一種雙級鉆頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油天然氣、礦山工程、建筑基礎(chǔ)工程施工、地質(zhì)、水文等鉆探技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種雙級鉆頭。
【背景技術(shù)】
[0002]固定齒鉆頭是指將固定切削齒焊接或鑲嵌于鉆頭本體而形成的鉆頭，由于在軟到中硬地層中鉆速快、壽命長、可靠性高，綜合經(jīng)濟效益顯著，因而在世界石油、天然氣、地熱開發(fā)等領(lǐng)域的鉆井工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]我國油氣勘探方向逐漸轉(zhuǎn)向深部地層，其中5000米以上的深井和8000米以上的超深井越來越多，但是深井鉆速慢的問題日益突出。大井眼中鉆頭的機械鉆速慢的主要原因是機械能量相對不足，大尺寸的井眼需求鉆頭施加大扭矩和大鉆壓，而大扭矩容易引起鉆具和鉆頭的憋鉆，由于鉆具的承載能力的限制而不能給鉆頭提供大鉆壓。隨著大尺寸井眼的加深，地層巖石的本身的壓實成都增加、強度增加和可鉆性變差，而且垂直地應(yīng)力、水平地應(yīng)力、地層流體壓力和鉆井液柱壓力等在井底形成應(yīng)力不斷增大，導(dǎo)致鉆頭的穩(wěn)定性降低，不利于鉆頭的有效鉆井。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，一種雙級鉆頭，該結(jié)構(gòu)能夠有效的解決鉆頭在深部地層大井眼中機械鉆速低和鉆頭穩(wěn)定性差的問題。鉆頭的外部切削結(jié)構(gòu)率先在井眼中刮切出環(huán)狀破碎帶，在井底巖石中形成環(huán)形的應(yīng)力破碎面，有益于提高鉆頭的破巖效率；同時在鉆頭心部區(qū)域形成凸起的巖石，有利于提高鉆頭穩(wěn)定性。并且能夠改變大尺寸鉆頭在井底鉆井參數(shù)情況，可以合理調(diào)節(jié)和分配雙級切削結(jié)構(gòu)鉆壓、扭矩的分配比例，提高鉆井效率。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0006]—種雙級鉆頭，包括鉆頭體(1)、固定刀翼(2)、固定切削齒(3)、排肩槽(4)、噴嘴
(5)等，其特征在于:鉆頭心部向內(nèi)凹陷形成心部切削結(jié)構(gòu)(22)，與外部切削結(jié)構(gòu)(21)共同構(gòu)成階梯狀的雙級鉆頭。
[0007]上述方案中，鉆頭的外部切削結(jié)構(gòu)率先在井眼中刮切出環(huán)狀破碎帶，在井底巖石中形成應(yīng)力釋放面，有益于提高鉆頭的破巖效率；同時在鉆頭心部區(qū)域形成凸起的巖石，防止鉆頭左右竄動，有利于提高鉆頭穩(wěn)定性；并且能夠改變大尺寸鉆頭在井底鉆井參數(shù)情況，可以合理調(diào)節(jié)和分配雙級切削結(jié)構(gòu)鉆壓、扭矩的分配比例，提高鉆井效率。
[0008]心部輪廓線是指鉆頭心部內(nèi)陷區(qū)域的最外端與鉆頭中心之間的線段，其為鉆頭輪廓線的一部分。
[0009]作為優(yōu)選，鉆頭心部向內(nèi)凹陷，其心部輪廓線為直線、拋物線、圓弧、樣條曲線等等。
[0010]上述方案中，心部輪廓線有直線、曲線等多種選擇，有益于權(quán)衡切削效率與切削壽命的關(guān)系，從而滿足不同的鉆井需求。
[0011]作為優(yōu)選，鉆頭心部向內(nèi)凹陷，其內(nèi)凹陷深度Hl彡20mm。
[0012]上述方案中，鉆頭心部向內(nèi)凹陷的深度需要達到一定距離，才能在地層巖石形成有效的應(yīng)力釋放面，提尚破巖效率。
[0013]鉆頭的心部切削區(qū)域是指鉆頭心部內(nèi)凹區(qū)域的最外端到鉆頭中心之間的區(qū)域，鉆頭的徑向區(qū)域指鉆頭保徑到鉆頭中心之間的區(qū)域。
[0014]作為優(yōu)選，鉆頭芯部切削區(qū)域達到鉆頭徑向區(qū)域的40%以上，即R1/R2彡0.4。
[0015]上述方案中，在靠近鉆頭徑向二分之一的區(qū)域在巖石形成應(yīng)力釋放面，降低巖石強度，減少鉆頭外二分之一區(qū)域切削齒的磨損，增加鉆頭的整體壽命。
[0016]作為優(yōu)選，鉆頭直徑大于等于9.5英寸。
[0017]上述方案中，所述鉆頭必須在大井眼中才能發(fā)揮出它的雙級鉆頭破巖效率高和穩(wěn)定性強的優(yōu)勢。
[0018]作為優(yōu)選，切削結(jié)構(gòu)中包含二級或者多級切削齒。
[0019]上述方案中，切削結(jié)構(gòu)包括心部切削結(jié)構(gòu)和外部切削結(jié)構(gòu)都可以設(shè)置二級或者多級切削齒，有益于延長鉆頭在硬地層中使用壽命。
[0020]作為優(yōu)選，固定切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒等等。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是:
[0022](I)在鉆頭內(nèi)凹的心處形成凸起的巖石，防止鉆頭左右竄動，提高鉆頭在深部地層的穩(wěn)定性。
[0023](2)外部切削結(jié)構(gòu)刮切出環(huán)狀破碎帶，在井底形成環(huán)形應(yīng)力釋放面，有益于提高鉆頭的破巖效率。
