双心井下扩眼工具体的制作方法

本发明涉及一种扩眼工具体，尤其涉及一种双心井下扩眼工具体。

背景技术：

在近年来的石油和天然气资源的勘探开发中，深井钻井和超深井成为提高油气资源开发的重要途径之一，双心井下扩眼工具受到人们的关注。

其一，在深井钻井和超深井油气钻井中，因为上部地层复杂多样，常常需要下技术套管进行封隔，再继续钻井的过程中，为了提高后续钻井的安全性(或提高固井质量)，使用双心工具能够扩大井眼直径，增加了钻头的选择范围；

其二，在套管开窗侧钻和老井的再次开发中，原有的套管内径较小，为了提高延伸井眼的加深范围，使用双心钻井工具完成大角度井的延伸和增斜，还可以固井后，使用小尺寸钻头完成水平井的钻井。

在新的钻井环境中，双心井下扩眼工具不仅要求能够在上部中软地层钻井，还要能够中到中硬地层钻井，包括应用于含砾的夹层中钻井。一般“双心钻头”包括领眼钻头(领眼切削结构)和偏心扩眼刮刀(扩眼切削结构)；领眼钻头和扩眼刮刀有同一旋转轴线；“双心钻头”能够通过套管内径，能够钻出比套管内径更大直径的新井眼。

现在常用的“双心扩眼钻头”，包括领眼钻头和一级偏心扩眼部分；这样的“双心扩眼钻头”因为一级偏心扩眼部分较大，造成工具体的侧向力大，经常使得“双心扩眼钻头”的扩眼直径减小，或扩眼率低；严重时“双心扩眼钻头”几乎不扩眼。影响了“双心扩眼钻头”的使用寿命和使用范围。

在深井下部使用“双心扩眼钻头”遇到硬地层或硬夹层中钻井，经常使用井下马达来提高钻井速度；或在老井开窗进行定向井的作业中，使用定向钻井 系统与“双心扩眼钻头”配合遇到硬地层或硬夹层中钻井来提高钻井速度，在这些钻井条件下，如何提高“双心扩眼钻头”的使用寿命、如何提高预期井眼直径扩大率；如何减低综合钻井成本成为作业者关注的重点。

技术实现要素：
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本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种双心井下扩眼工具体。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种双心井下扩眼工具体，包括领眼钻头和扩眼段，所述工具体的上端设置有公螺纹接头，所述扩眼段设置在所述工具体的中段，所述领眼钻头设置在所述工具体的下端，所述扩眼段包括一级扩眼部分和二级扩眼部分，所述一级扩眼部分设置在所述二级扩眼部分的下端，所述领眼钻头、所述一级扩眼部分和所述二级扩眼部分上均设置有多个纵向延伸的刮刀，所述刮刀上均设置有混合切削元件。

具体地，所述领眼钻头、所述一级扩眼部分和所述二级扩眼部分的切削半径依次增大，所述领眼钻头直径和所述一级扩眼直径均小于最大工具直径，扩眼直径与领眼钻头直径之比为1.3～1.5，扩眼直径与一级扩眼直径之比为1.2～1.4。

优选地，以所述工具体工作时的旋转中心为第一旋转中心，以所述工具体通过直径的中心为第二旋转中心。所述领眼钻头和所述一级扩眼部分上的多个刮刀均沿所述第一旋转中心均匀分布，所述二级扩眼部分上的多条刮刀分布于所述第一旋转中心和所述第二旋转中心连线的方向的±90°范围内，所述二级扩眼部分上的多条刮刀中至少包括两条设置有多个保径齿的长刮刀，且所述长刮刀位于所述第一旋转中心和所述第二旋转中心连线的方向的±35°的范围内。

具体地，以所述工具体工作时的旋转方向为前，所述领眼钻头和所述一级 扩眼部分上的刮刀上的混合切削元件包括前排齿和后排齿，其中前排齿包括圆片剪切齿和脊形剪切齿，后排齿包括圆片剪切齿、脊形剪切齿和球面圆柱齿，所述领眼钻头和所述一级扩眼部分上的刮刀的上端均设置有保径齿和保径块，所述二级扩眼部分上的刮刀的混合切削元件包括交错设置的圆片剪切齿和锥形圆柱齿，所述二级扩眼部分上的刮刀的上部设置有保径齿和保径块。

