CN114293917A

CN114293917A - 一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头

Info

Publication number: CN114293917A
Application number: CN202111468644.XA
Authority: CN
Inventors: 魏长江; 毛良杰; 蔡明杰; 曾松
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明公开了一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，解决了现有技术中牙轮‑PDC复合钻头钻入地层后切削齿、牙轮齿切削深度比例不能改变的技术问题。它包括柱状的钻头连接柱和连接于钻头连接柱上的钻头体，其特征在于：所述钻头体包括至少三个牙轮钻头和至少三个PDC刀翼，所述PDC刀翼上设有切削齿，所述牙轮钻头根据切削深度自适应调节上下移动。本发明由牙轮和PDC复合而成，切削齿和牙轮钻头的切削深度比例可以改变；当发生粘滑振动时，牙轮钻头下降，使切削齿切入深度变浅，解除粘滑振动；通过侧水眼喷射钻井液，防止钻井过程中钻头泥包；另外，本发明灵活性高，对地层适应性强。

Description

一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头

技术领域

本发明涉及石油开采技术领域，具体涉及一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头。

背景技术

近年来，优快钻井已经成为各油田和研究院的重点工作方向，如申请号为US20160053551A1的专利，公布了一种名为TerrAdapt的自适应钻头，能通过自身的自动化控制来减小井下故障的发生频率，提高钻进速度。所述专利搭载自调整切割深度控制元件，可以根据其正在钻进的地层具体情况来调整自身的攻击性，从而减少振动、粘滑效应和冲击荷载。根据Baker Hughes公布的数据：钻穿同一套夹层， TerrAdapt钻头的ROP比邻井提高了27%，扭矩变化降低90%，粘滑效应大大减少，钻井进尺增加713英尺（提高27%），同时花费的精力也比传统PDC钻头少了很多。

粘滑振动主要是钻头在井底深部钻井过程中忽停忽动的非均匀运动现象，是由于扭转振动引起的。切削深度太深时，钻头不能随着钻柱旋转而旋转，会导致切削齿脱落或断裂，严重影响钻井效率，增加钻井成本。PDC钻头的使用受地层限制，地层较软会导致切削深度过深而引起粘滑振动，现场用牙轮-PDC复合钻头来适应复杂地层，但是牙轮-PDC复合钻头钻入地层后切削齿、牙轮齿切削深度比例不能改变，当钻头发生粘滑时，牙轮下压，牙轮齿切入深度增加，切削齿切入深度减小（此时切削比发生了变化），解除粘滑振动，如果切削比不变的话，振动就会一直继续，进而导致切削齿脱落或断裂，严重影响钻井效率，增加钻井成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，以解决现有技术中牙轮-PDC复合钻头钻入地层后切削齿、牙轮齿切削深度比例不能改变的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，包括柱状的钻头连接柱和连接于钻头连接柱上的钻头体，所述钻头体包括至少三个牙轮钻头和至少三个PDC刀翼，所述PDC刀翼的外侧安装有切削齿；其中，

所述钻头体上在对应每一个牙轮钻头的安装位置均设有一个牙爪，所述牙爪上设有侧水眼，所述牙爪内设有液压腔一，所述侧水眼与液压腔一相通；所述液压腔一的底部设有活塞，所述活塞上连接有牙轮连接杆，所述牙轮连接杆的另一端与牙轮钻头连接；

所述钻头体内部设有钻井液注入通道，所述钻头体的底部设有水眼；所述钻头体内开设有与钻井液注入通道相通的钻井液总流道、与液压腔一相通的钻井液流道一和与水眼相通的钻井液流道二；

所述钻井液总流道分别与钻井液流道一、钻井液流道二连接，还包括用于钻井液流道一限流的限流装置；所述限流装置包括具有限流空腔的安装壳体和液压限流装置，所述钻井液流道一的底部连接有套管一；所述液压限流装置包括钻头体内的液压油流道、与液压油流道相通的液压腔二、设置在液压腔二内的滑动块、连接在滑动块上的连杆、连接在连杆另一端的阀芯；所述阀芯的外形与所述套管一相适应，且阀芯的外壁与套管一的内壁滑动密封连接，所述阀芯在滑入套管一内的极限位置处设有限位块一；所述液压腔二、连杆、阀芯以及钻井液总流道和钻井液流道一的连接处均设置于安装壳体的限流空腔内；

