CN113187406B - 一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，解决了现有技术中微牙轮钻头存在的井底模式改变、有效钻进深度低、测试数据误差大和岩芯浪费的技术问题。它包括钻头座（1），所述钻头座（1）的钻进面由倾斜面（8）和水平面（9）构成；所述倾斜面（8）上固定有牙轮轴（5），所述牙轮轴（5）垂直于倾斜面（8），所述牙轮轴（5）上安装有牙轮；所述水平面（9）上固定有加长杆（3），所述加长杆（3）上连接有保径齿（4）。本发明通过牙轮保证井底始终为水平平面，通过保径齿（4）保证在钻进过程中井底破碎坑直径不变，实现在一块岩芯上连续钻进，减少无效钻进，避免岩芯浪费，提高了室内微钻试验效率。

Description

一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头
技术领域
本发明涉及石油与天然气中岩石可钻性评价试验的技术领域，具体涉及一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头。
背景技术
在石油与天然气开发的过程中，钻成井筒的钻井过程是投资最大、耗时最长的环节；为了实现以最快速度、最小投资钻成井筒，需要对来自井下取芯的岩样进行可钻性测试以指导钻头选型；目前的可钻性测试按照国标“SY/T5426-2016：石油天然气钻井工程岩石可钻性测定与分级”执行；该标准规定：采用叠片式双牙轮微钻头，叠片式双牙轮微钻头由刀片轴将8片刀片和9块垫片穿在钻头体上叠合而成，它在常温常压条件下以固定的钻压和固定的转速，在直径50mm、高度50mm的柱体岩样表面钻进2.4mm，根据钻进的时间计算岩石可钻性。
随着油气开发向深层发展，井越来越深，钻速越来越慢，成本越来越高，对提高钻速、降低成本的要求也越来越高；钻井界已经不满足于在常温常压条件下以固定的钻压和固定的转速只测一点的可钻性评价方法了，而希望在改变钻压、转速、钻井液密度、水力能量等一系列对钻速有重要影响的施工参数下测量一系列的可钻性，建立多元钻速方程，对钻头类型、钻压、转速、钻井液密度、水力能量等可控施工参数进行优选，达到最大限度地提高钻速、降低成本；这样，目前国标规定的在一块岩样上以固定参数只测一点的方法，就必须扩展为在一块岩样上以改变参数的方式连续测很多点。
然而，目前国标规定的叠片式双牙轮微钻头，在改变参数测多点的连续钻进过程中，井底的形状和面积在不断变化，这种变化导致单位面积破碎能量改变且破碎方式由冲击破碎向冲击加剪切破碎发展，这使得各测试点数据不具有严格意义上的可比性，因此无法得出正确的测试结果；另外，目前国标规定的叠片式双牙轮微钻头在长距离的连续钻进过程中所形成的井底是球柱形井底，从开始钻进到形成稳定井底的钻进行程的数据无法用于可钻性测定，这导致了50mm高岩样的三分之二为无效，不但耗费了无效的钻进时间，还使得极其珍贵的深井岩芯大量浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，以解决现有技术中微牙轮钻头存在的井底模式改变、有效钻进深度低、测试数据误差大和岩芯浪费的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，包括钻头座，钻头座为直径和高度适当的圆柱体，所述钻头座的钻进面由设有倾斜面和水平面构成，倾斜面的倾斜角度，由牙轮的锥度和直径决定，以保证井底的水平平面；所述倾斜面上固定有牙轮轴，所述牙轮轴垂直于倾斜面，所述牙轮轴上安装有牙轮；所述水平面上固定有加长杆，所述加长杆上连接有保径齿，保径齿使用具有高硬度和高耐磨性的合金材料加工成型，作用是保证微钻头在钻进过程中齿的锐度和微钻头的直径不变。
所述牙轮包括多个切削半径不相等的切削刀片，所述切削刀片均安装在牙轮轴上，切削刀片采用叠片式，便于刀片的加工和更换，降低测定试验的成本，缩短测定试验的时间；所述牙轮为圆锥体形牙轮，牙轮的锥度、直径以及切削刀片的位置决定切削刀片的直径尺寸，刀片的直径和井底高效击碎图决定切削刀片的齿数、齿高和齿尖角。
所述切削刀片的上部齿尖在同一水平面上。
所述切削刀片与倾斜面之间，以及相邻切削刀片之间安装有垫片，从而给齿提供有效的破碎坑距离，避免切削刀片之间的运动干扰。
所述切削刀片和垫片上均设有通孔；所述通孔的孔径尺寸与牙轮轴的轴径尺寸相匹配。
所述加长杆通过沉头螺钉固定在水平面上。
所述钻头座的另一端设有外螺纹，通过螺纹配合连接到岩石可钻性测定试验装置的伸缩钻杆上进行室内微钻试验。
本发明至少可以产生如下技术效果：
本发明通过将切削刀片倾斜安装，保证微钻头在钻进过程中井底形状和面积不发生改变；各切削刀片齿尖在同一平面上，使井底始终为平面，通过保径齿，保证在钻进过程中井底破碎坑直径不变，实现在一块岩芯上连续钻进，减少无效钻进，避免岩芯浪费，提高了室内微钻试验效率；且结构稳固，零部件较少，便于组装和加工。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是图1的俯视图；
图4是本发明的三维示意图；
图5是切削刀片和钻孔空间相对位置示意图；
图中：1-钻头座；2-沉头螺钉；3-加长杆；4-保径齿；5-牙轮轴；6-垫片；7-切削刀片；8-倾斜面；9-水平面；10-外螺纹。
具体实施方式