具体地，以所述工具体工作时的旋转中心为第一旋转中心，以所述工具体通过直径的中心为第二旋转中心。所述领眼钻头上的多个刮刀沿所述第一旋转中心均匀分布，所述一级扩眼部分上的多个刮刀处于力平衡状态，所述二级扩眼部分的刮刀位于所述第一旋转中心与所述第二旋转中心连线方向的±90°范围内，所述二级扩眼部分上的多条刮刀中至少包括两条设置有多个保径齿和有保径块的长刮刀，且所述长刮刀位于所述第一旋转中心和所述第二旋转中心连线方向的±35°的范围内。

具体地，所述二级扩眼部分上的刮刀上的混合切削元件包括圆片剪切齿和锥形圆柱齿；所述一级扩眼部分上的刮刀上的混合切削元件包括圆片剪切齿和脊形剪切齿；所述领眼钻头刮刀上的混合切削元件包括前排齿和后排齿，其中前排齿包括圆片剪切齿和脊形剪切齿，其中后排齿包括锥形圆柱齿和球头圆柱齿。

本发明的有益效果在于：

本发明一种双心井下扩眼工具体将多种切削齿混合搭配，具有以下优点：

1、领眼钻头、一级扩眼部分、二级扩眼部分三段式结构，减小了二级扩眼部分的切削面积和切削体积，降低了其扭矩波动、提高了工具的安全性、降低了扩眼部分的侧向力，提高了扩眼速率。

2、领眼钻头采用刮刀式双排齿布齿结构，提高了钻头的固齿质量；同一刮 刀的前、后排齿布置，提高了钻头设计变化和选择的能力，可以根据钻井地层特点，选择合适的结构；前排齿选择圆片/脊形剪切齿混合搭配组合，改变了圆片或脊形剪切齿结构单一结构特征，增强了钻头的适应能力和切削齿的耐久性。

3、扩眼部分采用两种齿的组合布齿结构，改变了单一切削齿的破岩效果，组合齿的扩眼刮刀布齿，改善了切削齿的作用力方式，能够有效提高破岩效率，延长切削齿的工作寿命，能够增强工具的适应范围，有利于延长工具寿命。

4、通过控制扩眼直径与领眼钻头直径的设计范围，以及扩眼直径与领眼钻头直径，使得双心井下扩眼工具能够适应较高转速，在严格控制切深的条件下，能够提高钻井速度，有利于提高工具的稳定性，能够维持稳定有效的井眼直径，延长工具寿命，提高钻井进尺，降低钻井成本。

附图说明

图1是传统常规双心钻头的侧视图；

图2是本发明实施例一的侧视图；

图3是本发明所述的实施例一的双心井下扩眼工具体的二级扩眼部分的圆片剪切齿和锥形圆柱齿在刮刀轮廓的分布示意图；

图4是本发明实施例一的仰视图；

图5是本发明实施例二的侧视图；

图6是本发明实施例一的双心井下扩眼工具体的的一级扩眼部分圆片剪切齿和脊形剪切齿在刮刀轮廓的分布示意图；

图7是本发明实施例二的一级扩眼部分和二级扩眼部分的仰视图；

图8是本发明实施例二的仰视图；

图9是本发明实施例一在套管中的示意图；

图10是本发明实施例一在正常钻井中，形成预期扩眼井眼示意图；

图11是本发明实施例二在套管中的示意图；

图12是本发明实施例二在正常钻井中，形成预期扩眼井眼示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是背景技术中描述的常规双心钻头的示意图，双心钻头包括钻头体10，包括公螺纹接头端1，钻井中与钻柱连接传递扭矩和钻压。钻头体10包括领眼钻头和扩眼部分，领眼钻头设置在钻头体的下端，领眼钻头上设置有包括多条刮刀9，刮刀9上设置有多个切削元件8和保径段7(有扶正作用)。扩眼部分位于领眼钻头和公螺纹接头的中间段；扩眼部分有多条刮刀4，偏置于钻头体的一侧；刮刀4上有多个切削元件6和保径块3(有扶正作用)。

因为扩眼部分在钻井中切除地层的体积一般比领眼钻头切削体积更大，而且偏置于钻头体的一侧；这样扩眼部分的侧向力Fr往往大于领眼钻头的侧向力Fp。通常两个作用力的方向相反(如图1所示)，可以简单描述为Fr>Fp。

