CN114412365B - 石油钻井用水力喷射旋转组合pdc钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石油钻井用钻头技术领域，特别涉及一种石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头。其技术方案是：在锥形钻头的上侧安装次级扩孔钻，在钻头本体中部安装喷钻定位块，在喷钻定位块与次级扩孔钻之间安装喷钻扩张器，喷钻扩张器内设有多个旋转喷射孔，且连通到钻头本体内的中心腔，且喷钻扩张器、次级扩孔钻和锥形钻头的外壁分别镶嵌固定多个聚晶金刚石复合刀头，钻井液通过喷钻扩张器的旋转喷射孔喷出，带动喷钻扩张器旋转，实现辅助钻井。有益效果是：本发明利用钻井液喷射的能量，并在钻头本体外侧加装喷钻扩张器，从而将水力喷射转化为驱动喷钻扩张器高速旋转，进而起到了辅助钻孔的作用，能量得到了充分的利用，提高了钻井效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油钻井用钻头技术领域，特别涉及一种石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头。
背景技术
在石油的开采过程中，钻井是一个重要环节，在目前的钻井过程中，提高钻具的性能是各个钻具企业一直在努力的方向，而现有的钻头是进行石油钻井工作的重要工具之一，钻头是否适应岩石性质及其质量的好坏，在钻井工艺选用方面起着非常重要的作用，特别是对钻井质量、钻探速度、钻井成本方面产生着巨大的影响，PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破岩工具，它有效地提高了机械效率，缩短了钻井周期；PDC钻头，是指聚晶金刚石复合片钻头，是用聚晶金刚石(薄圆片状)做成小型切削块镶装或烧结到钻头体上而形成的。
目前，现有技术存在的问题是：在钻井时，PDC钻头下入井下在钻杆的带动下旋转，从而实现钻进，在金刚石复合片磨光或者损坏时，就无法继续进行钻井，只能上提钻杆来更换新的钻头；在钻较浅的油井时，更换钻头的时间还比较短，可以接受；但是当钻几千米的深井时，在需要更换钻头时，需要一根一根的将钻杆上提，现有的钻杆一般的长度为7-13米左右，5000米井深就需要500根左右的钻杆，这样的上提和下入，会造成大量的时间浪费在起下钻杆上，造成钻井的成本大幅度攀升，形成巨额的钻井费用，因此，如何能提高PDC钻头的使用寿命，其具有重要的意义。然而，现有的机械钻井，其机械效率普遍较低，正常的机械效率一般为25%，而在钻井上，由于动力部分与工作部分跨距较大，使得能量的利用率更低。
另外，现有的钻头一般都连接钻井液喷射孔，钻井液从地面沿着钻杆喷到钻头外面，这样可以使井下的钻屑和钻井液能被循环出地面，而且可以更好的起到保护钻头的作用，延长其使用寿命，但是，现有的钻井液喷射孔仅仅是喷射出来，中国专利文献公开号为CN2235011，专利名称为《带有自锐式切削齿的水力辅助破岩钻头》，是属于对人造聚晶金刚石复合片类钻头的结构上的改进。它是通过在常规的PDC钻头上加设“自锐式”切削齿和合理的水力喷射系统，即在常规的PDC钻头上设置了若干个中圈斜向喷嘴和自锐式切削齿。因此，该结构虽然提到了应用钻井液的喷射的能量，但是仅仅是加设“自锐式”切削齿和合理的水力喷射系统，并没有将其转化为机械的扩钻结构，没有将其发挥更大的辅助钻井效果。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，利用钻井液喷射的能量，并在钻头本体外侧加装喷钻扩张器，从而将水力喷射转化为驱动喷钻扩张器高速旋转，进而起到了辅助钻孔的作用，提高了钻井的能量利用率，缩短了作业时间，提高了钻井阶段的效率。
