CN203925290U - 具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，包括钻头体，钻头体上有领眼体及至少一级的扩眼体，所述领眼体冠部轮廓曲面中包含球面。本实用新型在定向钻井时领眼体各切削齿受力均匀，磨损均匀，减少切削齿的先期损坏，使领眼体保持平稳的钻进，双心扩眼钻头的寿命得到提高，同时能增加钻头在定向钻进时的稳定性和可控性。
Description
技术领域
本实用新型属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备技术领域，特别是涉及一种适用于定向钻井用的双心扩眼钻头。
背景技术
随着套管开窗侧钻和老井的二次开发越来越多，扩眼工具得到了大量应用。钻井工程中的扩眼施工通常有两种方式：其一，先用常规钻头钻出领眼孔（即先导孔），再换用扩孔钻头或工具进行扩孔施工，也即钻领眼施工与扩眼施工是分别进行的；其二、用“随钻扩眼”的方式，边钻进边扩眼，一次性完成钻、扩施工。双心随钻扩眼钻头亦称为“双心扩眼钻头”、“双心钻头”、“双心扩眼工具”等，是一种常用的随钻扩眼工具或扩眼钻头之一，常常用于老井深钻、侧钻等条件下的随钻扩眼施工。双心扩眼工具为固定式偏心结构体，主要由领眼体（用于钻领眼的切削结构）和扩眼体（用于扩眼的切削结构）组成，轴线为领眼体的中心轴线。双心扩眼钻头（以下亦简称为“扩眼工具”或“扩眼钻头”）的使用方式是：扩眼钻头下入并通过一段直径较小的井眼（通常为套管内孔），下入过程中扩眼钻头的领眼体的轴线与井眼的中心线有一定的偏移；穿过小直径井眼后，扩眼工具绕自身轴线旋转钻进，可在较小直径井眼下方钻出直径更大的井眼。
冠部轮廓形状是固定切削结构钻头最重要的结构特征之一，一般用冠部轮廓曲线或冠部轮廓曲面的形状来表征。冠部轮廓曲线是在钻头的径向布齿平面上表达的。钻头的径向布齿平面即由钻头轴心线向外且通过钻头轴心线的半平面。按照各切削齿的径向、高度位置坐标将切削齿的齿刃轮廓线（PDC齿的齿刃轮廓线通常为圆）在该平面上逐个绘出，用于表达钻头的平面布齿特征以及切削齿对井底岩石的覆盖状态。冠部轮廓曲线就是指钻头的径向布齿平面上各切削齿齿刃轮廓线的外侧包络线（岩石一侧的包络线）。冠部轮廓曲面，是指冠部轮廓曲线绕钻头中心线旋转一周所形成的回转曲面。冠部轮廓曲线或冠部轮廓曲面的形状是决定钻头切削齿与井底岩石接触状态的关键因素。目前所用的固定切削结构钻头的冠部轮廓曲线形状主要有直线-圆弧、直线-圆弧-直线、直线-圆弧-圆弧等。对应地，钻头冠部轮廓曲面就是由圆锥曲面、平面、圆环曲面等构成的组合曲面，但均不是或不包括球面。
双心扩眼钻头属固定切削结构钻头，常用于直井钻进，但近年来，双心扩眼钻头也在尝试用于定向井钻进。目前的双心扩眼钻头的领眼体的冠部轮廓曲线（曲面）均采用普通固定切削结构钻头的冠部轮廓曲线（曲面）。双心扩眼钻头用于定向井的造斜段钻进时，钻头上将施加一定的横向造斜力（使钻头轴线与井眼轴线偏移），或钻头上方带弯角钻具使钻头轴线与井眼轴线之间存在一定的夹角，双心扩眼钻头的领眼体采用上述普通冠部形状的钻头造斜时，钻头领眼体上的切削齿受载严重不均衡。其主要原因是：一方面，由于钻头偏移或偏斜后，普通冠部轮廓的领眼体切削轮廓与井底轮廓不能较好贴合，造成切削齿的切削深度和受力不均，一侧的切削齿侵入岩石的深度大，另一侧则显著减小，甚至会与井底岩石脱离接触。此时，钻头领眼体上的触底齿数（同时参与切削井底岩石的切削齿数量）变少，切削齿容易因过载而发生崩碎、断裂甚至脱落，磨损速度加快，从而导致领眼体及整个钻头早期失效。另一方面，由于钻头领眼体切削轮廓与井底轮廓不能较好吻合，钻头切削载荷、横向力及扭矩等不均衡、不稳定，钻头工具面难以控制，使钻头的钻进稳定性和可控性变差。
实用新型内容
本实用新型的目的就是克服上述现有技术的不足，提供一种具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，提高了双心扩眼钻头用于定向扩孔时的使用寿命、扩眼效果及钻进的可靠性和稳定性。
本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：
一种具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，包括钻头体，钻头体上有领眼体及至少一级的扩眼体，所述领眼体冠部轮廓曲面中包含球面。
作为优选，所述领眼体径向外三分之二区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
径向是指钻头的半径（直径）方向。领眼体径向是领眼体半径（直径）方向。领眼体径向外三分之二区域是指：从领眼体最外（领眼体上距钻头中心最远）点沿领眼体半径往钻头中心至半径长的三分之二处（即距钻头中心三分之一半径处）之间的区域。
作为优选，所述领眼体径向外三分之一区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
作为优选，领眼体冠部轮廓曲面中的球面的半径不小于0.9倍的领眼体半径，且球面面积不小于领眼体冠部轮廓曲面总面积的50%。
作为优选，领眼体冠部轮廓曲面中的球面的半径为钻头上部钻具弯点至钻头领眼体冠顶距离的0.8至1.2倍，且球面面积不小于领眼体冠部轮廓曲面总面积的50%。
作为优选，领眼体冠部轮廓曲面中的球面半径不小于0.9倍的领眼体半径，不大于1.2倍的领眼体半径，且球面面积不小于钻头领眼体冠部轮廓曲面总面积的50%。
作为优选，70%以上领眼体径向区域的冠部轮廓曲面为球面。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
