CN114251053B - 一种套管钻井用钻头 - Google Patents

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

一种套管钻井用钻头

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，外钻头刀翼在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，外钻头刀翼在位于外钻头外壁的位置处设有保径齿。

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处设置滚珠槽，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，注油后的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的位置处设有数个保径齿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，能够缓冲因憋钻和跳钻造成的钻头上下移动，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 (8)

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，外钻头刀翼在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；

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。

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。

3.根据权利要求2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。

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。

5.根据权利要求4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。

6.根据权利要求5所述的套管钻井用钻头，其特征在于：外钻头刀翼在位于外钻头外壁的位置处设有保径齿。

7.根据权利要求6所述的套管钻井用钻头，其特征在于：外钻头刀翼设置六条，内钻头设置三条长刀翼、三条短刀翼。

8.根据权利要求7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。