本发明提到的一种石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其技术方案是：包括钻头本体，所述的钻头本体的底端为锥形钻头，其中，还包括喷钻定位块、压力轴承、喷钻扩张器、次级扩孔钻、旋转减磨器、定位器和喷钻定向齿轮结构，在锥形钻头的上侧安装次级扩孔钻，在钻头本体中部安装喷钻定位块，在喷钻定位块与次级扩孔钻之间安装喷钻扩张器，喷钻扩张器内设有多个旋转喷射孔，且连通到钻头本体内的中心腔，且所述的喷钻扩张器、次级扩孔钻和锥形钻头的外壁分别镶嵌固定多个聚晶金刚石复合刀头，所述喷钻扩张器的上侧通过压力轴承与喷钻定位块的下表面接触，在喷钻扩张器与钻头本体之间依次安装喷钻定向齿轮结构、旋转减磨器和定位器，所述的定位器的下侧与次级扩孔钻的上端凸起部分接触，旋转减磨器位于喷钻定向齿轮结构和定位器之间；
所述的喷钻定向齿轮结构包括单向齿轮和止动体，所述的单向齿轮套装在钻头本体的外壁，止动体安装在喷钻扩张器内的止动体安装孔内，通过止动体与单向齿轮的配合，钻井液通过喷钻扩张器的旋转喷射孔喷出，带动喷钻扩张器旋转。
优选的，上述的喷钻扩张器包括定向罩和喷射旋转体，所述喷射旋转体活动连接在定向罩内腔。
优选的，上述的喷射旋转体包括金属面、旋转出液槽、上连接头、限位凸肩、切线出液孔和旋转体主体，所述旋转体主体的外形为喇叭口形状，在旋转体主体的表面为金属面，且金属面设有多条螺旋状的旋转出液槽，在旋转体主体的上端设有上连接头，上连接头的上部设有限位凸肩，上连接头的内腔设有切线出液孔，切线出液孔的内部连通钻头本体的出液孔，切线出液孔的外部连通到旋转出液槽。
优选的，上述的旋转体主体的中上部设有多个止动体安装孔，在止动体安装孔内安装止动体、弹簧和弹簧定位体，所述的止动体的外端与单向齿轮配合，止动体的内端通过弹簧与弹簧定位体连接。
优选的，上述的旋转体主体的内腔设有多组台阶，用于安装喷钻定向齿轮结构、旋转减磨器和定位器。
优选的，上述的次级扩孔钻包括次级扩孔钻本体、连接部和内螺纹，所述次级扩孔钻本体的外部为锥形结构，中间设有圆柱形空腔，在次级扩孔钻本体的上表面设有凸出的连接部，在次级扩孔钻本体的内壁设有内螺纹。
优选的，上述的定位器为圆筒形结构，定位器的底部与次级扩孔钻的凸出的连接部接触，定位器的外壁与旋转体主体的内腔中最下面的台阶配合，用于定位支撑喷钻扩张器。
优选的，上述锥形钻头设有多个出液孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
一、本发明利用钻井液喷射的能量，并在钻头本体外侧加装喷钻扩张器，从而将水力喷射转化为驱动喷钻扩张器高速旋转，进而起到了辅助钻孔的作用，能量得到了充分的利用，缩短了作业时间，提高了钻井阶段的效率；
二、本发明的喷钻扩张器的喷钻定向齿轮结构的设立，使得喷出的钻井液能够使喷钻扩张器实现单向旋转，且获得较高的转动速度，因而有较高的动能，对地层有较强的破坏力和冲刷力，使得地层更易切削；若是遇到坚硬的岩石时，也可以在喷钻定向齿轮结构的带动下实现机械的单向旋转运动，仍然可以起到旋转钻井效果；
三、本发明的旋转减摩器的设立，使旋转的摩擦力较小，提高了喷钻扩张器的旋转速度，提高了机械效率，增大了能量传递效果；
四、本发明通过钻杆带动钻头本体的锥形钻头和次级扩孔钻做机械旋转动作实现钻井，同时，高压钻井液不仅起到了循环钻井的功能，而且驱动了喷钻扩张器实现了机械转动钻井的功能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是喷钻扩张器的结构示意图；
图3是喷钻扩张器中的喷射旋转体的结构示意图；
图4是图1中的A-A结构示意图；