（1）双心扩眼钻头的领眼体冠部轮廓曲面采用球形冠部轮廓曲面，在定向钻井时领眼体球面冠部能与球形井底较好地贴合，钻头领眼体上的切削齿能更均匀地吃入井底岩石，减少切削齿的受载不均和钻头偏载，从而减少切削齿的偏磨和钻头的振动，进而提高切削齿和钻头的使用寿命。
（2）领眼体冠部轮廓曲面采用球形冠部轮廓曲面，球形的轮廓钻出球形的井底，球形轮廓的领眼体与井底的接触类似于球铰接触，钻头领眼体部分与球形井底之间能实现较好的自吻合，使钻头的受力及扭矩更加均衡稳定，减少钻头振动的同时增加钻头在定向钻进时的稳定性和可控性。
附图说明
图1是具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头的结构示意图；
图2是本实用新型下入已钻井眼（或套管）的示意图；
图3是本实用新型正常扩眼钻进示意图；
图4是本实用新型领眼体的整个冠部轮廓曲面为半球面时的示意图；
图5是本实用新型领眼体的心部设有内锥的示意图；
图6是本实用新型钻头领眼体冠部轮廓曲面的径向外三分之二区域为球面时示意图；
图7是本实用新型钻头领眼体冠部轮廓曲面的径向外三分之二区域为球面，且领眼体的心部设有内锥的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
实施例一
参见图1至图4，一种具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，包括钻头体，钻头体上有领眼体1及至少一级的扩眼体2，在领眼体1上布置有切削齿3，所述领眼体1冠部轮廓曲面中包含球面31。作为优选，领眼体1的整个冠部轮廓曲面为球面，且接近于半球面。更进一步地，所述领眼体1冠部轮廓曲面为半球面。
该双心扩眼钻头用于定向钻井时，一方面，由于领眼体1球形冠部能与球形井底较好地贴合，领眼体1上的切削齿3能更均匀地吃入井底岩石，减少切削齿3的受载不均和钻头偏载，减少切削齿3的偏磨和钻头的振动，从而提高切削齿3和钻头的使用寿命；另一方面，领眼体1的球形轮廓钻出球形的井底，球形轮廓的领眼体1与井底之间的接触类似于球铰接触，钻头领眼体1部分与球形井底之间能实现较好的自吻合，使钻头的受力及扭矩更加均衡稳定，减少钻头振动的同时增加钻头在定向钻进时的稳定性和可控性。
在工作时，如图2所示，双心扩眼钻头6下入并通过一段直径较小的井眼7（通常为套管内孔），下入过程中扩眼钻头6的领眼体1的轴线5（也为双心扩眼钻头自身旋转的轴线）与井眼7的中心线9有一定的偏移；如图3所示，扩眼钻头6穿过小直径井眼7后，扩眼钻头6绕自身轴线5旋转钻进，可在较小直径井眼7下方钻出直径更大的井眼8。
实施例二
参见图5，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述领眼体1径向外三分之一区域的冠部轮廓曲面中包含球面31，球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%，且所述领眼体1的心部设有内锥4。这种结构的钻头能使较易磨损的径向外三分之一区域的切削齿的切削量、切削载荷趋于均匀，有效减缓磨损，且当钻头轴线的偏角较小时，内锥结构能提高钻头的稳定性。
实施例三
参见图6，本实施例与实施例一的不同之处在于，所述领眼体1径向外三分之二区域的冠部轮廓曲面中包含球面31。
实施例四
参见图7，本实施例与实施例三的不同之处在于，所述领眼体1的心部设有内锥4，且球面的半径显著增大。这种结构的领眼体1能使径向外三分之二区域的切削齿的切削量、切削载荷趋于均匀，有效减缓磨损。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，包括钻头体，钻头体上有领眼体及至少一级的扩眼体，其特征在于：所述领眼体冠部轮廓曲面中包含球面。
2.根据权利要求1所述的具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，其特征在于：所述领眼体径向外三分之二区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
3.根据权利要求1或2所述的具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，其特征在于：所述领眼体径向外三分之一区域的冠部轮廓曲面中包含球面，且球面面积不小于该区域内冠部轮廓曲面面积的50%。
4.根据权利要求1所述的具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，其特征在于：领眼体冠部轮廓曲面中的球面的半径不小于0.9倍的领眼体半径，且球面面积不小于领眼体冠部轮廓曲面总面积的50%。
5.根据权利要求1所述的具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，其特征在于：领眼体冠部轮廓曲面中的球面的半径为钻头上部钻具弯点至钻头领眼体冠顶距离的0.8至1.2倍，且球面面积不小于领眼体冠部轮廓曲面总面积的50%。
6.根据权利要求1所述的具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，其特征在于：领眼体冠部轮廓曲面中的球面半径不小于0.9倍的领眼体半径，不大于1.2倍的领眼体半径，且球面面积不小于钻头领眼体冠部轮廓曲面总面积的50%。
7.根据权利要求4、5或6所述的具有球面冠部轮廓的双心扩眼钻头，其特征在于：70%以上领眼体径向区域的冠部轮廓曲面为球面。
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