专利名称：一种正循环和反循环两用三牙轮钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及在油气井工程中利用液体或者气体作为循环介质进行正循环和反循 环钻井时的一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，该钻头适合于常规的泥浆钻井、 气体钻井和欠平衡钻井。
背景技术：
随着气体钻井和欠平衡钻井的不断完善和发展，相应的配套技术也需要改进和重 新研制，反循环钻井技术也是一项正在发展的新技术。目前，不论是液体还是气体作 为循环介质的正循环或者反循环钻井时，只能在钻头下入井内之前选择相应的正循环 或者反循环钻头，并且一旦钻头下入井内以后不能够自动更换流体循环方向，除非起 钻更换钻头。在可控钻井技术出现后，其封闭的循环系统为在钻井需要的情况下随时 更换钻井液的循环方向提供了技术支撑，但现在使用的钻头都不能实现随钻井需要而 自动转换成为正循环流道或反循环流道的钻头。因此针对可控钻井随时更换钻井流体 循环方向的需要，本发明研制和设计出了一种可自动转换为正循环流道或反循环流道 的正循环和反循环两用的三牙轮钻头。发明内容本发明的目的是为钻井需要随时改变钻井流体循环方向而提供一种能自动从正 循环流道转换为反循环流道，或者从反循环流道转换为正循环流道的钻头。基于稀疏 相两相流理论、摩阻理论、流体数值模拟技术，在现有三牙轮钻头的基础上设计出了 一种可以实现自动切换为正循环流道或反循环流体的正循环和反循环两用的三牙轮 钻头。本发明的技术方案本发明提出一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，主要由三牙轮钻头本体、转 换接头、反循环引流罩、喷嘴流道阀和反循环流道阀等组成。所述三牙轮钻头本体由常规三牙轮钻头改造而来，喷嘴、牙轮及其牙齿尺寸和形状都没有发生改变，但将常 规钻头原来的公接头设计为了母螺纹接头，喷嘴外部设计了一个通道，用来安装喷嘴 流道阀，其作用在于正循环钻井时开启喷嘴流道，而反循环钻井时关闭喷嘴流道。在 钻头内部设计出了一个反循环流道，并在其上面设计了一个反循环流道阀，其作用在 于正循环钻井时，自动关闭反循环流道，反循环钻井时，自动开启反循环流道。本发明所述反循环引流罩上的三个凸键安装在三牙轮钻头本体上的三个键槽内， 其作用在于保证反循环引流罩沿键槽上行和下行及其定位，而且反循环引流罩和三牙 轮钻头上部有一个密封腔，密封腔与钻头内的主流道相通，密封腔的内外压差推动反 循环引流罩沿键槽上行和下行。反循环引流罩上行时形成正循环钻头流道，可以实现 正循环钻井。反循环引流罩下行时，形成反循环钻井流道结构，可以实现反循环钻井。 反循环引流罩的上行和下行使得喷嘴流道阀处于开启和关闭状态，同时与之相反，分别使反循环流道阀关闭和开启状态，可以自动切换为正循环钻井或反循环钻井。反循 环引流罩在钻井磨损后可以更换新反循环引流罩，而三牙轮钻头本体可以继续使用， 有利于减小钻井成本。本发明所述反循环引流罩上有三个引流挡板，引流挡板顶部内面为楔形形状，在 反循环引流罩上行或下行时，楔形结构将推动喷嘴流道阀关闭喷嘴流道。通过流体数 值模拟技术，优化出了引流挡板的外形，引流挡板的作用是将反循环流体引入井底， 在反循环钻井时更加有效地使流体将井底岩屑携入反循环流道，增加反循环钻井的携 岩能力。在正循环钻井时，引流挡板随反循环引流罩上行，此时引流挡板对流体不起 作用，钻头转变为常规的正循环三牙轮钻头。