内环切削齿为平面齿或非平面齿。

优选的，所述外环前排切削齿为锥形齿。

优选的，所述外环后排切削齿为平面齿或非平面齿。

优选的，所述阶梯式刀翼中前排外环端面与后排外环端面之间形成阶梯连接面，靠近钻头体头端的阶梯连接面上设置外环切削齿。

优选的，所述钻头喷嘴包括设置在阶梯式刀翼之间钻头体上的内排喷嘴、设置在阶梯式刀翼外环背部的外排喷嘴。

本发明还提供一种适合于难钻地层智能钻井的钻井方法。

一种适合于难钻地层智能钻井的钻井方法，基于适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头进行钻井，所述钻井方法包括以下步骤：

1)外环端面上的外环端面切削齿首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头外环部位的岩石进行破碎；在外环端面切削齿破岩过程中，外排喷嘴喷射钻井液以清洗外环端面切削齿并将岩屑携带到地面；

2)随着外环端面切削齿破岩的进行，在钻头中心阶梯式下凹的内环端面区域内形成岩石柱，有效释放了井底压力；

3)随着破岩的进行，内环端面上的内环切削齿和中心部位的中心齿接触岩石柱，在钻压扭矩的作用下内环切削齿、中心齿共同对钻头内环部位的岩石柱进行破碎，在均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的前提下实现整个破岩钻进过程；在内环切削齿、中心齿破岩过程中，内排喷嘴喷射钻井液以清洗内环切削齿、中心齿并将岩屑携带到地面。

本发明的有益效果是：

(1)本发明阶梯式刀翼中内环端面的内凹设置以及钻头体中心部位中心齿的设置，钻遇地层时，先由外环部位对井底岩石进行破碎，中心部位形成“岩石柱”，有效释放了井底应力，“岩石柱”部位形成了应力卸载区域，能有效防止“掏心”情况的发生；内环端面上的内环切削齿和中心部位的多棱锥齿共同作用，对中间“岩石柱”进行联合破碎，大大降低了中心部位岩石的破碎难度，从而起到均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的作用。

(2)本发明中阶梯式刀翼上外环端面上外环前排切削齿、外环后排切削齿组成双排切削齿，首先对钻头外环部位的岩石进行破碎，在这双排切削齿的共同作用下，阶梯式刀翼外环部位的岩石在较小的机械能下被破碎，能显著降低岩石的破碎比功，降低切削齿破岩负担，提高钻头使用寿命。

(3)本发明中阶梯连接面上的外环切削齿的设置，使外环后排上形成多排切削齿，当外环后排切削齿损坏之后，阶梯连接面上的外环切削齿能代替起到切削作用，从而增强钻头的使用寿命。

(4)本发明中内排喷嘴、外排喷嘴共同设置，能够保证从喷嘴喷射而出的钻井液能够有效地清洗、降温破岩主要部位的内环以及外环上的切削齿，避免了岩屑堆积而导致的重复破碎现象发生。

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是本发明适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头的结构示意立体图；

图2是本发明适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头的结构示意俯视图；

图3是本发明适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头的轴向剖视图；

图4是本发明适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头的几何结构示意图一；

图5是本发明适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头的几何结构示意图二；

图6是本发明中阶梯式刀翼的结构示意立体图一；

图7是本发明中阶梯式刀翼的结构示意立体图二；

图8是本发明中阶梯式刀翼的结构示意俯视图；

图9是本发明中中心齿的结构示意主视图；

图10是本发明中中心齿的结构示意主视图；

图11是破岩比功随L的变化曲线图；

图12是本发明内环端面区域内凹圆柱区内形成的“岩石柱”部位的应力图；

其中：

1-钻头接头，101-螺纹，102-钻井液流道；

2-钻头体，201-圆柱面，202-曲面，203-钻头内腔，204-喷嘴流道；

3-阶梯式刀翼，301-内环端面，302-前排外环端面，303-后排外环端面，304-竖直阶梯连接面；

4-内环切削齿；

5-外环前排切削齿；

6-外环后排切削齿；

7-中心齿，701-多棱锥齿面；

801-内排喷嘴，802-外排喷嘴；

9-外环切削齿；

10-阶梯连接面。

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。

实施例1：

如图1-3所示，一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，包括固定连接的钻头接头1、钻头体2；

