CN204663396U - 一种用于定向钻井的钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于定向钻井的钻头，属于钻井技术领域中的石油天然气、地质勘探用的钻井钻头，其目的在于提供一种用于定向钻井的钻头，在不牺牲常规定向钻头的工具面稳定性的前提下提高钻头的造斜效率。其技术方案为：包括接头螺纹和与钻头本体，钻头本体冠部的外表面上分布有多条刀翼，每条刀翼上均安装有主切削单元和副切削单元；相邻两条刀翼之间形成排屑槽，排屑槽内设置有安装在钻头本体上的水孔喷嘴；刀翼肩部上方的保径为阶梯式保径。本实用新型适用于石油天然气、地质勘探过程中所使用的定向钻井钻头。

Description

一种用于定向钻井的钻头

技术领域

本实用新型属于钻井技术领域，涉及石油天然气、地质勘探用的钻井钻头，尤其涉及一种石油天然气、地质勘探用的用于定向钻井的钻头。

背景技术

目前，PDC钻头、天然金刚石钻头、孕镶钻头等被广泛用于油气开采和地质勘探，并取得了突出的使用效果。随着油气开采难度的不断加大，页岩气、大位移井等的开发都更多的依赖于定向钻井技术，因此需要有适合定向钻进的定向钻井钻头。

如附图1所示的常规定向钻头钻井示意图，该常规定向钻头的保径的外表面为单一的圆柱面。为了使常规定向钻头能有较好的工具面稳定性，因而选择了具有一定适合长度L的常规定向钻头，且常规定向钻头在钻进岩层的过程中，因钻头保径与井眼有较小的间隙，固定保径长度L的定向钻头的钻头轴线和井眼轴线间可形成的最大夹角α也被确定，最大夹角α即为常规定向钻头的最大导向角度，且常规定向钻头的保径长度L越长，钻头的最大导向角度越小，钻头的造斜效率越低。

经长期实践证明：钻头的保径长度对钻头的定向能力有着很大的影响，定向钻井钻头的保径长度制约着钻头的造斜率。较长的保径长度可增加钻头保径与井壁面的接触面积，使钻头的工具面更稳定，但较长的保径面因为受到井壁的约束，却也同时限制了钻头在钻进方向的可变范围，因此降低了定向钻井钻头的造斜率；钻头保径长度较短，可增加钻头的造斜能力，但因保径面与井壁面的接触面积变小，容易造成钻头工具面不稳，定向效果差。

发明内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种用于定向钻井的钻头，在不牺牲常规定向钻头的工具面稳定性的前提下提高钻头的造斜效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于定向钻井的钻头，包括接头螺纹和与接头螺纹连接的钻头本体，所述钻头本体冠部的外表面上分布有多条刀翼，所述每条刀翼上均安装有主切削单元和副切削单元；相邻两条刀翼之间形成排屑槽，所述排屑槽内设置有安装在钻头本体上的水孔喷嘴；所述刀翼肩部上方的保径为阶梯式保径。

作为本实用新型的优选方案，所述保径的外表面包括至少一个与钻头本体的最大直径相同的大圆柱面，所述保径的其余外表面上的任意点到钻头本体轴线的距离均小于或等于钻头本体的最大直径。

作为本实用新型的优选方案，所述保径的其余外表面为一个小圆柱面或一个以上直径各不相同的小圆柱面，所述小圆柱面的直径均小于大圆柱面的直径。

作为本实用新型的优选方案，所述保径的大圆柱面位于保径上靠近接头螺纹的一侧，保径上远离接头螺纹的一侧为小圆柱面。

作为本实用新型的优选方案，所述保径的大圆柱面位于保径上远离接头螺纹的一侧，保径上靠近接头螺纹的一侧为小圆柱面。

作为本实用新型的优选方案，所述保径的大圆柱面位于保径的中部位置，保径的大圆柱面两侧为小圆柱面。

作为本实用新型的优选方案，所述主切削单元和/或副切削单元上设有一组或多组PDC切削齿单元，所述PDC切削齿单元突出钻头刀翼外轮廓面的距离y均大于主切削单元突出钻头刀翼外轮廓面的距离x、副切削单元突出钻头刀翼外轮廓面的距离z。

