CN115596363B - 一种非连续性冠部曲线钻头 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井技术领域，具体涉及一种非连续性冠部曲线钻头，包括空心底座，芯体，肩部刀翼，中心刀翼，所述芯体沿所述空心底座的轴向方向活动设置，以使所述中心刀翼能够凹陷至所述空心底座的中心孔内；所述肩部刀翼和所述中心刀翼上分别设有PDC切削齿。本发明将中心刀翼设置在活动的芯体上，当芯体向内凹陷时，钻头前端形成类似于取芯钻头的结构，能够有效提高钻进效率，另外，本发明不仅能够模拟取芯钻头的钻进机构，而且当芯体与空心底座端面平齐时，能够形成类似于全尺寸钻头的结构，这将有利于对低硬度岩层的切削，同时保证低硬度岩层中各PDC切削齿的载荷尽可能均匀，提高钻头使用寿命。

Description

一种非连续性冠部曲线钻头

技术领域

本发明属于钻井技术领域，具体涉及一种非连续性冠部曲线钻头。

背景技术

深部地层钻井过程中岩石硬度大、研磨性强导致PDC钻头机械钻速非常小，且存在粘滑、跳钻使钻头PDC齿易损坏，PDC钻头的进尺受到限制，极大的增加了钻井时间与钻井成本。因此优化PDC钻头结构设计，提出更加高效的PDC钻头结构对增速提效具有重要意义。

PDC钻头是钻井提速增效的关键一环，是实现油气井工程“一趟钻”的核心技术之一。钻头性能的优劣将会直接影响钻井周期、钻井质量和钻井成本。在现场钻进数据中发现，在硬地层PDC齿很难取得较大的吃入深度，导致钻头在硬地层机械钻速较慢。

为提高钻头的机械转速，现有技术一般采用以下技术方案：

将钻头锥部（即钻头中心刀翼）掏空并将锥部PDC钻头结构替换成牙轮钻头结构，使得钻头锥部以冲击破碎的方式破碎岩石，避免了钻头锥部PDC齿破损失效而导致机械钻速慢、进尺小的情况。且针对钻头中心的岩柱，牙轮的冲击破碎更易使岩柱破碎，增大了钻井效率。

这种技术方案的缺陷在于：中心牙轮结构需要冲击破坏岩石，会产生高频率的轴向振动，使其他部位的PDC齿受到高频冲击，会加速PDC齿的损伤，钻头耐用性降低。锥部掏空后并没有对钻头体进行保护，在钻进过程中容易受到水力冲蚀与岩屑摩擦，导致钻头体从锥部开始失效最后导致刀翼的损坏。

综上，亟需一种能够在提高机械转速的同时保证使用寿命的钻头。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种非连续性冠部曲线钻头，能够在提高钻头机械转速的同时保证钻头的使用寿命。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种非连续性冠部曲线钻头，包括：

空心底座，用于连接钻杆；

芯体，安装在所述空心底座内，并与所述空心底座同步转动设置；

肩部刀翼，固定设置在所述空心底座的端部；

中心刀翼，固定设置在所述芯体的端部；

所述芯体沿所述空心底座的轴向方向活动设置，以使所述中心刀翼能够凹陷至所述空心底座的中心孔内；

所述肩部刀翼和所述中心刀翼上分别设有PDC切削齿。

在本发明的一可选实施例中，所述芯体与所述空心底座之间设有锁止机构，所述锁止机构被装配为能够将所述芯体保持在所述空心底座的任意轴向位置，并能够将所述芯体从所述空心底座的任意轴向位置释放。

在本发明的一可选实施例中，所述锁止机构包括所述芯体外壁上设置的活塞，以及所述空心底座的中心孔内设置的活塞腔，所述活塞滑动设置在所述活塞腔内，所述活塞将所述活塞腔分隔为第一腔室和第二腔室，所述芯体内设有用于连通所述第一腔室和所述第二腔室的流道，所述流道上设有用于控制所述流道开启或闭合的阀芯。

在本发明的一可选实施例中，所述空心底座远离所述肩部刀翼的一端设有用于向所述空心底座的内腔注入钻井液的进液口，所述阀芯的一端暴露于所述钻井液内，所述阀芯的另一端设有第一压簧，当所述钻井液的压力大于预设压力时能够驱动所述阀芯将所述流道关闭，且当所述钻井液的压力小于预设压力时，所述第一压簧能够驱使所述阀芯将所述流道开启。