如图1-图4所示，一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，包括钻头座1，钻头座1为直径和高度适当的圆柱体，所述钻头座1的钻进面由倾斜面8和水平面9构成；所述倾斜面8上固定有牙轮轴5，所述牙轮轴5垂直于倾斜面8，所述牙轮轴5上安装有牙轮；所述水平面9上固定有加长杆3，所述加长杆3上连接有保径齿4，保径齿4使用具有高硬度和高耐磨性的合金材料加工成型，作用是保证微钻头在钻进过程中齿的锐度和微钻头的直径不变。
作为可选的实施方式，所述牙轮包括四个切削半径不相等的切削刀片7，所述切削刀片7均安装在牙轮轴5上，切削刀片7采用叠片式，便于刀片的加工和更换，降低测定试验的成本，缩短测定试验的时间；所述牙轮为圆锥体形牙轮，牙轮的锥度、直径以及切削刀片7的位置决定切削刀片7的直径尺寸，刀片的直径和井底高效击碎图决定切削刀片7的齿数、齿高和齿尖角。
作为可选的实施方式，所述切削刀片7的上部齿尖在同一水平面上。
作为可选的实施方式，所述切削刀片7与倾斜面8之间，以及相邻切削刀片7之间安装有垫片6，从而给齿提供有效的破碎坑距离，避免切削刀片7之间的运动干扰。
作为可选的实施方式，所述切削刀片7和垫片6上均设有通孔；所述通孔的孔径尺寸与牙轮轴5的轴径尺寸相匹配。
作为可选的实施方式，所述加长杆3通过沉头螺钉2固定在水平面9上。
作为可选的实施方式，所述钻头座1的另一端设有外螺纹10，通过螺纹配合连接到岩石可钻性测定试验装置的伸缩钻杆上进行室内微钻试验。
作为可选的实施方式，所述钻头座1、切削刀片7、垫片6、牙轮轴5和沉头螺钉2均采用适当材料和适当的热处理工艺加工成型。
作为可选的实施方式，该微型牙轮钻头可在岩芯上钻成适当直径的井筒，且直径小于岩芯直径一定值，以保证在岩芯上形成一定壁厚的井筒，一定的壁厚保证钻进过程中井壁不会破坏。
作为可选的实施方式，所述倾斜面8的倾斜角度，由牙轮的锥度和直径决定，以保证井底的水平平面；如图5所示，在切削刀片7和钻孔空间相对位置示意图中，钻孔半径用R表示，切削刀片半径用r表示，α为倾斜角度，当倾斜角度恰使切削刀片7的直径包围在钻孔圆柱体内时，牙齿不会刮削井壁，此时切削刀片7的直径恰是圆弧P1-A'-P2的弦；因此可得到倾斜面的倾斜角度与切削刀片7最大直径间的几何关系为：
Figure BDA0003087934410000041
Figure BDA0003087934410000042
作为可选的实施方式，所述切削刀片7的直径由牙轮的锥度和直径以及切削刀片7的位置所决定，所述切削刀片7的齿数、齿高和齿尖角由刀片直径和井底高效击碎图决定。若切削刀片在井底形成破碎坑的最大直径为D，切削刀片7的直径为d，齿间距(一个齿打击吃入岩样到下一个齿打击吃入岩样的距离)为h，则齿数N可由切削刀片7转动一圈时在井底的打击次数求得：
Figure BDA0003087934410000051
其中，两个齿的齿间距必须大于单齿破碎岩样时破碎坑的直径。齿高和齿尖角由牙齿排布方式决定，布齿时尽量使牙齿落入两个破碎坑中间，避免重复破碎，可通过绘制井底高效击碎图，根据牙齿在井底的打击位置合理布齿。
本发明的工作过程为：
使用时，钻头座1在顶部驱动装置的作用下绕竖直轴线转动，钻进时四个切削刀片7均绕牙轮轴5转动，各切削刀片7同时作用于井底，从而使齿持续地破碎井底岩石，在井底形成完整的破碎坑；而保径齿4在钻头旋转过程中不断微量刮削井壁，以消除齿切削井壁的影响，使钻井过程中井底破碎坑直径不变。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：包括钻头座（1），所述钻头座（1）的钻进面由倾斜面（8）和水平面（9）构成；所述倾斜面（8）上固定有牙轮轴（5），所述牙轮轴（5）垂直于倾斜面（8），所述牙轮轴（5）上安装有牙轮；所述水平面（9）上固定有加长杆（3），所述加长杆（3）上连接有保径齿（4）；所述牙轮包括多个切削半径不相等的切削刀片（7），所述切削刀片（7）均安装在牙轮轴（5）上，共同组成圆锥体形牙轮；所述切削刀片（7）的直径由牙轮的锥度和直径以及切削刀片（7）的位置所决定，所述切削刀片（7）的齿数、齿高和齿尖角由刀片直径和井底高效击碎图决定。
2.根据权利要求1所述的一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：所述切削刀片（7）的上部齿尖在同一水平面上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：所述切削刀片（7）与倾斜面（8）之间，以及相邻切削刀片（7）之间安装有垫片（6）。
4.根据权利要求2所述的一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：所述切削刀片（7）和垫片（6）上均设有通孔；所述通孔的孔径尺寸与牙轮轴（5）的轴径尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：所述加长杆（3）通过沉头螺钉（2）固定在水平面（9）上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：所述钻头座（1）的另一端设有外螺纹（10）。
7.根据权利要求1所述的一种适用于油气钻井行业室内微钻试验的微型牙轮钻头，其特征在于：所述倾斜面（8）的倾斜角度，由牙轮的锥度和直径决定。
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