CN114251053A - 一种套管钻井用钻头 - Google Patents
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Abstract
一种套管钻井用钻头,包括外钻头静套、外钻头和内钻头,外钻头静套套装在外钻头外侧,内钻头安装在外钻头的中心通孔内,内钻头与外钻头经锁销组件连接,外钻头均布外钻头刀翼,外钻头刀翼外钻头底部向外壁延伸,外钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片;内钻头均布内钻头刀翼,内钻头刀翼由底面向外壁延伸,内钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片,内钻头刀翼由间隔分布的长刀翼和短刀翼构成,各长刀翼延伸至内钻头中心且相连,内钻头刀翼与外钻头刀翼位置对应。采用本发明,可以解决复杂地层、超深井地层以及具有窄密度窗口的地层钻井问题,能够将钻井与下套管一次性完成,提高钻进效率及钻井的安全性、可靠性,减少作业时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻进装置,特别是套管钻井用钻头,属钻探工程技术领域。
背景技术
钻探领域中,传统的钻井方式是先进行钻孔,然后下套管进行护壁,这种方式存在一定的安全问题,在钻孔完成后,起钻下套管期间,裸眼可能会发生井壁坍塌,也可能会存在套管卡阻,无法下到位的情况,并且浪费大量时间,尤其是在深井、水平井及海上施工时。由此,产生了一种套管钻井方法,即利用套管代替钻杆,将钻孔和下套管两种工艺过程合二为一,一次性完成,提高了钻进效率,且能够减少安全事故的发生。套管钻井的最重要部件就是钻头,目前现有套管钻井用钻头主要为两种,一种是可钻性钻头,如CN200720004283公开的铸铁心式套管钻头,该专利设计使用一种铸铁式钻头,完钻后在套管内下入钻头将下部铸铁式钻头打掉可继续钻进;另一种是打捞式钻头,如CN201810163039-可捞式套管钻进专用钻头,钻进完成后,下放钻杆通过压缩,实现限位、解脱等一系列动作,上提钻杆即可取出钻头部与切削部。上述钻头存在的主要问题一是进尺效率慢,工作效率低;二是机械结构设计不合理,导致解锁风险增大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种钻进效率高、解锁方便且使用寿命长的套管钻井用钻头。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的:
一种套管钻井用钻头,包括外钻头静套、外钻头和内钻头,外钻头静套套装在外钻头上部外侧,外钻头静套与外钻头转动连接,内钻头安装在外钻头的中心通孔内,内钻头与外钻头经锁销组件连接,外钻头均布外钻头刀翼,外钻头刀翼外钻头底部向外壁延伸,外钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片;内钻头均布内钻头刀翼,内钻头刀翼由底面向外壁延伸,内钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片,内钻头刀翼由间隔分布的长刀翼和短刀翼构成,各长刀翼延伸至内钻头中心且相连,内钻头刀翼与外钻头刀翼位置对应,在钻头的底面上外钻头刀翼、内钻头刀翼由外至内宽度递减。
