錐型螺旋體油井鉆頭的制作方法

專利名稱:錐型螺旋體油井鉆頭的制作方法
本發明涉及一種深井鉆具，特別涉及一種錐型螺旋體油井鉆頭。
目前我國正在大力勘探和開發石油資源。迄今為此，采油仍離不開鉆鑿地下或水下巖層的方法，因此鉆頭是至關重要的工具，其中三牙輪鉆頭以其扭矩小等優點得以廣泛應用。但這種鉆頭的三個牙輪安裝在滑動軸承上，這就帶來軸承的潤滑和密封等一系列問題;并且它主要靠依壓力破碎巖層，而在鉆鑿石油井和天然氣井中，頁巖包括大部分進尺，鉆進此種軟粘韌的塑性頁巖時，依靠壓力鉆進會使頁巖壓縮，使鉆進發生困難，結果鉆進率大為降低。八十年代初美國推出一種Tri-Max鉆頭，其特點是無軸承系統，亦即無活動部件，主要依靠剪力破碎巖層，鉆進率比三牙輪鉆頭高得多。但這種鉆頭的頭部為尖錐狀，極易磨損，而且在實際使用過程中清除巖屑的能力不足，即巖屑的排除不能快于巖屑的生成，因而大量巖屑仍然阻塞在切削元件前面，易使鉆頭產生重復研磨和發生泥包現象。
本發明的目的在于提供一種結構合理、鉆進效率高的新型油井鉆頭，它能快速清除巖屑，避免鉆頭產生重復研磨和發生泥包現象。
本發明的目的是通過下述方式實現的鉆頭體為平頂錐型螺旋體結構，整個鉆頭螺旋體為130°-180°，其上端是與鉆鋌相連接的接頭絲扣，中間是一條垂直的泥漿通道，周圍有四條均勻間隔的巖屑流槽，而巖屑流槽從錐頂平面起，自狹至寬以310°-360°的螺旋線上升。在鉆頭體下部設置四只互成直角的泥漿噴嘴(簡稱噴嘴)，除錐頂平面的噴嘴外，其余三只噴嘴的方位均與鉆頭旋轉所形成的側面相平行，但沿著與鉆頭旋轉相反的方向噴射。在鉆頭體錐型面上的切削元件與巖屑流槽互相間隔平行，亦排列成四條呈310-360°的螺旋形上升線。
采用上述錐型螺旋體鉆頭結構和螺旋線上升的巖屑流槽及切削元件，使巖屑具有自切削井底向上升起的自然傾向，有利于快速清除巖屑，避免重復研磨和發生泥包現象，進而獲得高速鉆進率。而且因鉆頭結構是平頂錐型，相當于一系列循序增大的鉆頭同時進行擴鉆，可形成多層自由面的井底，因此能快速鉆進和提高鉆進進尺。
通常，在鉆鑿軟巖層至中硬巖層時，鉆頭中部的切削元件磨損較小，隨著中部向鉆頭兩端距離的增加而逐漸增加磨損。因此本發明中，錐頂平面和保徑部位(錐冠下面，鉆頭體上直徑最大的部位)的切削元件分布密度較高，有利于切入巖層和破碎巖石，以及避免因切削元件的磨損而影響井身直徑。切削元件在鉆頭體上順著鉆頭旋轉方向成螺旋線上升排列，這不僅有利于清除巖屑，并可在不增加鉆壓下具有自進作用。
切削元件的側傾角和后傾角對巖屑位移有一定影響。通常，后傾角越大，鉆進率越低;而增大側傾角則能促進巖屑趨向井口轉移，最好兩者互為直角，后傾角最佳值為20°，側傾角最佳值為70°。
切屑元件采用聚晶金剛石復合材料，這是一種比天然金剛石更為優越的切削新材料，它以碳化鎢為基底，在其上面復合一層人造聚晶金剛石片，在高溫高壓下兩者結合成一個整體坯塊。此坯塊具有天然金剛石的硬度和抗磨損特性，而碳化鎢基底可加強金剛石片的機械強度和耐沖擊能力。
作為泥漿流出口的四條巖屑流槽由底部錐頂進口到上部錐冠出口呈螺旋線上升，與切屑元件的上升螺旋線互相間隔平行，使之更有利于快速和高效率清除巖屑，防止鉆頭粘附巖屑或產生泥包現象。