一种双心井下扩眼工具体，包括领眼钻头和扩眼段，工具体的上端设置有公螺纹接头，扩眼段设置在工具体的中段，领眼钻头设置在工具体的下端，扩眼段包括一级扩眼部分和二级扩眼部分，一级扩眼部分设置在二级扩眼部分的下端；领眼钻头、一级扩眼部分和二级扩眼部分上均设置有多个纵向延伸的刮刀，刮刀上均设置有混合切削元件；领眼钻头、一级扩眼部分和二级扩眼部分的切削半径依次增大。

实施例一：

通过图2、图3、图4描述了本发明的一个实施例。

在图2中，显示了双心井下扩眼工具体的外观结构示意图，该工具体40包括公螺纹接头30，其连接钻井时连接钻柱(未显示)，主要作用是在工作中传递扭矩和钻压，通过设置在公螺纹接头与扩眼段之间的卸口槽32与钻柱的连接。如图2、图3和图4所示，该工具的下端是领眼钻头，其直径为DP1,扩眼部分包括一级扩眼部分有直径D1(或YRD)和二级扩眼部分有扩眼半径Rr1，上述直径或半径均从该工具体的纵轴测量，正常钻井时，领眼钻头、一级扩眼部分和二级扩眼部分围绕第一旋转中心Oa的轴线旋转，该工具预期扩眼直径RRD＝2Rr1。

一级扩眼部分有直径D1(YRD＝D1)小于最大工具直径(MTD)；为了提高钻井速度和限定该工具的每转切深，增加工具的安全性，要求RRD/D1＝1.2～1.4之间。

如图4所示，该工具体的领眼钻头直径PD内设置有多个刮刀和一级扩眼部分直径YRD有多刮刀围绕第一旋转中心Oa做径向延伸呈360度分布(有刮刀P1、P2、P3、P4、P5)，一级扩眼部分是领眼钻头的同心扩眼段，有直径YRD＝D1小于MTD(最大工具直径)，二级扩眼部分至少包括两刮刀(A2、A3和A4)有最大半径Rr1＝1/2RRD(如图3所示，以第一旋转中心Oa为基准)。

如图4和图9所示，该工具体200在套管100中有工具通径TD，该工具体200在套管100中能够围绕第二旋转中心Ob的轴线旋转，领眼钻头、一级扩眼部分和二级扩眼部分都在通径TD内；如图4和图10所示，该工具体200在围绕第一旋转中心Oa的轴线旋转，在钻井中能够形成扩眼井眼300的直径RRD；图4反映了领眼钻头直径PD、一级扩眼直径YRD、工具的通径TD和扩眼直径RRD之间的关系。

图2和图3显示工具体40有二级扩眼部分，工具体40的二级扩眼部分包括多条刮刀上有圆片剪切齿42和锥形圆柱齿38，有保径齿36和保径块34(有 扶正作用)，多齿形的切削结构有利于改善二级扩眼部分刮刀上切削齿的作用力方式，能够提高刮刀上切削齿的切削效率，便于提高扩眼部分的工作寿命和提高钻井速度。

图2和图4显示该工具体的领眼钻头DP1和一级扩眼部分D1上有多刮刀，刮刀上有圆片剪切齿(44、46和C2)和脊形剪切齿(50、54和C1)位于刮刀的前排，后排也有圆片剪切齿和脊形剪切齿以及球面圆柱齿C4,由多种切削元件组成的混合切削结构，增强了领眼钻头和一级扩眼部分在硬地层钻井和夹层中钻井的适应能力，延长了齿和钻头的寿命，有利于提高钻速和降低钻井成本。

三段式切削结构减小了工具的侧向合力。

1、增加了工具的前端侧向力Fp1的值(一级扩眼侧向力+领眼钻头侧向力)>Fp；

2、减小了二级扩眼部分的切削面积和体积，因而，降低了扩眼部分的侧向力Fr1，使得Fr>Fr1；

3、为了增加扩眼刮刀的合理分布，要求工具满足RRD/YRD＝1.2～1.4之间；使得工具更安全，更稳定。

综合前述分析结果：使实施例一的井下扩眼工具侧向力(Fr1-Fp1)<(Fr-Fp),因此改善该工具的侧向力的范围，增加了工具的稳定性。领眼钻头和一级扩眼部分的同心扩眼改善双心扩眼的稳定性，改善了常规双心钻头，侧向力大，领眼直径大于工具领眼直径，领眼钻头在井底滑动，产生扩眼效率低或不扩眼的问题。