上述套管钻井用钻头,所述锁销组件包括锁堵、锁销、弹簧和顶丝,外钻头壁上设有数个锁堵孔,内钻头对应锁堵孔设有锁销槽,锁销、弹簧和顶丝依次安装在锁堵内,顶丝螺纹旋入锁堵外端,锁销端部穿过锁堵内端、插入锁销槽内,锁销的直径小于锁销槽高度尺寸4毫米。
上述套管钻井用钻头,所述内钻头上部小下部大,内钻头中部设有腔体,内钻头上部小直径段设有数个倾斜的进水通孔,进水通孔连接腔体,内钻头下部设有数个倾斜设置的小水眼,每个小水眼分别邻近一条内钻头刀翼,内钻头底面还设有数个大水眼,各大水眼的出口对应内钻头的短刀翼。
上述套管钻井用钻头,外钻头静套与外钻头接合面间设有五排滚珠,在外钻头静套上对应每排滚珠分别设有注油孔,注油孔由注液孔丝堵封堵。
上述套管钻井用钻头,外钻头静套与外钻头接合面设有密封组件,密封组件分别位于滚珠的上下部,密封组件由挡圈和密封圈构成。
上述套管钻井用钻头,所述外钻头刀翼、内钻头刀翼上安装的复合金刚石刀片与竖直方向的倾角a为25°-30°,外钻头刀翼的切削面与内钻头刀翼的切削面为相互匹配的外凸弧面。
上述套管钻井用钻头,外钻头刀翼位于外钻头外壁位置的设有保径齿。
上述套管钻井用钻头,外钻头刀翼设置六条,内钻头设置三条长刀翼、三条短刀翼。
上述套管钻井用钻头,锁销组件设置六套,每套锁销组件位于两条相邻刀翼之间。
相比现有技术本发明有益效果如下:1、内外钻头共同完成钻井作业,钻进效率高且寿命长,内钻头可重复利用,节约成本,结构简单且解锁方便;2、内钻头刀翼长短间隔设置,在有效提高钻进效率的同时,保证了内钻头自身的强度;外钻头刀翼宽而厚且与内钻头刀翼一一对应,有利于解决复杂地层的钻进,在坚硬地层钻进外钻头刀翼可以对内钻头刀翼起的保护作用;3、内钻头具有两圈不同大小的水眼,内圈大水眼冲洗钻头下部,增大钻头水眼尺寸,能够降低管柱内泵压,从而减少钻井液对套管内壁的冲蚀。外圈小水眼对应各刀翼进行有效冲洗;4、防跳钻憋钻设计,钻头锁销与锁销槽上下留有间隙,有利于防止因地层变化或钻压过大造成金刚石复合刀片碎裂或脱落,从而延长钻头寿命;5、外钻头静套与外钻头通过滚珠连接,保证其转动的平稳性;滚珠上下两侧各加两组密封圈及挡圈,使钻井液不会进入滚珠槽内,从而使滚珠不被钻井液侵蚀或被钻井液中的杂质破坏,保证了其高效长寿命的工作。采用本发明,可以解决复杂地层、超深井地层以及具有窄密度窗口的地层钻井问题,能够将钻井与下套管一次性完成,避免起下钻中出现的井眼稳定问题,整体提高钻井的安全性、可靠性,减少作业时间。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是图1的剖视图;
图3是图1的仰视图;
图4是外钻头及外钻头静套的结构示意图;
图5是图4的仰视图;
图6是图1中A处的局部放大视图;
图7是内钻头的结构示意图;
图8是图7的仰视图。
图中各标号清单为:1、外钻头静套,2、外钻头,2-1、外钻头刀翼,2-2、保径齿,3、锁销组件,3-1、锁堵,3-2、顶丝,3-3、弹簧,3-4、锁销,4、内钻头,4-1、长刀翼,4-2、短刀翼,4-3、进水通孔,4-4、小水眼,4-5、大水眼,4-6、锁销槽5、滚珠,6、注液孔丝堵,7、金刚石刀片,8、密封组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点阐明的更加清楚,下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。需说明,具体实施方案仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参看图1-图3,本发明所述钻头包括外钻头静套、外钻头和内钻头。