所述钻头体2沿圆周方向均匀设置有若干阶梯式刀翼3，所述阶梯式刀翼3由钻头体2的头端延伸至钻头体2的侧壁；

如图6-8所示，所述阶梯式刀翼3的径向外端面包括由钻头体2侧壁向头端方向延伸的外环端面、由外环端面边缘向下阶梯式内凹且向钻头体2头端中心方向延伸的内环端面301；其中，内环端面301为平面或者上粗下细的内凹锥面或者上细下粗的外凸锥面；

所述内环端面301上沿母线方向设置若干内环切削齿4；

所述外环端面上沿母线方向设置若干外环端面切削齿；

所述钻头体2的头端中心处设置中心齿7；

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102；

所述钻头体2内部设置有与钻井液流道连通102的钻头内腔203；

所述钻头体2上设置钻头喷嘴，所述钻头喷嘴通过喷嘴流道204与钻头内腔203相连通。

优选的，所述外环端面包括沿圆周方向分布的呈阶梯状的前排外环端面302和后排外环端面303，所述前排外环端面302的周向包络面位于后排外环端面303周向包络面的内部，即前排外环端面302要低于后排外环端面303；

所述外环端面切削齿包括设置在前排外环端面302上且沿母线方向分布的若干外环前排切削齿5、设置在后排外环端面303上且沿母线方向分布的若干外环后排切削齿6；其中，外环前排切削齿5、外环后排切削齿6可以前后同轨道分布，也可以前后交错分布；其中同轨道分布是指外环前排切削齿5、外环后排切削齿6成对布置，且成对的外环前排切削齿5、外环后排切削齿6位于同一径向圆周上；

所有外环前排切削齿5齿端的周向包络面位于所有外环后排切削齿6齿端周向包络面的外部，即外环前排切削齿5相对于外环后排切削齿6更向外凸出，因此钻井时，钻头转动方向上首先破碎岩石的为外环前排切削齿5，随后破碎岩石的为外环后排切削齿6。

具体地，所述钻头接头1的外端面上设置螺纹101，用来与钻杆相连。

具体地，所述钻头体2的外端面包括靠近钻头接头1的圆柱面201以及与圆柱面201同轴相连的曲面202；具体地，阶梯式刀翼3设置在曲面202上，其中曲面202的顶面为平面；

所述曲面202的头端设置有用来镶嵌中心齿7的圆孔。

优选的，如图9-10所示，所述中心齿7为多棱锥齿，所述多棱锥齿的齿身端部呈圆柱体，所述多棱锥齿的破岩端为多棱锥齿面701，多棱锥齿的每个齿面都能起到破岩作用；所述中心齿7的齿端至少具有三个棱锥齿面；中心齿7为三棱及以上的多棱锥齿。