作为本实用新型的优选方案，所述钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，所述中心锥形切削齿与钻头本体同轴线；所述刀翼上设置有主切削单元，所述主切削单元包括圆柱形切削齿和临齿，所述临齿位于刀翼上靠近中心锥形切削齿的一侧。

作为本实用新型的优选方案，所述中心锥形切削齿包括硬质合金基座和锥形金刚石层，所述硬质合金基座与刀翼连接，所述锥形金刚石层与硬质合金基座连接，且所述锥形金刚石层的锥角为60°至120°。

作为本实用新型的优选方案，所述中心锥形切削齿的出刃高度大于临齿的出刃高度，且所述中心锥形切削齿与临齿的出刃高度差H为0至20mm。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、          本实用新型中，刀翼肩部上方的保径设置为阶梯式保径，在保证钻头保径总长度不变的前提下，由于保径部分区域的外径比现有钻头保径外径尺寸小，因而在定向钻进过程中，钻头保径的部分区域与井壁之间的间隙增大，加大了钻头钻进方向可变化的范围，提高了导向效率；同时相对于单纯的减短保径长度的设计而言，仅采用将保径部分区域直径减小的设计即保证了保径的总长度不变，保证了钻头的工具面稳定性，又提高了钻头的造斜效率。

2、          本实用新型中， 保径的外表面包括至少一个与钻头本体的最大直径相同的大圆柱面，该大圆柱面保证钻头的工具面稳定性；而保径的其余外表面上的任意点到钻头本体轴线的距离均小于或等于钻头本体的最大直径，因而可在保径的其余外表面与井壁之间形成间隙，加大了钻头钻进方向可变化的范围，提高了导向效率和造斜效率。

3、          本实用新型中，保径的外表面均由两个或至少两个直径不同的圆柱面组成，因而相对于外表面为曲面等形状的保径来说，其加工效率和加工成本都大幅度下降，使钻头的生产成本降低。

4、          本实用新型中，主切削单元和/或副切削单元上设有一组或多组PDC切削齿单元，由于PDC切削齿单元的存在，因而在钻头钻进时，井底岩石表面将形成一个或多个更深同心的环形凹槽，且环形凹槽可有效地限制PDC切削齿的径向移动，从而有效抑制了钻头的横向振动，钻头的抗振效果较好。

5、          本实用新型中，钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，当钻进过程中，压力通过钻头上的中心锥形切削齿钻压至钻进岩层，中心锥形切削齿以挤压的方式压裂破碎钻进岩层，或者将钻进岩层沿中心锥形切削齿锥形面向四周挤压钻进岩层并使钻进岩层变形，便于邻近的具有较高切削速度的临齿或者圆柱形切削齿破碎岩石，提高钻头内锥切削齿的破岩效率，提高钻头的钻进速度。

6、          本实用新型中，中心锥形切削齿的出刃高于临齿的出刃，因而可有效减少钻头的振动，钻头旋转钻进时更稳定，延长钻头使用寿命，同时心部锥形切削齿设计利于岩屑向井壁方向流动，使岩屑疏导排屑更容易。