外钻头静套1的上端设有套管母扣,外钻头静套上端与常规套管通过丝扣连接。外钻头静套套装在外钻头2的上部外侧。外钻头静套的内壁和外钻头的外壁相互对应的设置滚珠槽,图示实施例中滚珠槽设置五排,每排滚珠槽内装配滚珠5,在滚珠的作用下外钻头可以相对外钻头静套平稳转动,外钻头静套及静套以上连接的套管不发生转动。在外钻头静套上对应每排滚珠处分别设有注油孔,可从注油孔注入黄油,注油后由注液孔由注液孔丝堵6封堵。外钻头静套与外钻头接合面还设有密封组件8,密封组件分别位于滚珠的上、下部,密封组件由挡圈和密封圈构成。
参看图1-图7,外钻头2为中空结构,外钻头均布外钻头刀翼2-1,外钻头刀翼由外钻头底部向外壁延伸,外钻头刀翼的切削面上分布金刚石刀片;内钻头均布内钻头刀翼,内钻头刀翼由底面向外钻头的外壁延伸,在每个外钻头刀翼的切削面上嵌装数个复合金刚石刀片7,各外钻头刀翼的切削面上的复合金刚石刀片的位置错开,以实现切削轨迹的互补,复合金刚石可替换。复合金刚石刀片与刀翼方向的倾角a为25°-30°。各外钻头刀翼位于外钻头外壁位置的设有数个保径齿2-2。在钻头的底面上,外钻头刀翼的切削面与内钻头刀翼的切削面为相互匹配的外凸弧面。
参看图1-3和图7、图8,内钻头2安装在外钻头的中心通孔内,内钻头与外钻头经锁销组件3连接。内钻头上部小下部大,内钻头中部设有腔体,内钻头小头上端设有接头母扣,可以与上部钻具进行连接,由钻具带动旋转钻进。内钻头均布内钻头刀翼,内钻头刀翼由底部向外壁延伸,内钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片,各内钻头刀翼的切削面上复合金刚石刀片的位置错开,以实现切削轨迹的互补,复合金刚石可替换。内钻头刀翼由间隔分布的长刀翼4-1和短刀翼4-2构成,各长刀翼延伸至内钻头中心且相连构成风车状,短刀翼的尾端与内钻头中心有留有一段距离,内钻头长短刀翼的分布,在满足切削要求的同时,兼顾受力均衡。内钻头刀翼与外钻头刀翼位置一一对应。由图3可见,在钻头的底面上外钻头刀翼、内钻头刀翼由外至内宽度递减,外钻头最宽,强度最高,能有效保护内钻头,提高了刀翼的整体强度,能够有效延长钻头寿命。内钻头刀翼上复合金刚石刀片与竖直方向的倾角同为a,使内外钻头行程一个整体,钻进时内外钻头同时受力,防止因受力不均导致刀翼变形或复合金刚石刀片磨损过快,钻进效率降低。内钻头上部小直径段设有数个倾斜的进水通孔4-3,进水通孔连接腔体,内钻头下部设有两圈水眼,其中外圈为数个倾斜设置的小水眼4-4,每个小水眼分别邻近一条内钻头刀翼。内圈设有数个大水眼4-5,各大水眼出口对应内钻头的短刀翼的尾端。小水眼用于冲洗刀翼侧倾斜面,大水眼用于冲洗钻头底部。图示实施例中外钻头刀翼设置六条,内钻头设置三条长刀翼、三条短刀翼。小水眼设置六个,大水眼设置三个。
参看图1、图2和图4,锁销组件3包括锁堵3-1、锁销3-4、弹簧3-3和顶丝3-2。外钻头壁上设有数个用于安装锁堵的锁堵孔,各锁堵孔位于两相邻外钻头刀翼之间,内钻头对应锁堵孔设有锁销槽4-6。锁销、弹簧和顶丝依次安装在锁堵内,锁堵由螺钉固定在外钻头上,顶丝螺纹旋入锁堵外端,锁销端部穿过锁堵内端、插入锁销槽内,锁销的直径小于锁销槽高度尺寸4毫米。本发明锁销的直径小于锁销槽高度,这种防跳钻憋钻设计,够缓冲因憋钻和跳钻造成钻头上下移动,有利于防止因地层变化或钻压过大造成金刚石复合刀片碎裂或脱落,从而延长钻头寿命。
