[發(fā)明專利]一種定向鉆井金剛石鉆頭

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710286112.1
• 申請(qǐng)日: 2017-04-27
• 公開（公告）號(hào): CN108798514A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃奎林;楊迎新;周堅(jiān)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南石油大學(xué);成都為一石油科技有限公司
• 主分類號(hào): E21B7/04
• 分類號(hào): E21B7/04;E21B10/16;E21B10/22;E21B10/50
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

一種定向鉆井金剛石鉆頭，包括鉆頭體、鉆頭體上的固定刀翼、牙輪、水力結(jié)構(gòu)等，固定刀翼上有切削齒，牙輪上有牙齒，其特征在于：至少有一個(gè)固定刀翼上設(shè)置有一個(gè)或數(shù)個(gè)凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置有牙輪，牙輪與固定刀翼形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。這樣的結(jié)構(gòu)采用牙輪減小鉆頭扭矩、提高鉆頭工具面穩(wěn)定性的同時(shí)，提高鉆頭的工作安全性，減小甚至避免運(yùn)動(dòng)部件掉落井底情況的發(fā)生，并擴(kuò)大鉆頭切削結(jié)構(gòu)及水力結(jié)構(gòu)的可用空間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)鉆探、隧道工程、水文及非開挖等技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種定向鉆井金剛石鉆頭。

背景技術(shù)

在石油天然氣鉆井工程中，通常使用鉆頭破碎巖石，鉆頭是破碎巖石形成井筒的破巖工具。目前鉆井工程中使用的鉆頭主要有三牙輪鉆頭和PDC鉆頭，三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，三牙輪鉆頭的輪體速比（鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速與鉆頭轉(zhuǎn)速之比）均大于1，鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)牙輪轉(zhuǎn)速快，牙輪上的牙齒對(duì)井底巖石形成沖擊壓碎作用破巖，能量利用率不高，破巖效率相對(duì)較低，機(jī)械鉆速太低。PDC鉆頭依靠高硬度、耐磨、自銳的聚晶金剛石復(fù)合片（簡(jiǎn)稱PDC齒）來(lái)剪切和破碎巖石，PDC鉆頭在軟到中硬地層中機(jī)械鉆速高、壽命長(zhǎng)，鉆進(jìn)成本低，因此其在油氣井的鉆進(jìn)中得到廣泛使用，但是在定向鉆井中，PDC鉆頭容易出現(xiàn)扭矩波動(dòng)大，不利于鉆具工作面的穩(wěn)定控制，不利于鉆頭的快速鉆進(jìn)。

美國(guó)貝克休斯公司提出的牙輪—PDC混合式鉆頭是在傳統(tǒng)的PDC切削結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加牙輪切削結(jié)構(gòu)而形成的。當(dāng)混合鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，固定刀翼上的PDC齒以刮切方式破巖，牙輪上的牙齒主要以沖擊壓碎的方式破巖,因此混合鉆頭依靠?jī)煞N方式破碎巖石，它在某些特殊地層—如礫石地層，不均質(zhì)地層能獲得較好的效果，復(fù)合鉆頭在定向作業(yè)時(shí)，扭矩響應(yīng)小，工具面更加穩(wěn)定，提速效果明顯。

在現(xiàn)有的牙輪—PDC混合鉆頭中，牙輪體通過(guò)其軸承孔與安裝牙掌的軸頸上，由于牙掌軸頸結(jié)構(gòu)的特殊性，牙掌與鉆頭體很難采用一體式結(jié)構(gòu)，而必須通過(guò)焊接的方式將牙掌-牙輪部件與鉆頭體相連接。這樣，焊縫就成為鉆頭強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)，在實(shí)鉆中容易發(fā)生因焊縫失效而導(dǎo)致的牙掌落井現(xiàn)象，落井事故一旦發(fā)生，將對(duì)后續(xù)的鉆井進(jìn)程產(chǎn)生非常不利的影響，增加鉆井成本。另一方面，牙掌的存在，將會(huì)占據(jù)鉆頭上寶貴的布齒空間，限制固定切削結(jié)構(gòu)的布齒密度。上述缺點(diǎn)的存在將嚴(yán)重制約混合鉆頭的使用。

假設(shè)鉆頭上有一個(gè)通過(guò)鉆頭軸線和鉆頭上某一點(diǎn)的剖切平面（稱之為過(guò)該點(diǎn)的軸線平面或軸面）。當(dāng)鉆頭在鉆進(jìn)速度為零的條件下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削元件的輪廓線與剖切平面或軸面相交形成交線，該交線為切削元件的軸面輪廓線，將所有切削元件的軸面輪廓線匯集在一起形成鉆頭的井底覆蓋圖，在井底覆蓋圖中，可以做一條與所有切削單元的軸面輪廓線相切的包絡(luò)曲線，被稱為鉆頭切削輪廓線，鉆頭切削輪廓線反映了鉆頭鉆出的井底的基本形狀特征。鉆頭本體輪廓線是井底覆蓋圖中反映鉆頭本體的位置曲線，其是金剛石鉆頭的一條重要特征曲線。鉆頭布齒面是指以鉆頭軸線為旋轉(zhuǎn)中心，鉆頭本體輪廓線為旋轉(zhuǎn)半徑旋轉(zhuǎn)一周后與鉆頭本體相交而成的曲面。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：提出一種定向鉆井金剛石鉆頭，在采用牙輪減小鉆頭扭矩、提高鉆頭工具面穩(wěn)定性的同時(shí)，提高鉆頭的工作安全性，減小甚至避免運(yùn)動(dòng)部件掉落井底情況的發(fā)生，并擴(kuò)大鉆頭切削結(jié)構(gòu)及水力結(jié)構(gòu)的可用空間。

本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種定向鉆井金剛石鉆頭，包括鉆頭體、鉆頭體上的固定刀翼、牙輪、水力結(jié)構(gòu)等，固定刀翼上有切削齒，牙輪上有牙齒，其特征在于：至少有一個(gè)固定刀翼上設(shè)置有一個(gè)或數(shù)個(gè)凹槽，牙輪設(shè)置在凹槽內(nèi)，牙輪通過(guò)牙輪軸與固定刀翼形成轉(zhuǎn)動(dòng)連接。