一种具有报警功能的钻井装置的制作方法

本申请涉及石油钻具技术领域，特别涉及一种具有报警功能的钻井装置。

背景技术：

在深井、定向井和复杂地层钻井时，常采用牙轮钻头、pdc钻头、混合钻头在旋转中对地层形成预破碎、主切削而实施钻井作业。其外侧刀翼鼻肩部和牙轮外排齿处易环磨损坏、甚至牙轮落井，或中部刀翼内锥和牙轮顶部环磨、出芯磨损、甚至牙轮落井。pdc钻头是可更换复合片修复后重复使用的钻头，当刀翼过度磨损后不能修复使用，钻头成本损失大；而牙轮钻头和混合钻头发生牙轮落井，是钻井中的一种重大事故，需要打捞干净井下落物后，才能继续钻进，打捞成本和时间损失巨大。

由于目前钻井工程师主要依据钻头使用时间、地层变化、每米钻时变化、扭矩变化和蹩、跳钻情况来分析判断后是否起钻，常常是钻头起早了，钻头使用成本增加、起下钻头次数增加；而钻头起晚了则会发生钻头牙轮落井事故，处理牙轮打捞成本更大。上述采用人工依据钻头使用时间、地层变化、每米钻时变化、扭矩变化和蹩、跳钻情况不能准确判断钻头的磨损程度或是否失效，增加了钻井作业时间，并增加了牙轮落井风险，增加了钻井成本。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种具有报警功能的钻井装置，以解决相关技术中不能准确判断钻头的磨损程度或是否失效，增加了钻井作业时间，并增加了牙轮落井风险，增加了钻井成本的问题。

本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，包括：

钻头，所述钻头包括钻头体，所述钻头体上设有用于喷射钻井液的喷嘴；

至少一个设于所述钻头的封闭空间，所述封闭空间填充有可识别物质，所述封闭空间的位置被配置为：当所述钻头失效或磨损后，所述封闭空间被打开，使所述可识别物质与所述钻井液相互混合。

在一些实施例中：所述可识别物质为化学物质，当所述封闭空间被打开后，所述化学物质与钻井液相互混合并化合反应产生可识别气体，所述可识别气体与钻井液上升循环至井口。

在一些实施例中：还包括设置于井口用于识别所述可识别气体的录井气测装置，所述录井气测装置用于实时监测化学物质与钻井液化合反应产生的可识别气体并进行报警。

在一些实施例中：所述可识别气体为所述化学物质与钻井液化合反应并产生的乙炔、氢气、氨气、氧气、二氧化碳中任意一种或多种。

在一些实施例中：所述可识别物质为设定形状的荧光物质、金属或塑料，当所述钻头失效或磨损后，所述荧光物质、金属或塑料从封闭空间内脱出，所述荧光物质、金属或塑料与钻井液混合并循环至井口。

在一些实施例中：还包括设置于井口的岩屑录井沙箱，所述岩屑录井沙箱内设有检测所述荧光物质、金属或塑料灯光或磁铁。

在一些实施例中：所述钻头为混合钻头，所述混合钻头上设有刀翼和牙掌；

所述刀翼和/或牙掌上设有所述封闭空间，所述封闭空间距离所述刀翼上和/或牙掌外表面设定的深度。

在一些实施例中：所述封闭空间为开设在所述刀翼上和/或牙掌上的孔，所述孔的孔口设有将所述可识别物质密封在所述孔内的封盖，所述封盖磨损后，所述孔的孔口打开，使所述可识别物质与所述钻井液相互混合。

在一些实施例中：所述封盖为设定厚度的金属封盖，所述封盖的四周与孔的孔口密封焊接连接。

在一些实施例中：所述牙掌上转动连接有牙轮；

所述牙掌与牙轮之间设有用于安装密封轴承的空腔，所混合钻头内设有用于润滑所述密封轴承的储油腔，所述封闭空间为安装密封轴承的空腔或润滑所述密封轴承的储油腔。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，由于本申请的具有报警功能的钻井装置在钻头上设置了封闭空间，封闭空间填充有可识别物质，封闭空间的位置被配置为：当钻头失效或磨损后，封闭空间被打开，使可识别物质与钻井液相互混合，可识别物质与钻井液混合并循环至井口，可识别物质能够被钻井人员或监测设备所探知，钻井人员或监测设备能够识别和判断钻头的磨损程度和是否失效，便于及时起钻和检修。

因此，本申请的钻井装置的钻头可广泛应用在牙轮钻头、pdc钻头和混合钻头。利用深井、定向井和复杂地层钻进时的非正常失效特点，首次通过监测井口钻井液中的可识别物质来探知钻头的磨损程度和是否失效。可识别物质能够被钻井人员或监测设备所探知，钻井人员或监测设备能够识别和判断钻头的磨损程度和是否失效，并在第一时间进行报警。钻井人员可根据报警信息及时起钻和检修，准确可靠，提高了钻井效率，降低了钻井成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的钻头倒立时结构主视图；