[0024](3)鉆頭具有階梯狀的雙級切削結(jié)構(gòu)，改變大尺寸鉆頭在井底鉆井參數(shù)情況，可以合理調(diào)節(jié)和分配雙級切削結(jié)構(gòu)鉆壓、扭矩的分配比例，提高鉆井效率。
[0025](4)在靠近鉆頭徑向二分之一區(qū)域形成應(yīng)力釋放面，降低巖石強度，減低鉆頭外二分之一區(qū)域切削齒的磨損，增加鉆頭的整體壽命。
【附圖說明】
[0026]圖1為鉆頭示意圖
[0027]圖2為心部輪廓線為直線的鉆頭示意圖
[0028]圖3為心部輪廓線為拋物線的鉆頭示意圖
[0029]圖4為設(shè)置有二級切削齒的鉆頭示意圖
[0030]附圖中標記相應(yīng)零部件名稱:1-鉆頭體、2-固定刀翼、21-外部切削結(jié)構(gòu)、22-心部切削結(jié)構(gòu)、3-固定切削齒、31- 二級切削齒、4-排肩槽、5-噴嘴。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
[0032]實施例
[0033]參考圖1所示，一種雙級鉆頭，包括鉆頭體(I)、固定刀翼(2)、固定切削齒(3)、排肩槽(4)、噴嘴(5)等，其特征在于:鉆頭心部向內(nèi)凹陷形成心部切削結(jié)構(gòu)(22)，與外部切削結(jié)構(gòu)(21)共同構(gòu)成階梯狀的雙級鉆頭。
[0034]作為選擇，鉆頭心部向內(nèi)凹陷，其心部輪廓線為直線、拋物線、圓弧、樣條曲線等等，如圖2、3所不。
[0035]作為選擇，鉆頭心部向內(nèi)凹陷，其內(nèi)凹陷深度Hl彡20mm，如圖2、3所示。
[0036]作為選擇，鉆頭心部切削區(qū)域達到鉆頭徑向區(qū)域的40%以上，即R1/R2彡0.4，如圖2、3所示。
[0037]作為選擇，鉆頭直徑大于等于9.5英寸。
[0038]作為選擇，切削結(jié)構(gòu)包含二級或者多級切削齒，如圖4所示。
[0039]作為選擇，所述固定切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒等等。
[0040]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種雙級鉆頭，包括鉆頭體、固定刀翼、固定切削齒、噴嘴、排肩槽等等，其特征在于:鉆頭心部向內(nèi)凹陷形成心部切削結(jié)構(gòu)，與外部切削結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成階梯狀的雙級鉆頭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙級鉆頭，其特征在于:鉆頭心部向內(nèi)凹陷，其心部輪廓線為直線、拋物線、圓弧、樣條曲線等等。3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述一種雙級鉆頭，其特征在于:鉆頭心部向內(nèi)凹陷，其內(nèi)凹陷深度 Hl 多 20mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述一種雙級鉆頭，其特征在于:鉆頭心部切削區(qū)域達到鉆頭徑向區(qū)域的40%以上，SP R1/R2彡0.4。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述一種雙級鉆頭，其特征在于:鉆頭直徑大于等于9.5英寸。6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述一種雙級鉆頭，其特征在于:切削結(jié)構(gòu)包含二級或者多級切削齒。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述一種雙級鉆頭，其特征在于:所述固定切削齒為聚晶金剛石復(fù)合片、聚晶金剛石復(fù)合齒、熱穩(wěn)定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質(zhì)合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒、包含金剛石或立方氮化硼的切削齒等等。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙級鉆頭，包括鉆頭體、固定刀翼、固定切削齒、排屑槽、噴嘴等，其特征在于:鉆頭心部向內(nèi)凹陷形成心部切削結(jié)構(gòu),與外部切削結(jié)構(gòu)構(gòu)成階梯狀的雙級鉆頭。該結(jié)構(gòu)能夠有效的解決鉆頭在深部地層的大井眼中鉆頭機械鉆速低和穩(wěn)定性差的問題，外部切削結(jié)構(gòu)率先在井眼中刮切出環(huán)狀破碎帶，在井底巖石中形成環(huán)形應(yīng)力釋放面，有益于提高鉆頭的破巖效率；在鉆頭心部區(qū)域形成凸起的巖石，有利于提高鉆頭穩(wěn)定性；并且能夠改變大尺寸鉆頭在井底鉆井參數(shù)情況，可以合理調(diào)節(jié)和分配雙級切削結(jié)構(gòu)鉆壓、扭矩的分配比例，提高鉆井效率。
【IPC分類】E21B10/43, E21B10/54
【公開號】CN105221077
【申請?zhí)枴緾N201510655600
【發(fā)明人】黃奎林, 艾志久, 楊迎新, 任海濤, 陳煉, 牛世偉, 張春亮, 嚴成森
【申請人】西南石油大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月12日