附图说明

图1为现有常规技术中定向钻头钻井的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中保径的结构示意图；

图4为本实用新型实施例2中保径的结构示意图；

图5为本实用新型实施例3中保径的结构示意图；

图6为本实用新型的定向钻头钻井的结构示意图；

图7为本实用新型中PDC切削单元覆盖示意图；

图8为本实用新型中PDC切削单元的钻井示意图；

图9为本实用新型实施例五的结构示意图；

图10为本实用新型实施例五的切削原理结构示意图；

图11为本实用新型实施例五的钻头本体冠形示意图；

其中，附图标记为：1—钻头本体、2—刀翼、3—保径、4—主切削单元、5—副切削单元、6—排屑槽、7—水孔喷嘴、8—卸扣槽、9—接头螺纹、10—钻头轴线、13—常规定向钻头、14—钻进岩层、15—井眼轴线、16—钻头、31—内锥顶点、32—内锥面、33—鼻部、34—肩部、35—外肩部、45—钻头刀翼外轮廓面、46—环形凹槽、49—PDC切削齿单元、41—邻齿、22—中心锥形切削齿、42—圆柱形切削齿、221—钻头中心线、α—常规钻头最大导向角、β—钻头最大导向角、L—保径长度。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种用于定向钻井的钻头，接头螺纹9和钻头本体1，该接头螺纹9与钻头本体1连接为一个整体。钻头本体1上靠近接头螺纹9一侧的外表面上设置有卸扣槽8，该卸扣槽8可沿钻头本体1的周向设置多个。钻头本体1的冠部位置的外表面上分布有多条刀翼2，每条刀翼2的长度方向与钻头本体1的钻头轴线10方向一致，多条刀翼2在钻头本体1上沿钻头本体1的周向均匀分布，且相邻两条刀翼2之间留有一定距离的间隙，并在相邻两条刀翼2之间形成用于排屑的排屑槽6，且排屑槽6内设置有若干安装于钻头本体1上的水孔喷嘴7。

每条刀翼2上均安装有主切削单元4和副切削单元5，其中主切削单元4和副切削单元5在刀翼2上呈双排设置，一排为主切削单元4，另一排为副切削单元5。作为优选，主切削单元4和副切削单元5中均包括圆柱形切削齿和锥形切削齿两种切削齿，圆柱形切削齿和锥形切削齿均混合安装在主切削单元4和副切削单元5上，使得刀翼2上设置的两种切削齿均衡分布，覆盖整个井底。

刀翼2肩部上方的保径3为阶梯式保径3，使得刀翼2的保径3的外表面为阶梯状。其中，保径3的外表面包括至少一个与大圆柱面，该大圆柱面为同一条与钻头本体1轴线平行的直线段绕钻头本体1轴线旋转生成的回转面，且该大圆柱面的直径与钻头本体1的最大直径相同。保径3的其余外表面可以为圆柱面、圆弧面和圆锥面等其他外表面，且该其余外表面上的任意点到钻头本体1轴线的距离均小于或等于钻头本体1的最大直径。作为优选，保径3的其余表面为两段直径不同的小圆柱面，且这两段小圆柱面的直径均小于大圆柱面的直径。且保径3的大圆柱面位于保径3上远离接头螺纹9的一侧，而两段小圆柱面位于保径3上靠近接头螺纹9的一侧（如附图3所示）。

刀翼2肩部上方的保径3设置为阶梯式保径3，在保证钻头保径3总长度不变的前提下，由于保径3部分区域的外径比现有钻头保径3外径尺寸小，因而在定向钻进过程中，钻头保径3的部分区域与井壁之间的间隙增大，加大了钻头钻进方向可变化的范围，提高了导向效率；同时相对于单纯的减短保径3长度的设计而言，仅采用将保径3部分区域直径减小的设计即保证了保径3的总长度不变，保证了钻头的工具面稳定性，又提高了钻头的造斜效率。且保径3的外表面包括至少一个与钻头本体1的最大直径相同的大圆柱面，该大圆柱面保证钻头的工具面稳定性；而保径3的其余外表面上的任意点到钻头本体1轴线的距离均小于或等于钻头本体1的最大直径，因而可在保径3的其余外表面与井壁之间形成间隙，加大了钻头钻进方向可变化的范围，提高了导向效率和造斜效率。将保径3的外表面均由两个或至少两个直径不同的圆柱面组成，因而相对于外表面为曲面等形状的保径3来说，其加工效率和加工成本都大幅度下降，使钻头的生产成本降低。