图2为本申请实施例的钻头倒立时结构俯视图。

附图标记：

1、刀翼；2、牙轮；3、牙掌；4、硬质合金齿；5、复合片切削齿；6、喷嘴；7、孔；8、钻头体。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，其能解决相关技术中不能准确判断钻头的磨损程度或是否失效，增加了钻井作业时间，并增加了牙轮落井风险，增加了钻井成本的问题。

参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，包括：

钻头，该钻头包括钻头体8，在钻头体8上设有用于喷射钻井液的喷嘴6；钻井液在钻头体8的喷嘴6处以极高的流速喷出，所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而提高了钻井速度和破岩效率。在钻井作业时，钻井液通过喷嘴6进入井底，钻井液通过循环将井底被钻头破碎的岩屑携带到地面，保持井眼清洁。同时，钻进时，钻头一直在高温下旋转破碎岩层，产生大量热量；通过钻井液的循环，将这些热量及时带走，从而起到冷却和延长其使用寿命的作用。

在钻头上设置了至少一个封闭空间，该封闭空间内填充有可识别物质，该封闭空间的位置被配置为：当钻头失效或磨损后，封闭空间被打开，使可识别物质与钻井液相互混合。可识别物质与钻井液混合并循环至井口，可识别物质能够被钻井人员或监测设备所探知，钻井人员或监测设备能够识别和判断钻头的磨损程度和是否失效，便于及时起钻和检修。可识别物质能够被钻井人员或监测设备所探知，并在第一时间进行报警。钻井人员可根据报警信息及时起钻，避免钻头过度磨损或失效。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，该钻井装置的可识别物质为化学物质，当钻头失效或磨损后，封闭空间密封性被破坏，封闭空间被打开。位于封闭空间内的化学物质与外界的钻井液接触混合，化学物质可以选用粉状物质，液体物质，气体物质。该化学物质与钻井液混合后立即与钻井液相互混合发生化合反应并产生可识别气体，可识别气体和钻井液上升循环至井口。

化学物质为：电石(碳化钙)、氢化钠、金属氮化物、氟气等等，可识别气体为化学物质与钻井液化合反应并产生的乙炔、氢气、氨气、氧气、二氧化碳等等。电石(碳化钙)、氢化钠、金属氮化物、氟气与钻井液中的水接触后立即产生化合反应产生乙炔、氢气、氨气、氧气、二氧化碳等可识别的已知气体。这些已知气体上升循环至井口被钻井人员或监测设备所探知，并进行报警。

为了提高可识别气体的监测效率和检测精确度，本申请还设有录井气测装置(图中未画出)，该录井气测装置设置在井口处用于实时监测和识别化学物质与钻井液化合反应产生的可识别气体并进行报警。录井气测装置可全时无人监测作业，检测精度高，避免了通过人工监测产生的误判和滞后产生的问题。本录井气测装置尤其适用在产生无味、刺激性和有毒性等可识别气体时的监测和报警。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，该钻井装置的可识别物质为设定形状和体积的荧光物质、金属或塑料，塑料物质表面涂有荧光漆。荧光物质、金属或塑料可为片状、块状或颗粒状，其不溶于水并可在钻井液和岩屑内筛选出来。

荧光物质、金属或塑料填充在钻具本体的封闭空间内。在钻头失效或磨损后，封闭空间密封性被破坏，封闭空间被打开。封闭空间内的荧光物质、金属或塑料从钻头内脱出即可与外界的钻井液接触混合，荧光物质、金属或塑料与钻井液混合并循环至井口。

为了能够将荧光物质、金属或塑料从钻井液中筛分出来：本申请还设置了岩屑录井沙箱(图中未画出)，岩屑录井沙箱位于井口的钻井现场，岩屑录井沙箱内设有检测荧光物质、金属或塑料的灯光或磁铁。借助钻井现场的岩屑录井砂箱，通过灯光或磁铁在录井岩屑中查找片状或颗粒状的荧光物质、金属或塑料来实施报警。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，该钻井装置的钻头优选为混合钻头，当然钻头还可以为牙轮钻头和pdc等钻头，本申请以混合钻头为例进行说明。

在混合钻头上设有用于破岩的三组刀翼1、各组刀翼1上均固定设有复合片切削齿5，在三组刀翼1之间的钻头体8上分别焊接有三个牙掌3，每个牙掌3上转动连接有一个牙轮2，每个牙轮上镶有硬质合金齿4，刀翼1和牙掌3上设有封闭空间，封闭空间距离刀翼1上和牙掌3外表面设定的深度。

