CN113323592B - 一种可套管钻进的pdc钻头及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可套管钻进的PDC钻头及其设计方法，属于石油钻探的技术领域，在PDC钻头的刀翼保径部上布置至少6个隔离单元；在布置时，将各个隔离单元划分为至少两组，每组的各个隔离单元沿同一周向方向分别布置于各个刀翼保径部上并由每组的各个隔离单元分别围成一虚拟平面；由各个虚拟平面分别与套管井壁之间的交线相连后可形成一虚拟接触面，在PDC钻头钻进时，由该虚拟接触面与套管井壁相接触，以达到具有钻塞、钻套管附件且不伤套管、在出套管后仍可继续全面钻进的目的。

Description

一种可套管钻进的PDC钻头及其设计方法

技术领域

本发明属于石油钻探的技术领域，具体而言，涉及一种可套管钻进的PDC钻头及其设计方法。

背景技术

为满足工程要求常常需要在钻进过程中先对已钻井段下入套管，并在其中灌入水泥固井，当需要继续钻进时再钻开水泥层（或称为：水泥塞），实现更深地层的钻进。而传统的钻水泥塞、套管附件等均选用牙轮钻头，钻塞效率低、钻完塞后需要起钻更换PDC钻头继续钻进，且牙轮钻头有活动部件，在钻井过程中存在井下安全风险。

在使用常规PDC钻头对套管中的水泥进行切削钻进时，在理想情况下钻头不会切伤套管（如图1所示），但是由于井底情况比较复杂，在钻进过程钻头除了做自转外还会出现绕中心轴线的摆动（如图2所示），从而使钻头产生一个贴紧井壁的纵向力Fx，在Fx和周向切削力Fy的作用下钻头靠近保径处切削齿的摆动切削会增大保径与井壁之间的间隙，并且使切削齿切入套管中，从而引起套管的损伤。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可套管钻进的PDC钻头及其设计方法以达到具有钻塞、钻套管附件且不伤套管、在出套管后仍可继续全面钻进的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种可套管钻进的PDC钻头设计方法，该设计方法包括：

在PDC钻头的刀翼保径部上布置至少6个隔离单元；在布置时，将各个隔离单元划分为至少两组，每组的各个隔离单元沿同一周向方向分别布置于各个刀翼保径部上并由每组的各个隔离单元分别围成一虚拟平面；

由各个虚拟平面分别与套管井壁之间的交线相连后可形成一虚拟接触面，在PDC钻头钻进时，由该虚拟接触面与套管井壁相接触。

进一步地，各所述隔离单元的顶点到刀翼保径部所在表面的高度相同，且均高出刀翼保径部的表面0.6-2.5mm，可实现在PDC钻头钻过套管中水泥层后，隔离单元能够方便被磨掉且不会影响后续的钻进。

进一步地，各所述虚拟平面相互平行且各所述虚拟平面均与套管井壁的中心线相垂直，有利于更好的发挥隔离单元在钻进过程中，减少钻头摆动和保护套管的作用。

进一步地，将各个隔离单元划分为两组，两组分别对应的虚拟平面之间的间距为38.1cm-76.2cm，钻头在钻进过程中防摆动能力与防切削套管能力更强，更能发挥隔离单元的作用。

进一步地，将各个隔离单元划分为两组，对第一组的各个隔离单元按顺时针方向在各个刀翼保径部上呈间隔布置形成第一虚拟平面；

对第二组的各个隔离单元按顺时针方向在各个刀翼保径部上呈间隔布置形成第二虚拟平面；

其中，第一虚拟平面与第二虚拟平面中的各个隔离单元呈交错方式且均匀布置于各所述刀翼的保径部上；保证隔离单元在能够有效实现其隔离功能的同时，减少钻头在钻进过程中的摆动。

在本发明中还提供了一种可套管钻进的PDC钻头，包括钻头本体、沿同一周向均匀分布于钻头本体上的多个刀翼，各所述刀翼分为保径部和切削齿部，该PDC钻头还包括：

至少两个隔离单元组，各所述隔离单元组至少设有3个隔离单元，同一隔离单元组的各个隔离单元分别设于各所述刀翼的保径部上且由该隔离单元组的各个隔离单元围成一虚拟平面；

其中，各个隔离单元组所对应的虚拟平面之间形成一虚拟接触面，由虚拟接触面与套管井壁接触。

进一步地，各所述隔离单元均采用硬质合金，以满足隔离单元的性能要求。

进一步地，各所述隔离单元的顶点到刀翼的保径部所在表面的高度相同，且均高出保径部所在表面0.6-2.5mm，可实现在PDC钻头钻过套管中水泥层后，隔离单元能够方便被磨掉且不会影响后续的钻进。