設置在鉆頭體下部不同高度處，但其空間位置互成直角的四個噴嘴與泥漿通道連通，向外發出平衡的高速湍流噴射。為了使鉆頭能發揮更高的效力，及改善巖屑的排除，除錐頂平面的噴嘴外，其余噴嘴的方位均與鉆頭旋轉所形成的側面平行，并避開螺旋線上升的巖屑流槽和切削元件的位置，但互相關連。這種布置為清潔鉆頭和冷卻聚晶金剛石復合切削元件提供了最佳泥漿流動方式，一方面消除了急流泥漿直沖井壁和沖刷鉆頭體，又可將此急流泥漿的力量轉變為鑿巖的的補充力量，并有利于更好清除巖屑和提高鉆頭的鉆進進尺。同時，高壓泥漿向鉆頭旋轉的反方向噴射所產生的與鉆頭同向轉動力可減小鉆頭和鉆桿的扭矩。而安裝在錐頂平面的噴嘴發出非常高速的泥漿噴射，這在鉆進軟地層時特別有利于清除井底巖屑，增高鉆進進尺率。
本發明結構合理，能快速、有效地清除巖屑，避免產生重復研磨和發生泥包現象，易使鉆頭保持清潔、穩定、便于控制鉆孔偏差，有利于鉆頭保持垂直鉆進，提高鉆進進尺。而且，還可減少鉆頭和鉆桿所受的扭矩，延長鉆頭使用壽命。
此外，本發明之鉆頭制造周期短、成本低、使用安全。
以下將結合附圖對本發明作進一步詳細描述，其中圖1是本發明之鉆頭體總圖;
圖2是本發明之鉆頭的切削元件總裝圖;
圖3是圖1的A-A剖面圖;
圖4是圖1的B-B剖面圖;
圖5是圖1的C-C剖面圖;
圖6是圖1的D-D剖面圖。
參照圖1至圖6，鉆頭體10為平頂型螺旋體結構，整個鉆頭體為140°螺旋體，錐體頂角為30°。錐體的上端為標準錐形接頭絲扣1，以與鉆鋌相連接。鉆頭體10的內部有垂直圓柱形泥漿通道2。為減少鉆頭體表面侵蝕，其基體材料為硬質合金，并噴涂碳化鎢耐磨涂層，以抵抗泥漿侵蝕。噴涂前需先用超聲波清洗，并在充有氮氣的電爐中加熱至450℃，取出后立即用碳化鎢粉末噴涂至2.0毫米以上的厚度。
鉆頭體10的錐型面四周間隔均勻地開有四條巖屑流槽12，自底部錐頂平面進口到上部錐冠11出口，由狹至寬，呈360°螺旋線上升，與切削元件3的上升螺旋線互相間隔平行。
在鉆頭體10的下部共設置四只泥漿噴嘴，其中噴嘴7位于錐頂平面上，而噴嘴5、6和8則分布在離錐頂平面距離不等的高度處。除噴嘴7外，其余噴嘴的方位均與鉆頭旋轉所形成的側面相平行，并避開螺旋線上升的巖屑流槽12和切削元件3的位置，但互相關連。四只噴嘴的位置在空間互成直角，使噴射力均衡，噴射方向與鉆頭旋轉方向相反。
在錐頂平面上高密度地安裝8個切削元件，在A-A剖面上共安裝16個切削元件(參見圖3)，在錐頂平面與保徑部位9之間切削元件密度較低，在B-B剖面上有12個，C-C剖面上有11個，共安裝23個切削元件(參見圖4和圖5)，而在保徑部位的切削元件密度亦較高，共有20個切削元件(參見圖6)。這些切削元件沿著鉆頭體表面形成四條與巖屑流槽互相間隔平行的360°螺旋形上升線。切削元件的側傾角和后傾角互為直角，前者為70°，后者為20°。
切削元件系由聚晶金剛石復合材料制成，即在3.0毫米厚的碳化鎢基底上復合一層直徑約為13毫米、厚度約為0.5毫米的人造聚晶金剛石片，并在高溫高壓下結合成一個整體坯塊。將此坯塊焊接于硬質合金支持桿上，然后用插入式阻力裝配在鉆頭體上。
以上切削元件和泥漿噴嘴的結構和尺寸均制成標準部件的規格。