实施例二

图5、图6、图7和图8描述了本发明的第二个实施例。

在图5中的工具体60的上端设置有公螺纹接头62，并通过卸扣槽64与钻 柱钻柱(未显示)连接，领眼钻头设置在工具体的下端，且直径为Dp，扩眼部分包括一级扩眼部分(扩眼半径R1，从工具体的第一旋转中心Oa轴线测量)和二级扩眼部分(扩眼半径Rr)，一级扩眼部分的直径YRD小于最大工具直径(MTD)，简化描述为：YRD<MTD。

为了适应定向井钻井作业，该工具有扩眼直径RRD,要求RRD/Dp＝1.3～1.5之间，要求RRD/YRD＝1.2～1.4之间。能够促进工具体结构协调稳定，安全和便于操作。

图5显示工具体60有二级扩眼部分，工具体60的二级扩眼部分包括多条刮刀，刮刀上设置有圆片剪切齿70、锥形圆柱齿68、保径齿66和保径块65(有扶正作用)。多齿形的切削结构有利于改善二级扩眼部分刮刀上切削齿的作用力方式，能够提高刮刀上切削齿的切削效率，便于提高扩眼部分的工作寿命和提高钻井速度。

在图6和图7中描述了一级扩眼部分包括多条刮刀(包括B50、B51、B52、B53和B54)，刮刀上有圆片剪切齿76、脊形剪切齿74和保径块72(有扶正作用)。且多条刮刀呈力平衡结构分布：

方案1：刮刀B50和B53、刮刀B51和B54为对称分布；方案2：刮刀B50、B52和B54为结构对称；方案3：刮刀B50、B51、B52、B53和B54呈稳定扶正结构，保径块72的范围不小200度的范围。三种方案都能够形成较稳定的一级扩眼部分，能够减小扩眼部分的侧向合力(使得一级扩眼部分的侧向合力趋向零)。

如图5和图7所示，二级扩眼部分的多数刮刀都位于扩眼刮刀A2到A4一侧；

如图7和图12所示，工具体500在地层中的正常钻井600中，围绕第一旋 转中心Qa的轴线旋转，能够形成扩眼直径RRD；如图11所示，工具体500在套管400中能够通过通径TD，能够围绕第二旋转中心Qb的轴线旋转在套管中。

如图7所示，二级扩眼部分的刮刀分布在半径大于1/2YRD和半径小于1/2RRD多刮刀上，围绕第一旋转中心Qa的轴线呈放射状分布；刮刀上的切削齿包括圆片剪切齿70和锥形圆柱齿68能够分布于Qa和Qb连线方向的±90度范围内。在图7中，当一级扩眼部分和二级扩眼部分的刮刀围绕第一旋转中心Qa的轴线旋转能够形成扩眼直径RRD，它描述了该工具的领眼直径PD、一级扩眼部分形成的直径YRD、工具通径TD和该工具扩眼直径RRD之间的关系。

如图8所示，该工具体包括领眼钻头(直径PD)，一级扩眼部分有刮刀(B80、B81、B82、B83和B84)，刮刀上有切削元件包括圆片剪切齿70和锥形圆柱齿68(如图6所示)，该工具体的一级扩眼部分(直径YRD)；其中刮刀(B81、B82、B83和B84)有保径块72超过190度范围，能够维持稳定的一级扩眼部分工作稳定。二级扩眼部分的刮刀(A2、A3、A4)有圆片剪切齿70和锥形圆柱齿68，能够在地层中钻井形成扩眼直径RRD。领眼钻头纵向延伸的多条刮刀，有切削齿包括圆片剪切齿C12,锥形圆柱齿C13、脊型剪切齿C14和球头圆柱齿C11，多种齿形构成的混合切削结构增强了领眼钻头在硬地层钻井和夹层中钻井的适应能力，延长了齿和钻头的寿命，有利于提高钻速和降低钻井成本。