本发明将常规三牙轮钻头公螺纹接头改变成了母螺纹接头，在母接头外部设计了 三个键槽，用于安装反循环引流罩，为了使与上部常规钻具的连接，设计了两头均为 公螺纹的转换接头，此转换接头安装在本发明钻头的母螺纹接头上，转换接头可以限 制反循环引流罩上行或下行的位移，同时，转换接头上部的公螺纹接头即可与常规的 上部钻具连接。 '本发明优点目前国内外无此正循环和反循环两用三牙轮钻头，本发明一种正循环和反循环两 用的三牙轮钻头同时具有常规三牙轮钻头钻井的功能和反循环钻头钻井的功能，并可以根据流体循环方向而自动切换为正循环流道的钻头或者反循环流道钻头，满足复杂 工况的钻井需要。钻井中，可以更换损坏的反循环导流罩，比常规反循环钻头具有更 长的寿命。本发明为随时切换流体循环方向的可控钻井技术扩大应用范围提供一种新 的装备。
图l是本发明正、反循环两用三牙轮钻头结构视图。图2是本发明反循环引流罩视图。图3是本发明正循环钻头剖面流道结构图。图4是本发明反循环钻头剖面流道结构图。
具体实施方式
本发明实施例， 一种正循环和反循环两用三牙轮钻头，如附图l、图2、图3、图 4所示，主要由转换接头l、反循环引流罩2、三牙轮钻头本体3、牙轮喷嘴流道阀4、 反循环流道阀5组成。所述反循环引流罩2上，如图2所示，设有三条互成120。凸 键8与三个引流挡板13构成。所述三牙轮钻头本体3，如图3、图4所示，由反循环 流道6、三个常规牙轮7、三个互成120。的键槽9、常规牙轮钻头流道IO、流道ll、 喷嘴流道12、三个互成120°密封腔流体通道22、牙轮喷嘴流道阀槽14、牙轮喷嘴 流道阀槽16组成。所述牙轮喷嘴流道阀4由喷嘴阀体15、弹簧17、螺帽18和阀杆 19组成。在附图3和图4中，三个互成12(T的牙轮喷嘴流道阀4安装在牙轮喷嘴流道阀 槽14和16中，阀杆19与引流挡板13的内斜面20接触，形成滑道。弹簧I7两端固 定在杆19左端和螺帽18上，弹簧17始终起到拉力作用，当钻头由反循环流道转换 为正循环流道时，阀体15和阀杆19被弹簧17拉出，阀体15上的阀孔与喷嘴流道12 连通，在流体压差作用下，反循环流道阀5被关闭，形成正循环流道。在附图2、图3和图4中，反循环引流罩2安装在三牙轮钻头本体3上，转换接 头1限制反循环引流罩2上行距离和取出反循环引流罩2以及更换损害的反循环引流 罩2的作用。引流罩凸键8安装在三牙轮钻头键槽9中，用于定位反循环引流罩2和 约束反循环引流罩2在反循环钻井时的下行距离以及限制反循环引流罩2相对于钻头本体3的转动。反循环引流挡板13起到反循环钻井时将流体引入井底和推动牙轮喷 嘴流道阀杆19和喷嘴流道阀体15关闭喷嘴流道12的作用。反循环引流罩2和三牙 轮钻头本体3之间形成一个密封腔21，密封腔21由三个互成120。的流道22连通钻 头内部主流道10，使得密封腔22的压力和钻头内部主流道10的压力相等。反循环引 流罩2在密封腔10与环空之间的压力差的作用下下行形成反循环流道6，或者上行形 成正循环流道(正循环流道由常规牙轮钻头流道10、流道11、喷嘴流道12构成)， 从而实现自动切换成正循环和反循环钻头。反循环流道阀5安装在钻头内部，当钻头 处在正循环状态时，反循环流道阀5关闭反循环流道6，使得流体从喷嘴12流出；相 反，当钻头处在反循环状态时，反循环阀5被流体推开，开启反循环流道6，喷嘴流 道12被喷嘴阀体15关闭。工作原理正循环钻井时(常规钻井)，如附图3所示，流体从钻杆内主流道IO 向下流动，由于在钻头内部流道结构突变，在流体作用下，反循环流道阀5把反循环 流道6关闭，此时，钻头内部是封闭的"死腔"，流体通过流道22进入密封腔21，使 密封腔21内的压力高于其环空压力，在此压差作用下，反循环引流罩2被推动并上 行，此时阀杆19被弹簧17拉出，阀体15与喷嘴流道12连通，此时封闭"死腔"被 打开，形成正循环钻井流道。反循环钻井时，如附图4所示，流体从钻头环空流入， 并进入反循环流道6，在压差作用下，反循环流道阀5被打开，流体流入钻头内主流 道IO，在反循环流体作用下，密封腔21内形成低压区，在压差作用下，反循环引流 罩2向下行，引流挡板13的内斜面20把阀杆19推入并关闭喷嘴流道12，使流体全 部进入反循环流道6和主流道10，从而实现反循环钻井。