在本发明的一可选实施例中，所述流道包括沿所述芯体的径向分别设置在所述活塞两侧的第一径向孔和第二径向孔，所述芯体的中心设有沿所述芯体的周向设置的阀孔，所述阀孔的一端与所述空心底座的内腔连通，所述阀芯沿所述阀孔的轴线方向滑动设置在所述阀孔内，所述第一压簧设置所述阀芯与所述阀孔的底端之间，所述阀芯上设有第一环槽，当所述空心底座内的钻井液压力小于所述预设压力时，所述第一环槽分别与所述第一径向孔和所述第二径向孔连通，当所述空心底座内的钻井液压力大于所述预设压力时，所述第一环槽与所述第一径向孔和所述第二径向孔中的至少其中一者断开。

在本发明的一可选实施例中，所述芯体内设有喷液孔，所述喷液孔的一端贯通至所述中心刀翼所在的端面，所述阀芯内设有钻井液通道，所述钻井液通道的一端与所述空心底座的内腔连通，所述钻井液通道被配置为当所述阀芯将所述流道断开后能够使所述钻井液通道与所述喷液孔连通，且所述当所述阀芯将所述流道开启之前能够将所述钻井液通道与所述喷液孔断开。

在本发明的一可选实施例中，所述钻井液通道包括沿所述阀芯轴向设置的轴向孔，以及沿所述阀芯径向设置的径向孔，所述阀孔的侧壁上设有第二环槽，所述喷液孔与所述第二环槽连通，当所述阀芯未将所述流道断开时，所述径向孔与所述第二环槽相互错开，以使所述钻井液通道与所述喷液孔断开，当所述阀芯将所述流道断开时，所述径向孔与所述第二环槽连通，以使所述钻井液通道与所述喷液孔连通。

在本发明的一可选实施例中，所述芯体的外壁上设有花键，所述空心底座的内壁上设有与所述花键配合的花键槽，所述芯体与所述空心底座之间设有第二压簧，所述第二压簧被装配为其弹力能够驱使所述芯体向靠近所述空心底座前端的方向运动。

在本发明的一可选实施例中，所述空心底座包括分体式设置的第一区段、第二区段和第三区段，所述第一区段设有用于连接钻杆的连接部，所述第二区段设置有所述花键槽，所述第三区段设有所述活塞腔，所述肩部刀翼位于所述第三区段的端部。

在本发明的一可选实施例中，所述肩部刀翼的回转路径的最小直径小于所述芯体的外径。

本发明的技术效果在于：本发明将中心刀翼设置在活动的芯体上，当芯体向内凹陷时，钻头前端形成类似于取芯钻头的结构，能够有效提高钻进效率，肩部刀翼切削形成的岩柱到达中心刀翼时，能够被中心刀翼上的PDC切削齿破碎，并通过岩柱与空心底座之间的缝隙将岩屑排出，另外，本发明不仅能够模拟取芯钻头的钻进机构，而且当芯体与空心底座端面平齐时，能够形成类似于全尺寸钻头的结构，这将有利于对低硬度岩层的切削，同时保证低硬度岩层中各PDC切削齿的载荷尽可能均匀，提高钻头使用寿命。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的非连续性冠部曲线钻头的立体图；

图2是本发明的实施例所提供的非连续性冠部曲线钻头的主视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明的实施例所提供的非连续性冠部曲线钻头另一工位的立体图；

图5是本发明的实施例所提供的非连续性冠部曲线钻头另一工位的主视图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7是本发明的实施例所提供的非连续性冠部曲线钻头的爆炸图；

附图标记：10、空心底座；101、第一区段；102、第二区段；103、第三区段；11、肩部刀翼；12、活塞腔；20、芯体；201、第一半体；202、第二半体；21、中心刀翼；22、活塞；23、第一径向孔；24、第二径向孔；25、阀孔；26、第二环槽；27、喷液孔；30、阀芯；31、第一环槽；32、轴向孔；33、径向孔；34、第一压簧；40、第二压簧。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

首先对本发明的所涉及的一些概念及设计构思进行说明，所述冠部曲线是指钻头刀翼上的各PDC切削齿顶端之间的连线，其中刀翼靠近钻头中心的区域称为中间刀翼，而靠近钻头边缘的区域称为肩部刀翼11，现有钻头的冠部曲线一般是平滑且连续的，然而这种钻头中心刀翼21受到的阻力较大，导致整个钻头钻进效率低下。