优选的，所述阶梯式刀翼3中外环端面与内环端面301之间的竖直阶梯连接面304呈柱面结构；

所有阶梯式刀翼3的竖直阶梯连接面304位于同一个轴向圆柱面上，所述轴向圆柱面的中心轴线与钻头体2中心轴线共线。

具体地，如图4-5所示，所述竖直阶梯连接面304在钻头体2轴向方向的高度h为1/5D～D；

所述轴向圆柱面的直径d为1/5D～4/5D，D为钻头直径。

在该尺寸时，钻头破岩比功较低，破碎单位体积的的岩石所消耗的机械能较少，有利于钻头寿命的延长。

优选的，所述内环切削齿4为平面齿或非平面齿。

优选的，所述外环前排切削齿5为锥形齿，可以为圆锥齿，也可以为与中心齿7同结构的多棱锥齿，当外环前排切削齿5也为多棱锥齿时，中心齿7的尺寸要大于外环前排切削齿5。

优选的，所述外环后排切削齿6为平面齿或非平面齿。

具体地，如图4所示，所述阶梯型刀翼3中外环前排切削齿5齿端与钻头体2中心轴线之间的垂线l1、外环后排切削齿6齿端与钻头体2中心轴线之间的垂线l2所呈的夹角θ为锐角。此种结构保证了在较小的空间内分布更多的切削齿，提高了空间利用率的同时，能够降低破岩难度。

具体地，所有外环前排切削齿5齿端的周向包络面、所有外环后排切削齿6齿端周向包络面在同一径向截面下的径向距离差L为1/3H～1/2H，H为外环前排切削齿5的切削深度，即H为外环前排切削齿5凸出前排外环端面的自身高度。

在该尺寸范围内，破岩比功优化效果最好。其中，破岩比功随L的变化曲边如图11所示。

优选的，所述阶梯式刀翼3中前排外环端面302与后排外环端面303之间形成阶梯连接面10，靠近钻头体2头端的阶梯连接面10上设置外环切削齿9；即在外环后排上形成多排切削齿，靠近钻头体2头端的区域为高应力区域，此处的外环后排切削齿6易损坏，当外环后排切削齿6损坏之后，阶梯连接面10上的外环切削齿9能代替起到切削作用，从而增强钻头的使用寿命。

优选的，所述钻头喷嘴8包括设置在阶梯式刀翼3之间钻头体2上的内排喷嘴801、设置在阶梯式刀翼3外环背部的外排喷嘴802。

其中内排喷嘴801正对相应的内环切削齿5，能够对内环端面301、内环切削齿5进行清洗；外排喷嘴802正对相邻阶梯式刀翼3以及其外环上的切削齿，内排喷嘴、外排喷嘴共同作用，此种结构保证了从喷嘴喷射而出的钻井液能够有效地清洗、降温破岩主要部位的切削齿，避免了岩屑堆积而导致的重复破碎现象发生。

本发明阶梯式钻头，当钻遇地应力较高的地层时，阶梯式刀翼3上外环端面上外环前排切削齿5、外环后排切削齿6组成双排切削齿，首先对钻头外环部位的岩石进行破碎，在这双排切削齿的共同作用下，阶梯式刀翼3外环部位的岩石在较小的机械能下被破碎，随着外排喷嘴802喷射出的钻井液被排出。

钻头内环端面301高度较低，因此，在钻头中心内环端面301区域形成内凹圆柱区，在钻遇地层过程中，该内凹圆柱区内会形成“岩石柱”。当钻遇地应力较高区域，岩石可钻性差，此种阶梯结构在钻进过程中所形成的“岩石柱”有效的降低甚至消除了地应力对岩石可钻性的影响，大大提高了岩石可钻性。如图12所示，“岩石柱”部位形成了应力卸载区域，能有效防止“掏心”情况的发生。内环端面301上的内环切削齿4和中心部位的多棱锥切削齿共同作用，对中间“岩石柱”进行破碎，形成的岩屑被内排喷嘴801喷射而出的钻井液携带、冲洗。

实施例2：

一种适合于难钻地层智能钻井的钻井方法，基于实施例1中的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头进行钻井，所述钻井方法包括以下步骤：

1)外环端面上的外环端面切削齿首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头外环部位的岩石进行破碎；在外环端面切削齿破岩过程中，外排喷嘴802喷射钻井液以清洗外环端面切削齿并将岩屑携带到地面；