实施例2

在实施例一的基础上，保径3的其余表面为两段直径不同的小圆柱面，这两段小圆柱面的直径均小于大圆柱面的直径。且保径3的大圆柱面位于保径3上靠近接头螺纹9的一侧，而两段小圆柱面位于保径3上远离接头螺纹9的一侧（如附图4所示）。

实施例3

在实施例一的基础上，保径3的其余表面为两段直径不同的小圆柱面，这两段小圆柱面的直径均小于大圆柱面的直径。且保径3的大圆柱面位于保径3的中部位置，而两段小圆柱面位于保径3上的大圆柱面的两侧（如附图5所示）。

实施例4

在上述实施例的基础上，主切削单元4和/或副切削单元5上设有一组或多组PDC切削齿单元49，该PDC切削齿单元49末端突出钻头刀翼2外轮廓面45距离y，该主切削单元4末端突出钻头刀翼2外轮廓面45距离x，副切削单元5末端突出钻头刀翼2外轮廓面45距离z，且距离x、y、z满足关系：y＞x≥z或者y＞z≥x。由于主切削单元4和/或副切削单元5上有PDC切削齿单元49，因而在钻头钻井的过程中，PDC切削齿单元49将在钻进岩层14表面上产生多个通行的环形凹槽46，这些环形凹槽46能够有效地限制切削齿的径向位移，从而起到抑制钻头横向振动的作用。当同一组PDC切削齿单元49中包含有多颗PDC切削齿时，多颗切削齿在钻头本体1半径平面内的位置相同，即多颗PDC切削齿的y值相等，且PDC切削齿到钻头轴线10的距离r相等。PDC切削齿单元49中的PDC切削齿可分布在不同的刀翼上，也可分布在同一个刀翼上。

实施例5

在上述实施例的基础上，钻头本体1的冠形呈对称分布，其主要包括依次连接的内锥顶点31、内锥面32、鼻部33、肩部34、外肩部35和保径3，内锥顶点31位于钻头本体1的中心位置处。在钻头本体1冠部的内锥顶点31处（即个刀翼2顶部的集结处）设置有中心锥形切削齿22，该中心锥形切削齿22与钻头本体1的同轴线。

每条刀翼2上均安装有主切削单元4和副切削单元5，其中主切削单元4和副切削单元5在刀翼2上呈双排设置，一排为主切削单元4，另一排为副切削单元5。作为优选，主切削单元4和副切削单元5中均包括圆柱形切削齿和锥形切削齿两种切削齿，圆柱形切削齿和锥形切削齿均混合安装在主切削单元4和副切削单元5上，使得刀翼2上设置的两种切削齿均衡分布，覆盖整个井底。该主切削单元4包括圆柱形切削齿42和临齿41，该临齿设置在刀翼2上靠近中心锥形切削齿22的一侧，而圆柱形切削齿42沿钻头刀翼外轮廓面45向远离中心锥形切削齿22的一侧均匀设置。

钻头本体冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿，当钻进过程中，压力通过钻头上的中心锥形切削齿钻压至钻进岩层，中心锥形切削齿以挤压的方式压裂破碎钻进岩层，或者将钻进岩层沿中心锥形切削齿锥形面向四周挤压钻进岩层并使钻进岩层变形，便于邻近的具有较高切削速度的临齿或者圆柱形切削齿破碎岩石，提高钻头内锥切削齿的破岩效率，提高钻头的钻进速度。

实施例6

在实施例五的基础上，该中心锥形切削齿22由硬质合金基底和锥形金刚石层两部分组成，该硬质合金基座与刀翼连接，该锥形金刚石层与硬质合金基座连接。锥形切削齿用于压碎钻遇的岩层，或将钻遇岩层沿锥形切削齿锥形面向四周挤压变形利于邻近具有较高切削速度的常规切削齿破碎岩石。由于采用了硬质合金基底和锥形金刚石层组成的中心锥形切削齿22，不仅硬质合金基底强度高，且锥形金刚石层耐磨，可有效解决上述问题。