通过分析现场每趟钻的钻进情况，发现用取芯钻头取芯时的机械钻速明显高于全尺寸PDC钻头。

分析发现取芯钻头机械钻速明显高于全尺寸钻头的原因：相对于全尺寸钻头，在相同的钻压下取芯钻头与地层的接触面积更小，单个PDC齿对地层的压力更大，增加了PDC齿的吃入深度，导致PDC钻头机械钻速增大。全尺寸钻头由于钻头锥部PDC齿为切削无效区，降低了钻头整体的机械钻速。相比于全尺寸钻头，取芯钻头PDC齿的位置相当于全尺寸钻头的肩部位置，且没有锥部PDC齿。相对于全尺寸钻头，取芯钻头的PDC齿数量更少，导致钻进过程中钻头受到的反扭矩更小。

基于上述取芯钻头的优点，为使全尺寸钻头实现不同于常规钻头钻进硬底层的钻进效果，基于现有的钻头设计与制造水平，提出一种非连续冠部曲线钻头结构，非连续冠部曲线针对常规钻头钻进硬地层的缺点，改变PDC钻头冠部曲线锥部结构或鼻部结构，使得钻头冠部曲线并不连续。

非连续冠部曲线钻头优点：非连续的冠部曲线不同于常规钻头的连续性冠部曲线，非连续的冠部曲线使得PDC钻头在钻进地层的过程中能够对冠部曲线改变部分的钻头体对地层有挤压冲击的作用，过程中岩石受到PDC齿的挤压与冲击，岩石产生裂缝，释放地层能量，降低岩石强度，减小钻进难度，提高钻进效率。由于钻头冠部曲线是不连续的，在钻进过程中能够产生一定高度的岩柱，岩柱对钻头起到限位的作用，降低钻头的径向振动和周向振动，减小PDC齿受到的冲击，延长钻头使用寿命。由于钻头冠部曲线是不连续的，钻进过程中产生交替钻进的效果，交替式的钻进过程可以使PDC齿以更大的压强压入岩石，PDC齿的吃入深度变大，机械钻速提高。且交替式的钻井过程可以使得PDC齿能够有充足的时间冷却，提高钻头的耐用性。

请参阅图1-7所示，一种非连续性冠部曲线钻头，包括空心底座10、芯体20、肩部刀翼11和中心刀翼21。所述空心底座10用于连接钻杆；所述芯体20安装在所述空心底座10内，并与所述空心底座10同步转动设置；所述肩部刀翼11固定设置在所述空心底座10的端部；所述中心刀翼21固定设置在所述芯体20的端部；所述芯体20沿所述空心底座10的轴向方向活动设置，以使所述中心刀翼21能够凹陷至所述空心底座10的中心孔内；所述肩部刀翼11和所述中心刀翼21上分别设有PDC切削齿。

本发明将中心刀翼21设置在活动的芯体20上，当芯体20向内凹陷时，钻头前端形成类似于取芯钻头的结构，能够有效提高钻进效率，肩部刀翼11切削形成的岩柱到达中心刀翼21时，能够被中心刀翼21上的PDC切削齿破碎，并通过岩柱与空心底座10之间的缝隙将岩屑排出，另外，本发明不仅能够模拟取芯钻头的钻进机构，而且当芯体20与空心底座10端面平齐时，能够形成类似于全尺寸钻头的结构，这将有利于对低硬度岩层的切削，同时保证低硬度岩层中各PDC切削齿的载荷尽可能均匀，提高钻头使用寿命。

请参阅图3、6所示，在本发明的一可选实施例中，所述芯体20与所述空心底座10之间设有锁止机构，所述锁止机构被装配为能够将所述芯体20保持在所述空心底座10的任意轴向位置，并能够将所述芯体20从所述空心底座10的任意轴向位置释放。

请参阅图3、6所示，具体的，所述锁止机构包括所述芯体20外壁上设置的活塞22，以及所述空心底座10的中心孔内设置的活塞腔12，所述活塞22滑动设置在所述活塞腔12内，所述活塞22将所述活塞腔12分隔为第一腔室和第二腔室，所述芯体20内设有用于连通所述第一腔室和所述第二腔室的流道，所述流道上设有用于控制所述流道开启或闭合的阀芯30。

请参阅图3、6所示，进一步的，所述空心底座10远离所述肩部刀翼11的一端设有用于向所述空心底座10的内腔注入钻井液的进液口，所述阀芯30的一端暴露于所述钻井液内，所述阀芯30的另一端设有第一压簧34，当所述钻井液的压力大于预设压力时能够驱动所述阀芯30将所述流道关闭，且当所述钻井液的压力小于预设压力时，所述第一压簧34能够驱使所述阀芯30将所述流道开启。