图5是图1中的B-B结构示意图；
图6是次级扩孔钻的结构示意图；
上图中：钻头本体1、喷钻定位块2、压力轴承3、喷钻扩张器4、次级扩孔钻5、旋转减磨器6、定位器7、喷钻定向齿轮结构8、锥形钻头9、聚晶金刚石复合刀头10、出液孔11、中心腔1.1、定向罩4.1、喷射旋转体4.2、金属面4.2.1、旋转出液槽4.2.2、上连接头4.2.3、限位凸肩4.2.4、切线出液孔4.2.5、止动体安装孔4.2.6、旋转体主体4.2.7、次级扩孔钻本体5.1、连接部5.2、内螺纹5.3、单向齿轮8.1、止动体8.2、弹簧8.3、弹簧定位体8.4。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，参照图1，本发明提到的一种石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，包括钻头本体1，所述的钻头本体1的底端为锥形钻头9，其中，还包括喷钻定位块2、压力轴承3、喷钻扩张器4、次级扩孔钻5、旋转减磨器6、定位器7和喷钻定向齿轮结构8，在锥形钻头9的上侧安装次级扩孔钻5，在钻头本体1中部安装喷钻定位块2，在喷钻定位块2与次级扩孔钻5之间安装喷钻扩张器4，喷钻扩张器4内设有多个旋转喷射孔，且连通到钻头本体1内的中心腔1.1，且所述的喷钻扩张器4、次级扩孔钻5和锥形钻头9的外壁分别镶嵌固定多个聚晶金刚石复合刀头10，所述喷钻扩张器4的上侧通过压力轴承3与喷钻定位块2的下表面接触，在喷钻扩张器4与钻头本体1之间依次安装喷钻定向齿轮结构8、旋转减磨器6和定位器7，所述的定位器7的下侧与次级扩孔钻5的上端凸起部分接触，旋转减磨器6位于喷钻定向齿轮结构8和定位器7之间；
所述的喷钻定向齿轮结构8包括单向齿轮8.1和止动体8.2，所述的单向齿轮8.1套装在钻头本体1的外壁，止动体8.2安装在喷钻扩张器4内的止动体安装孔4.2.6内，通过止动体8.2与单向齿轮8.1的配合，钻井液通过喷钻扩张器4的旋转喷射孔喷出，带动喷钻扩张器4旋转，实现辅助钻井。
参照图2，本发明提到的喷钻扩张器4包括定向罩4.1和喷射旋转体4.2，所述喷射旋转体4.2活动连接在定向罩4.1内腔。
参照图3，本发明提到的喷射旋转体4.2包括金属面4.2.1、旋转出液槽4.2.2、上连接头4.2.3、限位凸肩4.2.4、切线出液孔4.2.5和旋转体主体4.2.7，所述旋转体主体4.2.7的外形为喇叭口形状，在旋转体主体4.2.7的外壁为光滑的金属面4.2.1，可以与定向罩4.1的内壁形成机械密封，形成旋转喷射孔，而且金属面4.2.1设有多条螺旋状的旋转出液槽4.2.2，定向罩4.1与金属面4.2.1接触后，形成钻井液的一个喷射流道；另外，在旋转体主体4.2.7的上端设有上连接头4.2.3，上连接头4.2.3的上部设有限位凸肩4.2.4，上连接头4.2.3的内腔设有切线出液孔4.2.5，切线出液孔4.2.5的内部连通钻头本体1的出液孔，切线出液孔4.2.5的外部连通到旋转出液槽4.2.2，形成钻井液的喷射流道。
参照图3，本发明提到的旋转体主体4.2.7的中上部设有多个止动体安装孔4.2.6，在止动体安装孔4.2.6内安装止动体8.2、弹簧8.3和弹簧定位体8.4，所述的止动体8.2的外端为斜角，与单向齿轮8.1的斜齿相配合，使喷钻扩张器4只能单向旋转，另外，止动体8.2的内端通过弹簧8.3与弹簧定位体8.4连接，弹簧定位体8.4固定在止动体安装孔4.2.6的外端，实现连续旋转的作用，使喷钻扩张器4起到辅助钻井的作用。
其中，上述的旋转体主体4.2.7的内腔设有多组台阶，用于安装喷钻定向齿轮结构8、旋转减磨器6和定位器7。