2)随着外环端面切削齿破岩的进行，在钻头中心阶梯式下凹的内环端面301区域内形成岩石柱，有效释放了井底压力；

3)随着破岩的进行，内环端面301上的内环切削齿4和中心部位的中心齿7接触岩石柱，在钻压扭矩的作用下内环切削齿4、中心齿7共同对钻头内环部位的岩石柱进行破碎，在均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的前提下实现整个破岩钻进过程；在内环切削齿4、中心齿7破岩过程中，内排喷嘴801喷射钻井液以清洗内环切削齿4、中心齿7并将岩屑携带到地面。

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 (10)

1.一种适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，包括固定连接的钻头接头、钻头体；

所述钻头体沿圆周方向均匀设置有若干阶梯式刀翼，所述阶梯式刀翼由钻头体的头端延伸至钻头体的侧壁；

所述阶梯式刀翼的径向外端面包括由钻头体侧壁向头端方向延伸的外环端面、由外环端面边缘向下阶梯式内凹且向钻头体头端中心方向延伸的内环端面；

所述内环端面上沿母线方向设置若干内环切削齿；

所述外环端面上沿母线方向设置若干外环端面切削齿；

所述钻头体的头端中心处设置中心齿；

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；

所述钻头体内部设置有与钻井液流道连通的钻头内腔；

所述钻头体上设置钻头喷嘴，所述钻头喷嘴通过喷嘴流道与钻头内腔相连通。

2.如权利要求1所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述外环端面包括沿圆周方向分布的呈阶梯状的前排外环端面和后排外环端面，所述前排外环端面的周向包络面位于后排外环端面周向包络面的内部；

所述外环端面切削齿包括设置在前排外环端面上且沿母线方向分布的若干外环前排切削齿、设置在后排外环端面上且沿母线方向分布的若干外环后排切削齿；

所有外环前排切削齿齿端的周向包络面位于所有外环后排切削齿齿端周向包络面的外部。

3.如权利要求1所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述中心齿为多棱锥齿，所述多棱锥齿的齿身端部呈圆柱体，所述多棱锥齿的破岩端为多棱锥齿面。

4.如权利要求1所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述阶梯式刀翼中外环端面与内环端面之间的竖直阶梯连接面呈柱面结构；

所有阶梯式刀翼的竖直阶梯连接面位于同一个轴向圆柱面上，所述轴向圆柱面的中心轴线与钻头体中心轴线共线。

5.如权利要求1所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述内环切削齿为平面齿或非平面齿。

6.如权利要求2所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述外环前排切削齿为锥形齿。

7.如权利要求2所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述外环后排切削齿为平面齿或非平面齿。

8.如权利要求2所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述阶梯式刀翼中前排外环端面与后排外环端面之间形成阶梯连接面，靠近钻头体头端的阶梯连接面上设置外环切削齿。

9.如权利要求1所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头，其特征是，所述钻头喷嘴包括设置在阶梯式刀翼之间钻头体上的内排喷嘴、设置在阶梯式刀翼外环背部的外排喷嘴。

10.一种适合于难钻地层智能钻井的钻井方法，其特征是，基于如权利要求1～9任一所述的适合于难钻地层智能钻井的阶梯式钻头进行钻井，所述钻井方法包括以下步骤：

1)外环端面上的外环端面切削齿首先接触井底，在钻压扭矩的作用下对钻头外环部位的岩石进行破碎；在外环端面切削齿破岩过程中，外排喷嘴喷射钻井液以清洗外环端面切削齿并将岩屑携带到地面；

2)随着外环端面切削齿破岩的进行，在钻头中心阶梯式下凹的内环端面区域内形成岩石柱，有效释放了井底压力；

3)随着破岩的进行，内环端面上的内环切削齿和中心部位的中心齿接触岩石柱，在钻压扭矩的作用下内环切削齿、中心齿共同对钻头内环部位的岩石柱进行破碎，在均衡钻头中心部位与钻头外环部位破岩能力的前提下实现整个破岩钻进过程；在内环切削齿、中心齿破岩过程中，内排喷嘴喷射钻井液以清洗内环切削齿、中心齿并将岩屑携带到地面。

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