请参阅图3、6所示，具体的，所述流道包括沿所述芯体20的径向分别设置在所述活塞22两侧的第一径向孔23和第二径向孔24，所述芯体20的中心设有沿所述芯体20的周向设置的阀孔25，所述阀孔25的一端与所述空心底座10的内腔连通，所述阀芯30沿所述阀孔25的轴线方向滑动设置在所述阀孔25内，所述第一压簧34设置所述阀芯30与所述阀孔25的底端之间，所述阀芯30上设有第一环槽31，当所述空心底座10内的钻井液压力小于所述预设压力时，所述第一环槽31分别与所述第一径向孔23和所述第二径向孔24连通，当所述空心底座10内的钻井液压力大于所述预设压力时，所述第一环槽31与所述第一径向孔23和所述第二径向孔24中的至少其中一者断开。

请参阅图3、6所示，在本发明的一可选实施例中，所述芯体20内设有喷液孔27，所述喷液孔27的一端贯通至所述中心刀翼21所在的端面，所述阀芯30内设有钻井液通道，所述钻井液通道的一端与所述空心底座10的内腔连通，所述钻井液通道被配置为当所述阀芯30将所述流道断开后能够使所述钻井液通道与所述喷液孔27连通，且所述当所述阀芯30将所述流道开启之前能够将所述钻井液通道与所述喷液孔27断开。

请参阅图3、6所示，具体的，所述钻井液通道包括沿所述阀芯30轴向设置的轴向孔32，以及沿所述阀芯30径向设置的径向孔33，所述阀孔25的侧壁上设有第二环槽26，所述喷液孔27与所述第二环槽26连通，当所述阀芯30未将所述流道断开时，所述径向孔33与所述第二环槽26相互错开，以使所述钻井液通道与所述喷液孔27断开，当所述阀芯30将所述流道断开时，所述径向孔33与所述第二环槽26连通，以使所述钻井液通道与所述喷液孔27连通。

优选的，请参阅图7所示，所述芯体20的外壁上设有花键，所述空心底座10的内壁上设有与所述花键配合的花键槽，所述芯体20与所述空心底座10之间设有第二压簧40，所述第二压簧40被装配为其弹力能够驱使所述芯体20向靠近所述空心底座10前端的方向运动，所述前端是指肩部刀翼11和所在的一端。所述空心底座10包括分体式设置的第一区段101、第二区段102和第三区段103，所述第一区段101设有用于连接钻杆的连接部，所述第二区段102设置有所述花键槽，所述第三区段103设有所述活塞腔12，所述肩部刀翼11位于所述第三区段103的端部，为了便于芯体20的安装，所述芯体20被分为第一半体201和第二半体202，第一半体201与第二半体202通过过盈配合固定连接。

优选的，所述肩部刀翼11的回转路径的最小直径小于所述芯体20的外径，这样能够使肩部刀翼11切削出的岩柱的直径小于芯体20的直径，进而使岩柱与空心底座10的内壁之间有足够的空隙进行排屑。

以下结合具体应用过程对本发明的原理和技术效果进行说明：

以图3所示为初始状态，此时芯体20位于最下端，并与空心底座10的下端保持平齐，此时向空心底座10内通入高压钻井液，阀芯30在钻井液压力作用下向下运动，从而将流道关闭，此时活塞22两端的高压油液无法进行对流，因此芯体20无法相对于空心底座10滑动，芯体20与空心底座10形成全尺寸钻头，用于钻进低硬度岩层；当钻头进入高硬度岩层时，首先降低钻井液压力和钻头转速，此时阀芯30向上运动，进而将流道开启，活塞22两端的高压油液能够进行对流，芯体20能够相对于空心底座10滑动，此时随着中心岩柱对芯体20的挤压，芯体20会逐渐上移，当芯体20上移一定距离后，再次提高钻井液压力，此时阀芯30将流道再次关闭，如图6所示，芯体20与空心底座10再次保持相对固定的状态，而此时肩部刀翼11与中心刀翼21之间已经产生了一定的落差，从而形成非连续的冠部曲线，进而提升对高硬度岩层的钻进效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，包括：

