[發明專利]一種可控電磁驅動式沖擊-刮切復合鉆頭及方法

有效

• 申請號: 202010052493.9
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111236848B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 謝松;蔡燦;楊迎新;任海濤;李邦潤;曹煜磊
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B10/36
• 分類號: E21B10/36;E21B10/46;E21B10/38;E21B4/06;F03B13/02;H02K7/18
• 代理公司: 成都天匯致遠知識產權代理事務所(普通合伙) 51264
• 代理人: 韓曉銀

本發明公開了一種可控電磁驅動式沖擊?刮切復合鉆頭及方法，包括鉆頭體，和設于鉆頭本體上的固定切削結構及沖擊切削結構，以及供電蓄能結構，沖擊切削結構包括沖擊導向管、沖頭和沖擊切削齒，沖擊切削齒固結在沖頭的末端，沖頭相對鉆頭本體做滑動或滑動沖擊，供電蓄能結構包括可旋轉的葉輪、電機、電容和控制放電頻率的控制芯片，并提供了配套的使用方法。與常規PDC鉆頭相比，本發明可對巖石進行預破碎，提高破巖效率，減緩牙齒的磨損速度，還能緩解PDC鉆頭在鉆進過程中的粘滑效應。與傳統沖擊類鉆頭相比，本發明可控制沖擊頻率、自動蓄能，結構簡單，能有效提高鉆井破巖效率。

技術領域

本發明涉及鉆井工具技術領域，特別涉及一種鉆頭，具體是一種可控電磁驅動式沖擊-刮切復合鉆頭及方法。

背景技術

隨著油氣勘探開發的不斷深入，深井、超深井不斷增多，鉆進過程中遇巖石硬度高、巖石可鉆性低、巖石研磨性高的地層的情況越來越多。由于鉆進過程中遇到的地層情況愈加復雜，機械鉆速大幅下降，鉆具磨損越發的嚴重，加上地下高溫、高壓等因素，鉆具在深井、超深井的鉆進過程中極易發生故障，油氣田開發的速度和成本受到極大的影響。

鉆頭是鉆井工程中用以破碎巖石、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、聚晶金剛石復合片鉆頭(即PDC鉆頭)和沖旋鉆頭(也稱旋沖鉆頭或釬頭)。

三牙輪鉆頭主要以沖擊壓碎的形式破巖，適用的地層范圍較寬，但其能量利用率不高，破巖效率相對較低，機械鉆速低。特別是在深部難鉆地層鉆進時，牙齒難以壓入地層并形成有效的破碎。三牙輪鉆頭的壽命很大程度上受限于軸承的壽命。由于壓輪鉆頭鉆進時通常需要很大的鉆壓，所以軸承所承受的載荷也就比較大，同時由于壓輪工作時，牙齒交替吃入巖石，會產生較大的軸向振動，并且地底工作環境復雜多變，很難保證軸承的密封性，這些都很大程度上限制了軸承的壽命從而影響牙輪鉆頭的壽命。

PDC鉆頭依靠聚晶金剛石復合片(簡稱PDC齒)來剪切和破碎巖石，在軟至中硬地層PDC鉆頭破巖效率和機械鉆速均明顯高于三牙輪鉆頭，隨著聚晶金剛石復合片的發展，PDC鉆頭在鉆井工程中的使用越來越多，比例越來越大，但對于深井、超深井中巖石硬度高、可鉆性地、研磨性高的地層，仍然難以適應。對PDC鉆頭而言，在鉆頭轉速、鉆壓相同的條件下，鉆頭的破巖效率主要取決于PDC齒吃入巖石的能力，PDC齒吃入巖石的深度越大，鉆頭破巖效率就越高。PDC鉆頭的主要有缺點是：第一，在巖石的強度或硬度較高時，PDC齒難以吃入巖石以形成有效的刮切，特別是當PDC齒有磨損后，牙齒更加難以吃入地層，鉆頭的機械鉆速會急劇降低。第二，PDC齒在連續不斷地切削巖石的過程中，由于劇烈摩擦產生的熱量會使牙齒達到相當高的溫度，當溫度超過一定界限時，PDC齒的磨損速度明顯上升，從而導致熱磨損現象(當PDC齒工作溫度高于某一特定溫度時，其耐磨性明顯下降的現象稱為PDC齒的熱磨損現象)的發生。第三，PDC鉆頭不同徑向區域上的PDC齒的磨損速度差異明顯，一般鉆頭外部區域(特別是鉆頭半徑的外1/3區域)的切削齒磨損速度明顯快于心部區域的齒，切削齒磨損均衡性差，從而降低了鉆頭的綜合性能。

沖旋鉆頭是沖旋鉆井中配合潛孔沖擊器使用的固定齒破巖工具。沖旋鉆頭的結構與PDC鉆頭相似，鉆頭上沒有活動部件，鉆頭體上設置有一定數量的切削齒。不同之處主要在于：PDC鉆頭的切削元件主要為PDC齒，而沖旋鉆頭的切削元件主要為硬質合金或金剛石復合牙齒。沖旋鉆頭的破巖機理與牙輪鉆頭的壓碎機理以及PDC鉆頭的切削機理均具有顯著的區別。沖旋鉆頭依靠其牙齒的瞬間沖擊力實現對井底巖石的破碎。沖旋鉆頭的上端連接著潛孔沖擊器，潛孔沖擊器在工作時，其沖錘在鉆井液或循環氣體的作用下往復運動，周期性撞擊鉆頭或釬頭，從而產生脈動沖擊載荷，巖石在牙齒的脈動沖擊載荷作用下發生破碎。由于鉆頭的沖擊載荷依賴于潛孔沖擊器，所以，沖旋鉆頭工作過程中不需要施加很大的鉆壓。通常情況下，沖旋鉆頭在脆性地層特別是較硬的脆性地層鉆進時能取得較高的破巖效率。此外，在地層傾角較大的易斜地層，采用沖旋鉆頭鉆進有利于減小井斜趨勢。

目前常規PDC鉆頭在復雜難鉆地層存在粘滑、回彈震蕩等問題，這些問題導致鉆井設備過早失效，嚴重影響鉆具的壽命和鉆進的成本。