封闭空间设置在刀翼1和牙掌3易磨损的部位，当混合钻头在钻井作业且达到设定磨损程度时，可识别物质在封闭空间内露出或脱出与外界的钻井液接触混合，可识别物质与钻井液一起循环至井口被钻井人员或监测设备所探知。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，该钻井装置的封闭空间为开设在刀翼1上和牙掌3上的孔7，孔7的数量、孔7的大小和深度根据钻头的实际规格确定。在孔7的孔口设有将可识别物质密封在孔7内的封盖(图中未画出)，该封盖为设定厚度的金属封盖，封盖的四周与孔7的孔口密封焊接连接。

孔7位于钻头易磨损和易失效的部位，在钻头磨损到设定程度或失效后，孔7内的可识别物质即可与钻井液接触混合，可识别物质与钻井液混合并循环至井口。

在钻头在钻井作业且封盖未达到设定磨损程度时，可识别物质在孔7内不与外界的钻井液接触混合。当钻头在钻井作业且封盖被磨穿时，孔7的孔口被打开，可识别物质在孔7内露出或脱出与外界的钻井液接触混合，可识别物质与钻井液混合并循环至井口被钻井人员或监测设备所探知。钻井人员或监测设备能够识别和判断钻头的磨损程度和是否失效，在第一时间发出报警信息。

在一些可选实施例中：参见图1和图2所示，本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，该钻头的封闭空间为设置在牙轮2和牙掌3之间用于安装密封轴承的空腔，牙掌3上设有与密封轴承连接的轴颈，牙轮2和牙掌3之间通过密封轴承密封转动连接。在混合钻头内设有用于润滑密封轴承的储油腔，储油腔通过润滑通道与空腔连通。

封闭空间为安装密封轴承的空腔或润滑密封轴承的储油腔。可识别物质密封在安装密封轴承的空腔或润滑密封轴承的储油腔内，当密封轴承失效或密封破坏时，密封在安装密封轴承的空腔或润滑密封轴承的储油腔内可识别物质与钻井液相互混合。可识别物质与钻井液混合并循环至井口，可识别物质能够被钻井人员或监测设备所探知。

封闭空间还可以为密封轴承非受力面和储油腔内加工填充可识别物质的容纳空间，牙轮2和牙掌3之间由轴承密封圈密封，密封轴承和储油腔与钻井液不接触，当密封轴承密封失效后，钻井液进入密封轴承和储油腔内，钻井液与封闭空间内可识别物质(化学物质)立即发生化合反应，产生可识别气体随钻井液循环至井口。或当密封轴承密封失效后，封闭空间内片状或颗粒状的荧光物质、金属或塑料与钻井液混合与岩屑一起循环至井口。

工作原理

本申请实施例提供了一种具有报警功能的钻井装置，本申请根据牙轮钻头、pdc钻头、混合钻头在深井、定向井和复杂地层钻进时的非正常失效特点，在钻头的封闭空间内填充了可识别物质。首次采用了监测井口钻井液中的可识别气体，或检查监测岩屑中的荧光物质、金属或塑料来探知刀翼1磨损和密封轴承失效状态。本申请通过以下两种方式对钻头的磨损和失效状态进行监测：

1、当刀翼1磨损和密封轴承失效时可识别物质(化学物质)与钻井液化合反应产生的可识别气体进行响应，所选用的化学物质遇钻井液立即产生如乙炔、氢气、氨气、氧气、二氧化碳等特殊已知气体，随钻井液循环至井口，设置于井口的实时录井气测装置会在第一时间进行报警。

2、当刀翼1磨损和密封轴承失效时可识别物质(荧光物质、金属或塑料)从封闭空间内脱出，片状或颗粒状荧光物质、金属或塑料露出与钻井液混合，并与岩屑一起随钻井液循环至井口或震动筛处，借助钻井现场的岩屑录井砂箱，通过灯光或磁铁在录井岩屑中查找片状或颗粒状荧光物质、金属或塑料即可实施报警。

得到报警信息后，由录井值班人员及时告知当班司钻或钻井工程师及时起钻。本申请开创性的采用了在钻头相关位置预埋可识别物质，在刀翼磨损和密封轴承失效时，预埋的可识别物质与钻井液快速反应产生可识别气体，或预埋的片状或颗粒状荧光物质、金属或塑料与钻井液混合与岩屑一起循环至井口，提示钻井工程师钻头存在刀翼磨损、或牙轮落井事故风险了。由当班相关工作人员及时进行判断并结合纯钻时间和岩性、钻时、扭矩等井下工况参数异常变化情况，及时起钻，避免钻头过度使用造成pdc钻头和混合钻头的刀翼过度磨损，混合钻头和牙轮钻头发生牙轮落井的事故。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。