所述PDC刀翼内具有容纳液压油的液压油腔体，所述液压油流道的另一端与所述液压油腔体相通，所述切削齿通过受压缩进结构安装在PDC刀翼的外侧，所述切削齿的安装位置与所述液压油腔体相对应，且切削齿的安装端通过受压缩进结构能滑入所述液压油腔体内。

可选的或优选的，所述液压腔一的内壁在对应活塞上、下极限位置处设有两组止动销。

可选的或优选的，所述牙轮钻头和PDC刀翼间隔设置。

可选的或优选的，所述牙轮钻头和PDC刀翼为均为三个或四个。

可选的或优选的，还包括偏置弹性装置一，所述偏置弹性装置一的一端与滑动块连接，所述偏置弹性装置一的另一端与液压腔二的顶部连接。

可选的或优选的，还包括偏置弹性装置二，所述偏置弹性装置二的一端与活塞连接，所述偏置弹性装置二的另一端与液压腔一的底部连接。

可选的或优选的，所述偏置弹性装置一和偏置弹性装置二均由多组弹簧组成。

可选的或优选的，所述钻井液总流道的进液端连接有单向阀。

可选的或优选的，所述受压缩进结构包括与切削齿外形相适应的套管二和设置在切削齿外侧的限位块二，所述套管二安装在PDC刀翼内，所述切削齿的外壁与套管二的内壁滑动密封连接，所述限位块二的设置位置为切削齿滑入套管二内的极限位置处。

可选的或优选的，所述切削齿的安装端为圆柱形结构，且切削齿安装端的外形与套管二相匹配。

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

（1）本发明提供的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，由牙轮钻头和PDC刀翼复合而成，PDC刀翼上的切削齿和牙轮钻头的切削深度比例可以改变；当发生粘滑振动时，牙轮钻头下降，使切削齿切入深度变浅，可以解除粘滑振动；具有灵活性高，对地层适应性强的优势。

（2）本发明提供的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，设置了侧水眼，通过侧水眼喷射钻井液，可以防止钻井过程中钻头泥包。

附图说明

图1是本发明实施例1半剖面的结构示意图；

图2是本发明实施例1的仰视图；

图3是本发明实施例1中牙轮钻头的连接示意图；

图4是本发明实施例1中限流装置的工作示意图；

图5是图4中A部的放大示意图；

图6是图4中B部的放大示意图；

图7是本发明实施例2的仰视图。

图中：1、钻头连接柱；2、牙轮钻头；3、PDC刀翼；4、切削齿；5、牙爪；6、侧水眼；7、液压腔一；8、活塞；9、牙轮连接杆；10、钻井液注入通道；11、水眼；12、钻井液总流道；13、钻井液流道一；14、钻井液流道二；15、限流空腔；16、套管二；17、限位块二；18、液压油流道；19、液压腔二；20、滑动块；21、连杆；22、阀芯；23、止动销；24、安装壳体；25、偏置弹性装置一；26、偏置弹性装置二；27、牙齿；28、单向阀；29、固定块；30、注油孔；31、套管一；32、限位块一；33、液压油腔体。

具体实施方式

如图1-图7所示：

实施例1：

本发明提供了一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，包括钻头连接柱1和连接于钻头连接柱上1的钻头体。本发明在使用时，通过钻头连接柱1连接到钻柱上使用。

作为可选的实施方式，钻头连接柱1与钻柱螺纹连接。

所述钻头体包括至少三个牙轮钻头2和至少三个PDC刀翼3，所述牙轮钻头2上设有牙齿27，所述PDC刀翼3的外侧安装有切削齿4；切削齿4角度与齿型没有具体说明，可根据地层性质选择。

所述钻头体上在对应每一个牙轮钻头2的安装位置均设有一个牙爪5，所述牙爪5上设有侧水眼6，所述牙爪5内设有液压腔一7，所述侧水眼6与液压腔一7相通；所述液压腔一7的底部设有活塞8，所述活塞8上连接有牙轮连接杆9，所述牙轮连接杆9的另一端与牙轮钻头2连接；具体的，所述牙轮连接杆9通过固定块29与牙轮钻头2连接；