权利要求
1.本发明涉及一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，主要由转换接头(1)，反循环引流罩(2)、三牙轮钻头本体(3)、钻头上键槽(9)、密封腔体(21)，流道(22)、反循环流道阀(5)，反循环流道(6)、喷嘴流道阀(4)、引流挡板(13)组成。其特征在于通过安装在三牙轮钻头本体(3)上的反循环流道阀(5)和喷嘴流道阀(4)的作用，使工作中自动实现正循环钻井或反循环钻井。
2. 根据权利要求l所述的一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，其特征在于转换 接头(1)两端均为公接头，钻头本体(3)为母接头，且三牙轮钻头本体(3)的母 接头外部设有三个均为120°的键槽。
3. 根据权利要求1和2所述的一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，其特征在于 反循环引流罩(2)上设有三个互成120°的凸键(8)和三个互成120°的引流挡板(13)，引流挡板(13)采用优化后的结构形状和尺寸，反循环引流罩(2)与三牙轮 钻头本体(3)之间构成密封腔(21),此密封腔(21)通过通道(22)与主流道(10) 连通。
4. 根据权利要求1和3所述的一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，其特征在于反循环流道阔(5)的顶部为球形曲面，底部为平面，可绕固定轴旋转，流体下行时， 球形曲面与底平面产生压差，实现自动关闭反循环流道(6)，反循环流道(6)的形 状为收縮性的光滑流道，下部入口较大，上部出口较小。
5. 根据权利要求l所述的一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，其特征在于喷嘴 流道阀(4)由牙轮喷嘴流道阀槽(14)、阀体(15)、弹簧(17)、螺帽(18)和阀杆(19)组成，安装在三牙轮钻头本体(3)上的三个喷嘴流道阀(4)互成120° 。
全文摘要
本发明涉及在正循环钻井或反循环钻井时采用的一种正循环和反循环两用的三牙轮钻头，主要由转换接头、反循环引流罩、钻头本体、反循环流道阀、喷嘴流道阀、反循环流道及其控制反循环引流罩上行和下行的密封腔等组成。反循环钻井时，反循环引流罩下行，同时，反循环流道阀打开，喷嘴阀关闭，引流挡板将环空流体直接引入井底，强化流体的携岩能力。正循环钻井时，反循环引流罩上行，同时，反循环流道阀关闭，喷嘴流道阀打开，实现正循环钻井。在钻井过程中，根据流体流动方向，通过反循环流道阀、喷嘴流道阀以及密封腔通道，可以实现正循环钻井和反循环钻井的自动切换。
文档编号E21B10/08GK101215955SQ20081004515
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者焘 付, 孟英峰, 李永杰, 斌 杨, 林铁军, 练章华, 洲 肖, 黄芋森 申请人:西南石油大学