参照图4，本发明提到的次级扩孔钻5包括次级扩孔钻本体5.1、连接部5.2和内螺纹5.3，所述次级扩孔钻本体5.1的外部为锥形结构，中间设有圆柱形空腔，在次级扩孔钻本体5.1的上表面设有凸出的连接部5.2，在次级扩孔钻本体5.1的内壁设有内螺纹5.3。
另外，上述的定位器7为圆筒形结构，定位器7的底部与次级扩孔钻5的凸出的连接部5.2接触，定位器7的外壁与旋转体主体4.2.7的内腔中最下面的台阶配合，用于定位支撑喷钻扩张器4。
优选的，上述锥形钻头9设有多个出液孔11，用于高压钻井液的一部分可以沿着出液孔11喷出，实现对锥形钻头9的降温保护作用和对钻孔正面的喷射作用。
另外，旋转减磨器6采用两组轴承组成，减少喷钻扩张器4转动时的摩擦力，减少能量损失。
本发明提到的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头的使用方法，包括以下过程：
第一、组装石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，将喷钻定位块2固定在钻头本体1的中上部，再将压力轴承3由下向上安装在喷钻定位块2的下侧；然后，将定向罩4.1和喷射旋转体4.2组合在一起，形成喷钻扩张器4，将喷钻扩张器4安装在压力轴承3的下方，再将单向齿轮8.1、旋转减磨器6和定位器7装在喷钻扩张器4与钻头本体1之间形成的空腔中；最后，将次级扩孔钻5安装在钻头本体1的底部，钻头本体1的底端设有锥形钻头9；
第二、将石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头连接到钻杆的下端，在钻机的带动下，钻杆旋转带动钻头本体1做机械旋转运动，钻头本体1的锥形钻头9和次级扩孔钻5做机械旋转动作实现钻井；另外，高压钻井液沿着钻杆的内腔向下送入到钻头本体1的中心腔1.1，一部分高压钻井液沿着锥形钻头9的出液孔11喷出，另一部分高压钻井液沿着切线出液孔4.2.5和旋转出液槽4.2.2喷出，由于旋转出液槽4.2.2为螺旋状结构，从而可以使喷钻扩张器4绕着钻头本体1转动，喷钻扩张器4的内腔通过单向齿轮8.1和止动体8.2实现喷钻扩张器4的单向旋转，喷射的高压钻井液不仅起到了循环钻井的功能，而且驱动了喷钻扩张器4实现了机械转动钻井的功能，并且，转动喷射的钻井液，可以起到更好的辅助扩孔作用；另外，当遇到坚硬的岩石层时，喷钻扩张器4则在喷钻定向齿轮结构8和钻头本体1的作用下实现机械的单向旋转运动，仍然可以起到旋转钻井效果，通过坚硬的岩石层后，喷钻扩张器4又可以在高压钻井液的作用下实现加速旋转；
其中，通过在止动体安装孔4.2.6内安装止动体8.2、弹簧8.3和弹簧定位体8.4，所述的止动体8.2的外端为斜角，与单向齿轮8.1的斜齿相配合，使喷钻扩张器4只能单向旋转，另外，止动体8.2的内端通过弹簧8.3与弹簧定位体8.4连接，弹簧定位体8.4固定在止动体安装孔4.2.6的外端，实现连续旋转的作用，使喷钻扩张器4起到辅助钻井的作用。
以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，包括钻头本体（1），所述的钻头本体（1）的底端为锥形钻头（9），其特征是：还包括喷钻定位块（2）、压力轴承（3）、喷钻扩张器（4）、次级扩孔钻（5）、旋转减磨器（6）、定位器（7）和喷钻定向齿轮结构（8），在锥形钻头（9）的上侧安装次级扩孔钻（5），在钻头本体（1）中部安装喷钻定位块（2），在喷钻定位块（2）与次级扩孔钻（5）之间安装喷钻扩张器（4），喷钻扩张器（4）内设有多个旋转喷射孔，且连通到钻头本体（1）内的中心腔（1.1），且所述的喷钻扩张器（4）、次级扩孔钻（5）和锥形钻头（9）的外壁分别镶嵌固定多个聚晶金刚石复合刀头（10），所述喷钻扩张器（4）的上侧通过压力轴承（3）与喷钻定位块（2）的下表面接触，在喷钻扩张器（4）与钻头本体（1）之间依次安装喷钻定向齿轮结构（8）、旋转减磨器（6）和定位器（7），所述的定位器（7）的下侧与次级扩孔钻（5）的上端凸起部分接触，旋转减磨器（6）位于喷钻定向齿轮结构（8）和定位器（7）之间；