所述钻头体内部设有钻井液注入通道10，所述钻头体的底部设有水眼11；所述钻头体内开设有与钻井液注入通道10相通的钻井液总流道12、与液压腔一7相通的钻井液流道一13和与水眼11相通的钻井液流道二14；

所述钻井液总流道12分别与钻井液流道一13、钻井液流道二14连接，还包括用于钻井液流道一13限流的限流装置；所述限流装置包括具有限流空腔15的安装壳体24和液压限流装置，所述钻井液流道一13的底部连接有套管一31；

所述液压限流装置包括钻头体内的液压油流道18、与液压油流道18相通的液压腔二19、设置在液压腔二19内的滑动块20、连接在滑动块20上的连杆21、连接在连杆21另一端的阀芯22；所述阀芯22的外形与所述套管一31相适应，且阀芯22的外壁与套管一31的内壁滑动密封连接，所述阀芯22的一端伸入钻井液流道一13内，所述阀芯22的两端外壁在滑入套管31一内以及滑出套管31外的极限位置处均设有限位块一32；所述液压腔二19、连杆21、阀芯22以及钻井液总流道12和钻井液流道一13的连接处均设置于安装壳体24的限流空腔15内；限位块一32的作用在于阀芯22到达极限位置时的限位。

所述 PDC 刀翼3内具有容纳液压油的液压油腔体33，所述液压油流道18的另一端与所述液压油腔体33相通，所述切削齿4通过受压缩进结构安装在PDC刀翼3 外侧；且所述切削齿4的安装位置与所述液压油腔体33相对应，且切削齿4的安装端通过受压缩进结构能滑入所述液压油腔体33内。

本发明提供的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，由牙轮钻头2和PDC刀翼3复合而成，PDC刀翼3上的切削齿4和牙轮钻头2的切削深度比例可以改变；当发生粘滑振动时，牙轮钻头2下降，使切削齿4切入深度变浅，可以解除粘滑振动；本发明提供的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，设置了侧水眼6，通过侧水眼6喷射钻井液，可以防止钻井过程中钻头泥包；另外，本发明灵活性高，对地层适应性强。

作为可选的实施方式，所述切削齿4的安装端为圆柱形结构，且切削齿4安装端的外形与套管二16相匹配。

作为可选的实施方式，所述受压缩进结构包括与切削齿4外形相适应的套管二16和设置在切削齿4外侧的限位块二17，所述套管二16安装在PDC刀翼3内，所述切削齿4的外壁与套管二16的内壁滑动密封连接，所述限位块二17的设置位置为切削齿3滑入套管二16内以及滑出套管二16的极限位置处；限位块而35的作用在于切削齿4到达极限位置时的限位。

作为可选的实施方式，所述所述切削齿4的安装端为圆柱形结构，且切削齿4安装端的外形与套管二16相匹配。

作为可选的实施方式，所述液压腔一7的内壁在对应活塞8上、下极限位置处设有两组止动销23。两组止动销23的设置用于活塞8上、下极限位置的制动。

作为可选的实施方式，所述牙轮钻头2和PDC刀翼3间隔设置。

作为可选的实施方式，所述牙轮钻头2和PDC刀翼3为均为三个或四个。

在本实施例中，所述牙轮钻头2和PDC刀翼3均为四个。

作为可选的实施方式，所述水眼为三个或四个，水眼用作正常钻进过程中井眼清洁，所述水眼11的数量与牙轮钻头2或PDC刀翼3的数量相同。

作为可选的实施方式，还包括偏置弹性装置一25，所述偏置弹性装置一25的一端与活塞8连接，所述偏置弹性装置一25的另一端与液压腔一7的底部连接。

作为可选的实施方式，还包括偏置弹性装置二26，所述偏置弹性装置二26的一端与滑动块20连接，所述偏置弹性装置二26的另一端与液压腔二19的顶部连接。

作为可选的实施方式，所述偏置弹性装置一25和偏置弹性装置二26均由多组弹簧组成。所述偏置弹性装置一25和偏置弹性装置二26分别使活塞8和滑动块20在液压腔一7和液压腔二19中保持在一定位置，既为牙轮钻头2的自适应升降提供启动压力，又为活塞8和滑动块20提供回复力，当然，偏置弹性装置一25和偏置弹性装置二26的选择并不限于本发明中所公开的方式，也可选择其他类似于弹簧的弹性元件。