作为优选，所述锥形金刚石层的锥角范围为60°～120°，本实施例中锥形金刚石层的锥角范围为75°。锥形金刚石层的尖部即为锥形切削齿的工作部位，起到对钻遇岩层的切割粉碎作用。当锥角过小时，锥形金刚石层的尖部过尖，则其性能较差，尖部较为脆弱，极易在碎石时崩刃，从而失去碎石效果，且使用寿命短；而当锥角过大时，则锥形金刚石层的尖部过钝，碎石效果较差，影响碎石效率；因此，在综合考虑锥形金刚石层整体性能和碎石效果后，经过多次实践和改良，当锥形金刚石层的锥角范围在60°~120°之间时，锥形金刚石层的整体性能和碎石效果达到了一个平衡，能同时满足二者的基本要求。

优选地，所述中心锥形切削齿的直径D为10mm至30mm。所述中心锥形切削齿的出刃高度大于临齿的出刃高度，且所述中心锥形切削齿与临齿的出刃高度差H为0至20mm。所述中心锥形切削齿与临齿的最小距离L为2至6mm。

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 (10)

1.一种用于定向钻井的钻头，包括接头螺纹（9）和与接头螺纹（9）连接的钻头本体（1），所述钻头本体（1）冠部的外表面上分布有多条刀翼（2），所述每条刀翼（2）上均安装有主切削单元（4）和副切削单元（5）；相邻两条刀翼（2）之间形成排屑槽（6），所述排屑槽（6）内设置有安装在钻头本体（1）上的水孔喷嘴（7）；其特征在于：所述刀翼（2）肩部上方的保径（3）为阶梯式保径。

2.如权利要求1所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述保径（3）的外表面包括至少一个与钻头本体（1）的最大直径相同的大圆柱面，所述保径（3）的其余外表面上的任意点到钻头本体（1）轴线的距离均小于或等于钻头本体（1）的最大直径。

3.如权利要求2所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述保径（3）的其余外表面为一个小圆柱面或一个以上直径各不相同的小圆柱面，所述小圆柱面的直径均小于大圆柱面的直径。

4.如权利要求3所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述保径（3）的大圆柱面位于保径（3）上靠近接头螺纹（9）的一侧，保径（3）上远离接头螺纹（9）的一侧为小圆柱面。

5.如权利要求3所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述保径（3）的大圆柱面位于保径（3）上远离接头螺纹（9）的一侧，保径（3）上靠近接头螺纹（9）的一侧为小圆柱面。

6.如权利要求3所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述保径（3）的大圆柱面位于保径（3）的中部位置，保径（3）的大圆柱面两侧为小圆柱面。

7.如权利要求1所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述主切削单元（4）和/或副切削单元（5）上设有一组或多组PDC切削齿单元（49），所述PDC切削齿单元（49）突出钻头刀翼外轮廓面（45）的距离y均大于主切削单元（4）突出钻头刀翼外轮廓面（45）的距离x、副切削单元（5）突出钻头刀翼外轮廓面（45）的距离z。

8.如权利要求1-7中任一所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述钻头本体（1）冠部的内锥顶点处设置有中心锥形切削齿（22），所述锥形切削齿（6）与钻头本体（1）同轴线；所述刀翼（2）上设置有主切削单元（4），所述主切削单元（4）包括圆柱形切削齿（42）和临齿（41），所述临齿（41）位于刀翼（2）上靠近中心锥形切削齿（22）的一侧。

9.如权利要求8中任一所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述中心锥形切削齿（22）包括硬质合金基座和锥形金刚石层，所述硬质合金基座与刀翼（2）连接，所述锥形金刚石层与硬质合金基座连接，且所述锥形金刚石层的锥角为60°至120°。

10.如权利要求9中任一所述的一种用于定向钻井的钻头，其特征在于：所述中心锥形切削齿（22）的出刃高度大于临齿（41）的出刃高度，且所述中心锥形切削齿（22）与临齿（41）的出刃高度差H为0至20mm。