所述的喷钻定向齿轮结构（8）包括单向齿轮（8.1）和止动体（8.2），所述的单向齿轮（8.1）套装在钻头本体（1）的外壁，止动体（8.2）安装在喷钻扩张器（4）内的止动体安装孔（4.2.6）内，通过止动体（8.2）与单向齿轮（8.1）的配合，钻井液通过喷钻扩张器（4）的旋转喷射孔喷出，带动喷钻扩张器（4）旋转。
2.根据权利要求1所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述的喷钻扩张器（4）包括定向罩（4.1）和喷射旋转体（4.2），所述喷射旋转体（4.2）活动连接在定向罩（4.1）内腔。
3.根据权利要求2所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述的喷射旋转体（4.2）包括金属面（4.2.1）、旋转出液槽（4.2.2）、上连接头（4.2.3）、限位凸肩（4.2.4）、切线出液孔（4.2.5）和旋转体主体（4.2.7），所述旋转体主体（4.2.7）的外形为喇叭口形状，在旋转体主体（4.2.7）的表面为金属面（4.2.1），且金属面（4.2.1）设有多条螺旋状的旋转出液槽（4.2.2），在旋转体主体（4.2.7）的上端设有上连接头（4.2.3），上连接头（4.2.3）的上部设有限位凸肩（4.2.4），上连接头（4.2.3）的内腔设有切线出液孔（4.2.5），切线出液孔（4.2.5）的内部连通钻头本体（1）的出液孔，切线出液孔（4.2.5）的外部连通到旋转出液槽（4.2.2）。
4.根据权利要求3所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述的旋转体主体（4.2.7）的中上部设有多个止动体安装孔（4.2.6），在止动体安装孔（4.2.6）内安装止动体（8.2）、弹簧（8.3）和弹簧定位体（8.4），所述的止动体（8.2）的外端与单向齿轮（8.1）配合，止动体（8.2）的内端通过弹簧（8.3）与弹簧定位体（8.4）连接。
5.根据权利要求4所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述的旋转体主体（4.2.7）的内腔设有多组台阶，用于安装喷钻定向齿轮结构（8）、旋转减磨器（6）和定位器（7）。
6.根据权利要求1所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述的次级扩孔钻（5）包括次级扩孔钻本体（5.1）、连接部（5.2）和内螺纹（5.3），所述次级扩孔钻本体（5.1）的外部为锥形结构，中间设有圆柱形空腔，在次级扩孔钻本体（5.1）的上表面设有凸出的连接部（5.2），在次级扩孔钻本体（5.1）的内壁设有内螺纹（5.3）。
7.根据权利要求1所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述的定位器（7）为圆筒形结构，定位器（7）的底部与次级扩孔钻（5）的凸出的连接部（5.2）接触，定位器（7）的外壁与旋转体主体（4.2.7）的内腔中最下面的台阶配合，用于定位支撑喷钻扩张器（4）。
8.根据权利要求1所述的石油钻井用水力喷射旋转组合PDC钻头，其特征是：所述锥形钻头（9）设有多个出液孔（11）。
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