进一步地，各所述虚拟平面相互平行且各所述虚拟平面均与套管井壁的中心线相垂直，有利于更好的发挥隔离单元在钻进过程中，减少钻头摆动和保护套管的作用。

进一步地，相邻两所述隔离单元组的各个隔离单元呈交错方式且均匀布置于各所述刀翼的保径部上，保证隔离单元在能够有效实现其隔离功能的同时，减少钻头在钻进过程中的摆动。

本发明的有益效果为：

1. 采用本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头及其设计方法，其在PDC钻头的刀翼保径处设置多个隔离单元，通过对各个隔离单元的布置设计，使其共同形成一虚拟接触面，在钻头的钻进过程中就视为是钻头上的虚拟接触面与套管井壁相接触，达到既能将刀翼保径处的切削齿隔离开以避免切削套管，又能在钻完水泥段后将隔离单元较为容易的磨掉且不影响后续钻进的目的。

附图说明

图1是PDC钻头在理想情况下的钻进示意图；

图2是PDC钻头在实际情况下的钻进示意图；

图3是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头的整个结构示意图；

图4是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头的俯视示意图；

图5是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头设计方法中隔离原理示意图；

图6是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头设计方法中各个虚拟平面的横向分布对比图；

图7是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头设计方法中各个隔离单元在5刀翼数钻头上的周向分布示意图；

图8是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头设计方法中各个隔离单元在6刀翼数钻头上的周向分布示意图；

图9是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头设计方法中各个隔离单元在7刀翼数钻头上的周向分布示意图；

图10是本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头设计方法中虚拟平面的对比图；

图11是采用本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头进行钻进时在理想状态下的示意图；

图12是采用本发明所提供的可套管钻进的PDC钻头进行钻进时在实际状态下的示意图；

附图中标注如下：

1-套管，2-水泥段，3-钻头本体，4-刀翼保径部，5-隔离单元，6-切削齿部，7-虚拟平面，8-虚拟接触面，9-Ⅰ号虚拟平面，10-Ⅱ号虚拟平面，11-Ⅲ号虚拟平面，12-中心线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

为解决传统PDC钻头在钻进套管中水泥段2时存在的问题，在本实施例中具体提供一种可套管钻进的PDC钻头设计方法，该设计方法的技术原理为：采用6点隔离法将PDC钻头与套管1隔离开来，避免钻头上的切削齿6在钻进过程中切伤套管。以6点隔离法为例，如图5所示，该设计方法包括：

在PDC钻头的刀翼保径部4上安装布置6个隔离单元5，各个隔离单元5均采用硬质合金，在本实施例中以6点隔离法为最佳（既能满足形成一个虚拟接触面8，又能保证不会影响到钻出套管1后的继续钻进效率），但在实际应用时，可不限于仅布置6个隔离单元5，应当注意的是：若隔离单元5的数量设计过多，由于隔离单元5不易磨掉，因此，会影响到钻出套管1后的继续钻进效率。为使各个隔离单元5与套管1井壁之间为点接触，各所述隔离单元5的顶点距离刀翼保径部4所在表面的高度相同，且均高出刀翼保径部4的表面0.6-2.5mm（此处的“点接触”不是实际意义上的点接触，实际上是隔离单元5与套管1井壁之间比较小的面进行接触），之所以选择该高度设计隔离单元5，是可实现在PDC钻头钻过套管1中水泥层后，隔离单元5能够方便被磨掉且不会影响后续的钻进。

在实际布置时，将各个隔离单元5平均划分为两组，每一组的3个隔离单元5沿同一周向方向分别布置于各个刀翼保径部4上并由每一组的3个隔离单元5围成一虚拟平面7；在本实施例中，由第一组的3个隔离单元5围成第一虚拟平面，由第二组的3个隔离单元5围成第二虚拟平面。

两个虚拟平面7分别与套管1井壁形成对应的交线，将两交线相连后形成一虚拟接触面8（该虚拟接触面8为直柱面形状），且在PDC钻头的钻进过程中，可视为虚拟接触面8与套管1井壁相接触。

