[發明專利]一種適于硬地層鉆進的低扭矩金剛石鉆頭

在審

• 申請號: 201810138579.6
• 申請日: 2018-02-10
• 公開（公告）號: CN110145241A
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發明（設計）人: 楊迎新;牛世偉;謝宗亮;張春亮;楊燕;戚清亮
• 申請（專利權）人: 西南石油大學;成都為一石油科技有限公司
• 主分類號: E21B10/54
• 分類號: E21B10/54;E21B10/62
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種適于硬地層鉆進的低扭矩金剛石鉆頭，屬于鉆探領域。鉆頭主要包括鉆頭體、延伸自鉆頭體或固定在鉆頭體上的刀翼、水眼或噴嘴及流道等。其特征在于：所述刀翼上設置有滾動元件，且至少一個刀翼上只安設有滾動元件，或至少一個刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且該支座上安設有滾動元件，所述滾動元件安設于所述刀翼或支座的凹槽內。本發明可顯著降低鉆頭扭矩對鉆壓的敏感度，降低切削齒及其他井下工具因扭矩波動造成的沖擊損壞和疲勞失效，延長鉆頭使用壽命；提高定向鉆井中工具面的穩定性，從而提高定向效率。

技術領域

本發明屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎工程鉆孔施工、地質鉆探、地熱鉆探、水文鉆探、隧道工程、盾構及非開挖等技術設備領域，特別是涉及一種鉆進鉆頭。

背景技術

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、形成井筒的破巖工具，常用的有聚晶金剛石復合片鉆頭（PDC鉆頭）、牙輪鉆頭以及孕鑲金剛石鉆頭。PDC鉆頭是金剛石鉆頭中最常用的一種鉆頭，依靠高硬度、高耐磨性、具有自銳能力的聚晶金剛石復合片來剪切巖石，PDC鉆頭憑借在軟到中硬地層中機械鉆速高、壽命長，鉆進成本低等優點，在油氣勘探、地熱鉆井作業等工程中得到了廣泛使用。以PDC鉆頭為代表的固定切削齒鉆頭通常都具有若干個刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設置有多個切削元件（對PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復合片，簡稱復合片或PDC齒）。

在鉆井過程中，PDC鉆頭的復合片切削齒在鉆壓和扭矩的作用下，克服地層應力吃入地層并向前鉆進。PDC鉆頭以剪切的方式破碎巖石的工作特點，相比于牙輪鉆頭沖擊碾壓的破巖方式，所需驅動扭矩較大。在理想鉆進過程中，在一定的鉆壓下，PDC均勻的吃入地層深度恒定，對巖石產生的是均勻刮切，其扭矩反饋趨于平穩狀態。然而，由于井下地層情況的復雜性，特別是在鉆遇軟硬交錯的地層時，鉆頭吃入地層深度頻繁變化，鉆頭扭矩反饋的振動程度也就越劇烈。嚴重時，鉆頭吃入地層深度過深，會造成驅動扭矩不能驅動鉆頭進行旋轉導致鉆頭停轉。此時鉆柱在轉盤的驅動下繼續扭轉。當鉆柱所積能量足以克服鉆頭與地層之間互作用的扭矩時，鉆頭從靜止狀態向運動狀態過渡，鉆柱所積累的能量瞬間釋放，鉆頭突然超過正常速度的數倍加速旋轉。這就是鉆頭的粘滑現象。這種現象，易引起鉆頭和鉆具的高速旋轉和扭陣，使鉆頭切削齒承受大的周向沖擊載荷，導致鉆頭崩齒、損壞、鉆具斷脫、及其他井下工具和測量儀器的損壞，嚴重影響鉆進效率。同時，較大的扭矩波動，還會造成定向鉆進過程中工具面的不穩定，導致工具面擺放困難，減慢施工進度。另外，由于PDC鉆頭吃入地層的深度變化對鉆壓特別敏感，加之切削齒與巖石互作用的復雜性，PDC鉆頭還存在沿鉆頭軸向方向的縱向振動也會對鉆頭壽命和機械鉆速產生負面影響。

因此，如何控制鉆頭吃入巖石的深度，減小鉆頭扭矩對鉆壓的敏感程度，消除鉆頭卡滑憋跳，使鉆頭扭矩在給定鉆壓下保持在相對穩定的運動狀態，是延長井下鉆具和鉆頭的使用壽命，提高鉆井效率的重要技術難題。

發明內容

本發明的目的在于：提出一種適于硬地層鉆進的低扭矩金剛石鉆頭，能夠顯著降低鉆頭在復雜工況下鉆頭扭矩對鉆壓的敏感度，提高鉆頭旋轉鉆進時扭矩反饋的平穩度，從而降低因鉆頭大的扭矩波動對切削齒及其他井下工具造成的沖擊損壞和疲勞失效，提高鉆頭的工作穩定性和延長鉆頭使用壽命。特別地，在定向鉆井中，這種低扭矩鉆頭可以提高定向滑動鉆進時工具面的穩定性，提高定向效率。

本發明目的通過下述技術方案來實現：

一種適于硬地層鉆進的低扭矩金剛石鉆頭，包括鉆頭體、延伸自鉆頭體或固定在鉆頭體上的刀翼、水眼或噴嘴、流道等，其中刀翼上設置有滾動元件，且至少一個刀翼上只安設有滾動元件，或至少一個刀翼的前方和/或后方有延伸自所述刀翼的支座，且該支座上安設有滾動元件，滾動元件安設于所述刀翼或支座的凹槽內。

對于本發明所涉及的鉆頭本體、牙齒、刀翼、水眼、噴嘴為本領域公知的概念，在此不做贅述。