实例二的双心井下扩眼工具体，同样使用了三段组合结构，但与实例一的工作原理并不相同，具体如下：

第一，一级扩眼部分略大于领眼钻头直径，有多个纵向延伸的刮刀形成了超过190度的扶正稳定结构，与常规双心钻头比较，在领眼钻头直径和扩眼刮刀半径Rr完全相同的条件下，因为本发明的扩眼工具存在一级扩眼部分，减小了扩眼部分的切削体积，使得二级扩眼部分工作体积减小，使得双心井下扩眼 工具的侧向力Fr2小于常规双心钻头的侧向力Fr,简化描述：Fr2<Fr。

第二，由于一级扩眼部分的存在，减小了扩眼部分(二级扩眼部分)切削体积和扭矩波动，提高了工具的安全性。在限制切深的条件下，能够使用高转速；要求工具满足RRD/Dp＝1.3～1.5之间，要求RRD/YRD＝1.2～1.4之间。能够促进工具体结构协调稳定，安全和便于操作。

第三，常规双心钻头钻井中，往往领眼段钻头形成的领眼段井眼直径会增大；这样常规双心钻头，因为扶正，产生位移，使得扩眼井眼直径会低于预期的扩眼直径，本发明的工具因为存在一级扩眼部分，一级扩眼部分直径略大于领眼钻头直径，克服了常规双心钻头在井眼中的位移，使用本发明的双心扩眼工具，能够有效解决扩眼率低的问题，能够维持稳定的扩眼直径。

第四，领眼钻头选用的切削齿包括圆片剪切齿C12,锥形圆柱齿C13、脊型剪切齿C14和球头圆柱齿C11，多种齿形构成的混合切削结构增强了领眼钻头在硬地层钻井和夹层中钻井的适应能力，延长了领眼钻头的寿命，提高了进尺，能够降低钻井成本。采用非平衡的设计，使得领眼钻头合力增加Fp<Fp2

综上所述，一级扩眼部分处于力平衡状态，通过改善钻头设计【因为Fp<Fp2,Fr2<Fr,所以有(Fr2-Fp2)<(Fr-Fp)】，使得工具的受力平衡得到改善，增强了工具的稳定性。因为有一级扩眼部分直径大于领眼直径，侧向力减小；克服了常规双心钻头领眼钻头扩眼直径增大，领眼钻头无法居中，产生的扩眼效率低或无法扩眼的问题。

图9是本发明实施例一的工具体200在套管100中的示意图；图10是本发明实施例一的工具体200在正常钻井300中，形成预期扩眼井眼示意图；图11是本发明实施例二的工具体500在套管400中的示意图；图12是本发明实施例二的工具体500在正常钻井600中，形成预期扩眼井眼示意图。通过图9和图 11，能够清楚的看到实施例一和实施例二的工具体均都能够顺利通过套管的内径；通过图10和图12，能够清楚的看到，在一级扩眼部分直径略大于领眼钻头直径的硬地层或夹层中钻井，实例中的井下双心扩眼工具都能够实现预期的的扩眼井眼直径。

本发明中的金刚石钻头中的圆片剪切齿和脊形剪切齿，以及锥形圆柱齿和球头圆柱齿都有金刚石层，金刚石层存在多晶超研磨材料；多晶超研磨材料包括人造金刚石和天然金刚石颗粒、人造金刚石和天然金刚石单晶和微粒的混合，含有立方氮化硼等多晶超研磨材料；各种切削齿包括多晶超研磨材料和硬质合金基体在高温/高压(“HTHP”)的工艺过程中使用的催化剂材料，能够形成希望的多晶超研磨材料的脊形形齿和多晶超研磨材料的圆片剪切齿，同样能够形成锥形圆柱齿和球头圆柱齿。

在上述形成多晶超研磨材料的高温/高压(“HTHP”)的工艺过程，在可加热的高温/高压的压力机中完成。一般高温达1420℃的温度条件下，高压大约在5.5GPa～7.8GPa之间的高压力条件下；尽管高温/高压(HTHP)工艺的准确操作参数将根据正在使用的各种材料的具体成分和数量而发生变化。在高温/高压的压力机中的压力可以在设定的具体恒定的高温/高压(“HTHP”)条件下，维持大约在50秒～21分钟的时间内，能够形成多晶超研磨材料的锥形齿和多晶超研磨材料的圆片剪切齿。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。