空心底座（10），用于连接钻杆；

芯体（20），安装在所述空心底座（10）内，并与所述空心底座（10）同步转动设置；

肩部刀翼（11），固定设置在所述空心底座（10）的端部；

中心刀翼（21），固定设置在所述芯体（20）的端部；

所述芯体（20）沿所述空心底座（10）的轴向方向活动设置，以使所述中心刀翼（21）能够凹陷至所述空心底座（10）的中心孔内；

所述肩部刀翼（11）和所述中心刀翼（21）上分别设有PDC切削齿；

所述芯体（20）与所述空心底座（10）之间设有锁止机构，所述锁止机构被装配为能够将所述芯体（20）保持在所述空心底座（10）的任意轴向位置，并能够将所述芯体（20）从所述空心底座（10）的任意轴向位置释放；

所述锁止机构包括所述芯体（20）外壁上设置的活塞（22），以及所述空心底座（10）的中心孔内设置的活塞腔（12），所述活塞（22）滑动设置在所述活塞腔（12）内，所述活塞（22）将所述活塞腔（12）分隔为第一腔室和第二腔室，所述芯体（20）内设有用于连通所述第一腔室和所述第二腔室的流道，所述流道上设有用于控制所述流道开启或闭合的阀芯（30）；

所述空心底座（10）远离所述肩部刀翼（11）的一端设有用于向所述空心底座（10）的内腔注入钻井液的进液口，所述阀芯（30）的一端暴露于所述钻井液内，所述阀芯（30）的另一端设有第一压簧（34），当所述钻井液的压力大于预设压力时能够驱动所述阀芯（30）将所述流道关闭，且当所述钻井液的压力小于预设压力时，所述第一压簧（34）能够驱使所述阀芯（30）将所述流道开启。

2.根据权利要求1所述的非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，所述流道包括沿所述芯体（20）的径向分别设置在所述活塞（22）两侧的第一径向孔（23）和第二径向孔（24），所述芯体（20）的中心设有沿所述芯体（20）的周向设置的阀孔（25），所述阀孔（25）的一端与所述空心底座（10）的内腔连通，所述阀芯（30）沿所述阀孔（25）的轴线方向滑动设置在所述阀孔（25）内，所述第一压簧（34）设置所述阀芯（30）与所述阀孔（25）的底端之间，所述阀芯（30）上设有第一环槽（31），当所述空心底座（10）内的钻井液压力小于所述预设压力时，所述第一环槽（31）分别与所述第一径向孔（23）和所述第二径向孔（24）连通，当所述空心底座（10）内的钻井液压力大于所述预设压力时，所述第一环槽（31）与所述第一径向孔（23）和所述第二径向孔（24）中的至少其中一者断开。

3.根据权利要求2所述的非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，所述芯体（20）内设有喷液孔（27），所述喷液孔（27）的一端贯通至所述中心刀翼（21）所在的端面，所述阀芯（30）内设有钻井液通道，所述钻井液通道的一端与所述空心底座（10）的内腔连通，所述钻井液通道被配置为当所述阀芯（30）将所述流道断开后能够使所述钻井液通道与所述喷液孔（27）连通，且所述当所述阀芯（30）将所述流道开启之前能够将所述钻井液通道与所述喷液孔（27）断开。

4.根据权利要求3所述的非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，所述钻井液通道包括沿所述阀芯（30）轴向设置的轴向孔（32），以及沿所述阀芯（30）径向设置的径向孔（33），所述阀孔（25）的侧壁上设有第二环槽（26），所述喷液孔（27）与所述第二环槽（26）连通，当所述阀芯（30）未将所述流道断开时，所述径向孔（33）与所述第二环槽（26）相互错开，以使所述钻井液通道与所述喷液孔（27）断开，当所述阀芯（30）将所述流道断开时，所述径向孔（33）与所述第二环槽（26）连通，以使所述钻井液通道与所述喷液孔（27）连通。

5.根据权利要求4所述的非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，所述芯体（20）的外壁上设有花键，所述空心底座（10）的内壁上设有与所述花键配合的花键槽，所述芯体（20）与所述空心底座（10）之间设有第二压簧（40），所述第二压簧（40）被装配为其弹力能够驱使所述芯体（20）向靠近所述空心底座（10）前端的方向运动。

6.根据权利要求5所述的非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，所述空心底座（10）包括分体式设置的第一区段（101）、第二区段（102）和第三区段（103），所述第一区段（101）设有用于连接钻杆的连接部，所述第二区段（102）设置有所述花键槽，所述第三区段（103）设有所述活塞腔（12），所述肩部刀翼（11）位于所述第三区段（103）的端部。

7.根据权利要求1所述的非连续性冠部曲线钻头，其特征在于，所述肩部刀翼（11）的回转路径的最小直径小于所述芯体（20）的外径。

Images