本发明的工作过程如下:
(1)将锁销、弹簧、顶丝依次装入锁堵,将锁堵经螺钉固定在外钻头上;然后将密封圈及密封挡圈装入外钻头静套中,完成后将外钻头静套放在外钻头上边,对准滚珠口,将所有滚珠塞入半圆形槽,并注入黄油,拧上注液孔丝堵。
(2)将内钻头调整好位置,锁销对准锁销槽,后将其放入外钻头中,保证钻头锁销进入锁销槽内,这样完成内外钻头的组装。
(3)外钻头静套上端通过螺纹连接常规套管,内钻头上端连接螺杆马达,从而提供井下动力,开泵注入钻井液,内钻头进行旋转钻进,并且通过外钻头锁销带动外钻头旋转钻进,由于外钻头尺寸比常规套管接箍尺寸大100mm左右,从而带动外部套管不断前进,实现套管钻井作业;当上部套管同时发生转动并加压时,这种钻井工作可以实现套管复合钻井作业。
(4)当钻井到指定位置后,可在内钻具中下入合适的接头与内钻具进行连接,通过提升拉断6头锁销,从而将内钻头取出,外钻头及套管留在井内,内钻头可以反复使用,完成一次钻井及下套管工艺。
Claims (9)
1.一种套管钻井用钻头,其特征在于,包括外钻头静套、外钻头和内钻头,外钻头静套套装在外钻头上部外侧,外钻头静套与外钻头转动连接,内钻头安装在外钻头的中心通孔内,内钻头与外钻头经锁销组件连接,外钻头均布外钻头刀翼,外钻头刀翼外钻头底部向外壁延伸,外钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片;内钻头均布内钻头刀翼,内钻头刀翼由底面向外壁延伸,内钻头刀翼的切削面上分布复合金刚石刀片,内钻头刀翼由间隔分布的长刀翼和短刀翼构成,各长刀翼延伸至内钻头中心且相连,内钻头刀翼与外钻头刀翼位置对应,在钻头的底面上外钻头刀翼、内钻头刀翼由外至内宽度递减。
2.根据权利要求1所述的套管钻井用钻头,其特征在于:所述锁销组件包括锁堵、锁销、弹簧和顶丝,外钻头壁上设有数个锁堵孔,内钻头对应锁堵孔设有锁销槽,锁销、弹簧和顶丝依次安装在锁堵内,顶丝螺纹旋入锁堵外端,锁销端部穿过锁堵内端、插入锁销槽内,锁销的直径小于锁销槽高度尺寸4毫米。
3.根据权利要求2所述的套管钻井用钻头,其特征在于:所述内钻头上部小下部大,内钻头中部设有腔体,内钻头上部小直径段设有数个倾斜的进水通孔,进水通孔连接腔体,内钻头下部设有数个倾斜设置的小水眼,每个小水眼分别邻近一条内钻头刀翼,内钻头底面还设有数个大水眼,各大水眼的出口对应内钻头的短刀翼。
4.根据权利要求3所述的套管钻井用钻头,其特征在于:外钻头静套与外钻头接合面间设有五排滚珠,在外钻头静套上对应每排滚珠分别设有注油孔,注油孔由注液孔丝堵封堵。
5.根据权利要求4所述的套管钻井用钻头,其特征在于:外钻头静套与外钻头接合面设有密封组件,密封组件分别位于滚珠的上下部,密封组件由挡圈和密封圈构成。
6.根据权利要求5所述的套管钻井用钻头,其特征在于:所述外钻头刀翼、内钻头刀翼上安装的复合金刚石刀片与竖直方向的倾角a为25°-30°,外钻头刀翼的切削面与内钻头刀翼的切削面为相互匹配的外凸弧面。
7.根据权利要求6所述的套管钻井用钻头,其特征在于:外钻头刀翼位于外钻头外壁位置的设有保径齿。
8.根据权利要求7所述的套管钻井用钻头,其特征在于:外钻头刀翼设置六条,内钻头设置三条长刀翼、三条短刀翼。
9.根据权利要求8所述的套管钻井用钻头,其特征在于:锁销组件设置六套,每套锁销组件位于两条相邻刀翼之间。
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