基于上述，为进一步发挥各个隔离单元5的作用，对隔离单元5在钻头保径处的横向与周向布置方法进行优化，具体为：

（1）隔离单元的横向布置设计

在本实施例中将各个隔离单元5划分为两组，在刀翼保径部4的横向方向上布置隔离单元5时应注意，在保证结构性和可加工性的前提下，两组分别对应的虚拟平面7之间的间距为38.1cm-76.2cm，以使6个隔离点所形成的两虚拟平面7之间尽量隔开。之所以要如此设计，理由如下：如图6所示，Ⅰ号虚拟平面9和Ⅱ号虚拟平面10分别与套管1井壁之间的交线相连所形成的虚拟接触面8，且该虚拟接触面8与套管1井壁的接触面积定义为S1；而Ⅰ号虚拟平面9和Ⅲ号虚拟平面11分别与套管1井壁的交线相连后所形成的虚拟接触面8，且该虚拟接触面8与套管1井壁的接触面积定义为S2；可知，S1<S2，由于Ⅰ号虚拟平面9、Ⅲ号虚拟平面11所形成的虚拟接触面8的接触面积更大，采用这种隔离单元5的横向布置设计的钻头在钻进过程中防摆动能力与防切削套管1能力更强，更能发挥隔离单元5的作用。

（2）隔离单元的周向布置设计

①为保证隔离单元5在能够有效实现其隔离功能的同时，减少钻头在钻进过程中的摆动，应尽量使隔离单元5均匀的分布在各个刀翼上。

在本实施例中将各个隔离单元5平均划分为两组，对第一组的各个隔离单元5按顺时针方向在各个刀翼保径部4上呈间隔布置形成第一虚拟平面；对第二组的各个隔离单元5按顺时针方向在各个刀翼保径部4上呈间隔布置形成第二虚拟平面；其中，第一虚拟平面与第二虚拟平面中的各个隔离单元5呈交错方式且均匀布置于各所述刀翼的保径部上。

如图7、图8以及图9所示，以最常用的5刀翼钻头、6刀翼钻头以及7刀翼钻头为例，首先，按顺时针方向并采用隔刀翼布置的方式形成第一虚拟平面（所需要的三个点如图7、图8或图9中1-1、1-2、1-3）；其次，顺时针选取上述三个点（1-1、1-2、1-3）所在刀翼一旁的刀翼，开始按顺时针并采用隔刀翼布置的方式形成第二虚拟平面（所需要的三个点如图7、图8或图9中2-1、2-2、2-3）。其中，以1-2为例，表示形成第一虚拟平面中的第二个隔离单元。

②在本实施例中，如图10所示，由各个隔离单元5所形成的两个虚拟平面7，各个虚拟平面7之间相互平行且各个虚拟平面7均与套管1井壁的中心线12相垂直。如图所示，虚线表示与套管1井壁的中心线12相垂直且相互平行的虚拟平面7，实线则表示与井壁的中心线12不垂直且不相互平行的虚拟平面7。由于虚线所构成的虚拟接触面8与套管1井壁的接触面积相对于由实线所构成的虚拟接触面8与套管1井壁的接触面积更大，更大的接触面积有利于更好的发挥隔离单元5在钻进过程中，减少钻头摆动，保护套管1的作用。

实施例2

在实施例1中提供了一种可套管钻进的PDC钻头设计方法，根据其提供的设计方法进行设计相应的PDC钻头，具体而言，在本实施例中具体提供了一种可套管钻进的PDC钻头，如图3、图4所示，其包括钻头本体3、沿同一周向均匀分布于钻头本体3上的多个刀翼，各所述刀翼分为保径部和切削齿部6，该PDC钻头还包括：

两个隔离单元组，各所述隔离单元组设有3个隔离单元5（两个隔离单元组则总共为6个隔离单元5），各所述隔离单元5均采用硬质合金，同一隔离单元组的各个隔离单元5分别设于各所述刀翼的保径部上且由该隔离单元组的各个隔离单元5围成一虚拟平面7；在本实施例中，各个隔离单元组分别形成第一虚拟平面和第二虚拟平面。

其中，各个隔离单元组所对应的虚拟平面7分别与套管1井壁形成交线，两个交线之间相连后形成一虚拟接触面8，由虚拟接触面8与套管1井壁接触，在PDC钻头的钻进过程中，可视为虚拟接触面8与套管1井壁相接触。