作为可选的实施方式，所述切削齿4为PDC（聚晶金刚石复合片）材质；当然，针对不同地层的适应情况，可选择其他的材质。

作为可选的实施方式，所述钻井液总流道12的进液端连接有单向阀28。

在本实施例中，所述牙轮连接杆9上设有注油孔30，用来注入润滑油。

本发明的工作过程为：

S1、通过钻头连接柱1将钻头连接到钻柱上，下入井底，旋转钻进；此时阀芯22处于初始位置（阀芯22的一端伸入钻井液流道一13内），阀芯22处的钻井液流道一13的横截面积也为原始大小，钻头处于正常钻进状态，钻井液通过钻井液流道一13和钻井液流道二14从水眼11和侧水眼6喷出；；

S2、当地层岩性，切削齿4受到的压力变大时，若切削齿4受到超过一定大小的压力之后，切削齿4的外壁会沿着套管一31的内壁向液压油腔体33内滑入，即会向PDC刀翼3中缩进一部分，将受到的压力通过液压油流道18内的液压油传递到滑动块20，滑动块20会连同阀芯22下移；而阀芯22下移，阀芯22处的钻井液流道一13的横截面积会变大，进入钻井液流道一13内的钻井液变多，流到液压腔一7内的钻井液变多，钻井液从侧水眼6喷出，由于侧水眼6大小固定，侧水眼6喷出的钻井液流量越大时速度越大，则内部压力越大，活塞8受力越大，活塞8上受力增加，活塞8会向下滑动，同时带动牙轮钻头2向下滑动，牙轮钻头2切入地层的深度增加，当切削齿4受力减小，解除粘滑振动；

S3、滑动块20和活塞8在偏置弹性装置二26和偏置弹性装置一25的作用下恢复到初始位置，阀芯22处的钻井液流道一13的横截面积也恢复到原始大小，钻头逐渐回复正常钻进状态。

实施例2：

与实施例1不同的是：

在本实施例中，所述牙轮钻头2和PDC刀翼3均为三个。当然，所述牙轮钻头2和PDC刀翼3的设置数量可以根据需要进行设置，并不限于本发明中所公开的数量。

其余与实施例1相同。

Claims

1.一种基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，包括柱状的钻头连接柱和连接于钻头连接柱上的钻头体，其特征在于：所述钻头体包括至少三个牙轮钻头和至少三个PDC刀翼，所述PDC刀翼的外侧安装有切削齿；其中，

2.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述液压腔一的内壁在对应活塞上、下极限位置处设有两组止动销。

3.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述牙轮钻头和PDC刀翼间隔设置。

4.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述牙轮钻头和PDC刀翼为均为三个或四个。

5.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：还包括偏置弹性装置一，所述偏置弹性装置一的一端与滑动块连接，所述偏置弹性装置一的另一端与液压腔二的顶部连接。

6.根据权利要求5所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：还包括偏置弹性装置二，所述偏置弹性装置二的一端与活塞连接，所述偏置弹性装置二的另一端与液压腔一的底部连接。

7.根据权利要求6所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述偏置弹性装置一和偏置弹性装置二均由多组弹簧组成。

8.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述钻井液总流道的进液端连接有单向阀。

9.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述受压缩进结构包括与切削齿外形相适应的套管二和设置在切削齿外侧的限位块二，所述套管二安装在PDC刀翼内，所述切削齿的外壁与套管二的内壁滑动密封连接，所述限位块二的设置位置为切削齿滑入套管二内的极限位置处。

10.根据权利要求1所述的基于粘滑振动自适应带侧水眼的复合钻头，其特征在于：所述切削齿的安装端为圆柱形结构，且切削齿安装端的外形与套管二相匹配。