鉆頭運轉時，地面泥漿池的泥漿由泥漿泵輸送，通過鉆桿進入鉆頭體9中的泥漿通道2和噴嘴管通4，由噴嘴5、6、7和8高速向外噴射。除噴嘴7外，其余3個噴嘴均沿著鉆頭旋轉所形成的側面平行，但反方向地噴射，一方面使高速噴射的泥漿力量轉變為鑿巖的補充力量和更好地清除切削元件上的巖屑，并潤滑和冷卻鉆頭，然后泥漿從螺旋線上升的巖屑流槽12回到井口外面的泥漿池，如此反復循環，使鉆頭的鉆進進尺不斷增加。同時，向鉆頭旋轉的反方向高速噴射之泥漿所產生與鉆頭旋轉同向的轉動力可減小鉆頭和鉆桿所受的扭矩。
勘誤表4文件名稱頁行補正前補正后權利要求
書115…而所說錐頭體為…而所說鉆頭體為140°…140°…說明書13…迄今為此……迄今為止…111…但這種鉆頭的的…但這種鉆頭的頭頭部…部…36…轉變成鑿巖的的……轉變成鑿巖的…3倒4…為平頂型螺旋體…為平頂錐型螺旋…體…4倒2頭體9中的泥漿通頭體10中的泥漿通道2和噴嘴管通4道2和噴嘴管道4……
權利要求
1.一種油井鉆頭，它包括中間具有垂直泥漿通道2，周圍開有巖屑流槽12的鉆頭體10，安裝在鉆頭體10不同部位的泥漿噴嘴和切削元件3，以及鉆頭體上端的，用以與鉆鋌相連接的接頭絲扣1等，其特征在于(1)所說鉆頭體10為平頂錐型螺旋體結構、整個鉆頭體為130°-180°的螺旋體；(2)所說切削元件3在鉆頭體10的錐型面上排列成四條呈310°-360°的螺旋形上升線；(3)所說巖屑流槽12從錐頂平面起，自狹至寬，亦形成四條均勻間隔的310°-360°的螺旋形上升線；(4)所說泥漿噴嘴中位于鉆頭體10之錐型面上的噴嘴5、6和8的方位與鉆頭旋轉所形成的側面相平行，但沿著與旋轉相反的方向噴射。
2.根據權利要求
1所述的鉆頭，其特征在于所說錐型鉆頭體10的平頂錐角為30°，而所說錐頭體為140°螺旋體。
3.根據權利要求
1所述的鉆頭，其特征在于所說切削元件3的側傾角和后傾角互為直角。
4.根據權利要求
3所述的鉆頭，其特征在于所說切削元件3的后傾角為20°，側傾角為70°。
5.根據權利要求
1、3或4所述的鉆頭，其特征在于所說切削元件3系采用碳化鎢為基底的聚晶金剛石復合材料。
6.根據權利要求
1所述的鉆頭，其特征在于所說切削元件3在鉆頭體10的錐型面上排列成360°的螺旋形上升線。
7.根據權利要求
1所述的鉆頭，其特征在于所說巖屑流槽12在鉆頭體10上形成四條360°的螺旋形上升線。
8.根據權利要求
1或7所述的鉆頭，其特征在于所說巖屑流槽12的上升螺旋線與切削元件3的上升螺旋線互相間隔平行。
9.根據權利要求
1所述的鉆頭，其特征在于所說泥漿噴嘴5、6、7和8的位置在空間互成直角。
專利摘要
本發明提供一種新穎錐型螺旋體油井鉆頭，除鉆頭的整體結構是錐型螺旋體外，鉆頭體上切屑元件和巖屑流槽布置均互相間隔平行，呈螺旋形上升。而噴嘴的方位(除錐頂平面的噴嘴外)均與鉆頭旋轉所形成的側面平行，但沿著與旋轉相反的方向噴射。這種鉆頭結構合理，能快速、有效地清除巖屑，避免產生重復研磨和發生泥包現象。同時高速噴射的泥漿力量及其反作用力有利于提高鉆頭的鉆進進尺，減小鉆頭和鉆桿的扭矩，延長鉆頭壽命。
文檔編號E21B10/00GK87103863SQ87103863
公開日1988年12月14日 申請日期1987年5月26日
發明者吳匡 申請人:吳匡