[實(shí)用新型]具有輔助平衡翼的PDC鉆頭

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201920281191.1
• 申請(qǐng)日: 2019-03-06
• 公開（公告）號(hào): CN209704493U
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張建平;王建國;胡達(dá);王艷梅;李玲玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢億斯達(dá)工具有限公司
• 主分類號(hào): E21B10/43
• 分類號(hào): E21B10/43;E21B10/54;E21B10/60
• 代理公司: 11340 北京天奇智新知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 楊文錄<國際申請(qǐng)>=<國際公布>=<進(jìn)入

一種具有輔助平衡翼的PDC鉆頭，所述PDC鉆頭設(shè)有用于切削破碎地層的工作刀翼和非切削性的輔助平衡翼，所述PDC鉆頭上還有由外流道和噴嘴所構(gòu)成的水力結(jié)構(gòu)，所述工作刀翼不少于3個(gè)，輔助平衡翼不少于1個(gè)，所述輔助平衡翼設(shè)置在兩工作刀翼之間，各工作刀翼上裝配有用于切削地層巖石的多個(gè)主PDC切削齒，各輔助平衡翼的保徑段的軸向長度小于工作刀翼保徑段的長度，兩者之間的差值為10?100mm，所述輔助平衡翼向鉆頭中心的延伸部分在鉆頭1/2半徑處的邊界處截止；由此，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，改進(jìn)了上述缺點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征，具有較少的刀翼數(shù)量、較高的穩(wěn)定性，能夠克服鉆井所常遇到的復(fù)雜地層中鉆頭易先期失效造成的效率低、機(jī)械鉆速慢的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及鉆井勘探工具的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有輔助平衡翼的PDC鉆頭。

背景技術(shù)

地層鉆井用的PDC鉆頭主要是通過剪切的方式來破碎巖石的，其工作模式一般為：首先切削齒在鉆壓的作用下吃入地層，然后在動(dòng)力扭矩的作用下旋轉(zhuǎn)通過剪切的方式對(duì)地層巖石形成體積破碎。鉆頭所受到的動(dòng)力扭矩是井口的動(dòng)力設(shè)備通過鉆柱傳遞到鉆頭上的。

目前的PDC鉆頭一般為刀翼式結(jié)構(gòu)，即鉆頭上設(shè)置有若干個(gè)工作刀翼，工作刀翼的數(shù)量根據(jù)鉆井工程的需要和地層可鉆性的不同來設(shè)置，一般來說可鉆性越差的地層刀翼數(shù)量設(shè)置得越多、在定向井和水平井等特殊井型中有時(shí)為了保證工具面的穩(wěn)定性也需要設(shè)置較多的刀翼數(shù)量。在刀翼與地層接觸部位按一定規(guī)律布置有切削齒，切削齒的材料一般為圓柱形PDC復(fù)合片，每個(gè)刀翼之間的空間形成了供鉆井液流動(dòng)的流道，鉆井液通過設(shè)置在流道內(nèi)的噴嘴從鉆頭內(nèi)部流道中噴射出來為切削齒提供清洗冷卻，同時(shí)將切削產(chǎn)生的巖屑帶離井底。

為了降低鉆井成本，提高單只鉆頭的機(jī)械鉆速是一個(gè)直接有效的辦法。對(duì)于PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)改進(jìn)來說，提高機(jī)械鉆速一般采用如下方法：一是使用更大直徑的PDC復(fù)合片，比如將原來的Φ13mm復(fù)合片改為Φ16mm復(fù)合片，采用大直徑復(fù)合片能夠增加每顆齒的切削體積從而提高鉆頭整體的切削效率以達(dá)到提速的目的；二是減少PDC鉆頭的刀翼數(shù)量，在相同鉆壓下減少刀翼數(shù)量能夠提高每顆齒上所受的比鉆壓，使單齒對(duì)地層巖石的壓應(yīng)力更為集中，切削齒更容易吃入地層對(duì)巖石形成有效體積破碎從而達(dá)到提速的目的；三是優(yōu)化鉆頭的冠部形狀，研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，鉆頭不同的冠部形狀對(duì)不同的地層巖性的適應(yīng)性是不同的，即對(duì)于某種特定的巖石巖性來說有一個(gè)最優(yōu)的冠部輪廓形狀來實(shí)現(xiàn)最大化的破巖效率。技術(shù)人員通過對(duì)鄰井地層資料比如測井、錄井?dāng)?shù)據(jù)的研究來確定所鉆地層的巖性，然后通過地層巖性來設(shè)計(jì)針對(duì)性的鉆頭冠部形狀來達(dá)到提高機(jī)械鉆速的目的。目前PDC鉆頭的切削結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是這三種方法的綜合應(yīng)用。

上述第一種方法中，切削齒的直徑不可能無限制的增大，比如目前常用的PDC切削齒直徑最大只到Φ19mm。將切削齒直徑增大雖然能提高切削效率，但也有其它的副作用，比如鉆頭的扭矩會(huì)增大，在一些定向操作中還會(huì)造成工具面不穩(wěn)的問題。另外，大尺寸的PDC切削齒抗沖擊性和耐磨性往往比小尺寸的切削齒低，在地層可鉆性變差時(shí)容易先期磨損或受沖擊破壞而降低鉆頭壽命。

上述第二種方法中，簡單機(jī)械的減少鉆頭刀翼數(shù)量會(huì)帶來如下弊端：即鉆頭刀翼數(shù)減少后對(duì)井壁的支撐也隨之減少，鉆頭在井底高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)受到較大的沖擊而產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)，切削齒會(huì)受到先期沖擊破壞，而且鉆頭的振動(dòng)對(duì)井身質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生不良影響。另外，刀翼數(shù)量減少后鉆頭反扭矩也會(huì)增大，定向操作時(shí)其工具面會(huì)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響滑動(dòng)鉆進(jìn)效率。

上述第三種方法對(duì)于大段均質(zhì)地層具有較好的適應(yīng)性，但隨著現(xiàn)在鉆井區(qū)域的地層情況越來越復(fù)雜，一口井的某一井段穿越的不同巖性地層的情況也越來越多，比如重慶涪陵地區(qū)的頁巖氣井在某些地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域往往會(huì)在短短數(shù)百米的井段內(nèi)鉆遇砂巖、泥巖、灰?guī)r、白云巖、礫石、石膏等數(shù)種不同巖性地層，在同一個(gè)鉆頭上專門針對(duì)某一種巖性設(shè)計(jì)不同的冠部顯然是不可能的。因此對(duì)于復(fù)雜地層來說，單純依靠冠部形狀的改進(jìn)來提高機(jī)械鉆速十分困難。