为实现在PDC钻头钻过套管1中水泥段2后，隔离单元5能够方便被磨掉且不会影响后续的钻进，将各所述隔离单元5的顶点距离刀翼的保径部所在表面的高度相同，且均高出保径部所在表面0.6-2.5mm。

各所述虚拟平面7相互平行且各所述虚拟平面7均与套管1井壁的中心线12相垂直，其设计原理见上述实施例1中所述，此处不再赘述。

相邻两所述隔离单元组的各个隔离单元5呈交错方式且均匀布置于各所述刀翼的保径部上，其设计原理见上述实施例1中所述，此处不再赘述。

采用本实施例中所提供的可套管钻进的PDC钻头，其在使用具有隔离单元5的钻头钻进水泥段2时，若工况良好，可看做如图11所示的情况，其硬质合金将钻头上的切削齿6与套管1隔开，钻头的保径面位置与套管1为点接触，避免保径齿和肩部齿与套管1接触；若工况较差，如图12所示的情况，钻头会出现一定的摆动。但由于有隔离单元5的存在，钻头在井底的摆动幅度很大程度上会减小，同时由于隔离单元5靠近保径齿位置，隔离单元5会限制保径齿和肩部齿与套管1接触，防止钻头切伤套管1，达到保护套管1的目的。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可套管钻进的PDC钻头设计方法，其特征在于，该设计方法包括：

在PDC钻头的刀翼保径部上布置至少6个隔离单元；在布置时，将各个隔离单元划分为至少两组，每组的各个隔离单元沿同一周向方向分别布置于各个刀翼保径部上并由每组的各个隔离单元分别围成一虚拟平面；

由各个虚拟平面分别与套管井壁之间的交线相连后可形成一虚拟接触面，在PDC钻头钻进时，由该虚拟接触面与套管井壁相接触；

将各个隔离单元划分为两组，对第一组的各个隔离单元按顺时针方向在各个刀翼保径部上呈间隔布置形成第一虚拟平面；

对第二组的各个隔离单元按顺时针方向在各个刀翼保径部上呈间隔布置形成第二虚拟平面；

其中，第一虚拟平面与第二虚拟平面中的各个隔离单元呈交错方式且均匀布置于各所述刀翼的保径部上；

同一虚拟平面上的各个隔离单元中至少有一对相邻的隔离单元之间间隔有刀翼；

至少一对具有隔离单元的相邻刀翼上的隔离单元分属不同的组而呈交错方式布置。

2.根据权利要求1所述的可套管钻进的PDC钻头设计方法，其特征在于，各所述隔离单元的顶点到刀翼保径部所在表面的高度相同，且均高出刀翼保径部的表面0.6-2.5mm。

3.根据权利要求1所述的可套管钻进的PDC钻头设计方法，其特征在于，各所述虚拟平面相互平行且各所述虚拟平面均与套管井壁的中心线相垂直。

4.根据权利要求1所述的可套管钻进的PDC钻头设计方法，其特征在于，将各个隔离单元划分为两组，两组分别对应的虚拟平面之间的间距为38.1cm-76.2cm。

5.一种可套管钻进的PDC钻头，包括钻头本体、沿同一周向均匀分布于钻头本体上的多个刀翼，各所述刀翼分为保径部和切削齿部，其特征在于，该PDC钻头还包括：

至少两个隔离单元组，各所述隔离单元组至少设有3个隔离单元，同一隔离单元组的各个隔离单元分别设于各所述刀翼的保径部上且由该隔离单元组的各个隔离单元围成一虚拟平面；

其中，各个隔离单元组所对应的虚拟平面之间形成一虚拟接触面，由虚拟接触面与套管井壁接触；

相邻两所述隔离单元组的各个隔离单元呈交错方式且均匀布置于各所述刀翼的保径部上；

同一虚拟平面上的各个隔离单元中至少有一对相邻的隔离单元之间间隔有刀翼；

至少一对具有隔离单元的相邻刀翼上的隔离单元分属不同的组而呈交错方式布置。

6.根据权利要求5所述的可套管钻进的PDC钻头，其特征在于，各所述隔离单元均采用硬质合金。

7.根据权利要求5所述的可套管钻进的PDC钻头，其特征在于，各所述隔离单元的顶点到刀翼的保径部所在表面的高度相同，且均高出保径部所在表面0.6-2.5mm。

8.根据权利要求5所述的可套管钻进的PDC钻头，其特征在于，各所述虚拟平面相互平行且各所述虚拟平面均与套管井壁的中心线相垂直。

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