一种双级钻头的制作方法

1.本发明涉及石油工程领领域，具体地涉及一种双级钻头。


背景技术：

2.在钻井现场经过多次的实践发现，只需通过改变钻井过程中井底的结构就可以提前释放井底地层应力，这样一来就能够有效地提高钻头的破岩效率。
3.基于上述原理，国外nov公司提出了同心双级speeddrill
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bits，国内胜利钻井院彭烨等提出了双级pdc钻头，中国石油大学(华东)管志川等提出了差压式双级pdc钻头。而以上产品在室内或钻井现场均取得了不错的钻井提速效果。
4.但是，pdc钻头对地层具有极强的选择性。例如，当钻头钻进至硬地层或多夹层地层时，便会出现粘滑现象。而该现象所引发的对钻头的冲击损坏的情况将会导致机械钻速的降低，从而使钻探的距离骤减，进而延长建井的周期。
5.目前的现有技术中，虽然在钻头上加装了吃深控制单元，但仍然无法避免发生粘滑现象。而由此便会导致钻头在钻探过程中承受较为强烈的扭矩波动，引发钻头或底部钻具组合的疲劳损坏的情况，进而影响工作效率和工作进度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种双级钻头，其能够实现钻压与扭矩的双平衡，一方面通过扭矩调节组件与领眼钻头体的相互配合来平衡双级钻头所受到的扭矩波动，另一方面通过第二弹性元件、钻扭自控盘以及领眼钻头体之间的相互配合来平衡双级钻头的钻压。
7.根据本发明，提供了一种双级钻头，包括：扩眼钻头体，所述扩眼钻头体包括用于与上部钻具组合连接的上接头，以及与所述上接头连接的扩眼钻头体冠部；以及领眼钻头体，其从所述扩眼钻头体冠部中伸出到所述扩眼钻头体之外，其中，所述扩眼钻头体内设置有平衡装置，所述平衡装置包括安装在所述扩眼钻头体冠部内的扭矩调节组件，所述扭矩调节组件与所述领眼钻头体固定连接，用于平衡所述领眼钻头体所受到的扭矩波动。
8.在一个实施例中，所述扭矩调节组件包括钻扭自控盘，以及形成于所述钻扭自控盘的外周上的止动键，在所述扩眼钻头体冠部的内壁上形成有止动腔，其中，所述止动键容纳于所述止动腔内，从而能够在所述止动腔内作部分圆周运动，以平衡所述领眼钻头体所受到的扭矩波动。
9.在一个实施例中，所述止动腔的两端均固定连接一个第一弹性元件，所述止动键连接在两个所述第一弹性元件之间。
10.在一个实施例中，所述钻扭自控盘包括一个与所述扩眼钻头体中的钻井液主流道连通的中心通道，以及若干个沿周向均匀布置的旁路分流通道，所述扩眼钻头体冠部包括若干个分别与各个所述旁路分流通道相对应的扩眼钻头体流道。
11.在一个实施例中，所述扩眼钻头体冠部还包括位于旁路分流通道和扩眼钻头体流道之间的环形整流腔，用于将各所述旁路分流通道流出的钻井液整合并输送到所述扩眼钻
头体流道中。
12.在一个实施例中，在各个所述旁路分流通道的出口处均设有扩眼钻头体喷嘴。
13.在一个实施例中，所述上接头的下端面处设置有台阶槽，在所述台阶槽内容纳有第二弹性元件，所述第二弹性元件与位于下游的所述钻扭自控盘相互配合，用于平衡所述双级钻头的钻压。
14.在一个实施例中，所述钻扭自控盘还包括空心的传动轴，所述领眼钻头体插入到所述传动轴中并与之固定连接。
15.在一个实施例中，所述扩眼钻头体冠部的内部设置有用于支撑和固定所述钻扭自控盘的扩眼钻头体内台阶槽。
16.在一个实施例中，所述钻扭自控盘包括台阶限位面，以及形成在所述台阶限位面上的台阶式的钻扭自控盘限位面。
附图说明
17.下面将结合附图来对本发明进行详细地描述，在图中：
18.图1示意性显示了根据本发明的双级钻头的结构示意图；
19.图2是图1中a-a部分的截面剖视图，具体显示了钻扭自控盘与扩眼钻头体冠部的位置关系；
20.图3是钻扭控制盘的结构示意图；
21.图4是扩眼钻头体的结构示意图。
22.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明做进一步说明。为了方便解释，在本说明书中的方向性用语“上游”或“上方”或类似用语指的是靠近井口的方向。“下游”或“下方”或类似用语指的是远离井口的方向。方向性用语“纵向”或“轴向”即图1中的竖直方向。
24.图1示意性显示了根据本发明的双级钻头的结构示意图。如图1所示，根据本发明的双级钻头100主要包括扩眼钻头体1和领眼钻头体4。其中，领眼钻头体4与扩眼钻头体1固定连接。
25.在本发明中，如图1所示，扩眼钻头体1包括上接头101和扩眼钻头体冠部104。其中，上接头101与扩眼钻头体冠部104固定连接。
26.上接头101从上游至下游包括依次设置的上部1011、中部1012和下部1013。上接头101的上部1011的外表面上设有连接螺纹(未示出)，用于与上部钻具组合形成螺纹连接。上接头101的中部1012构造为接头本体，其中设置有卸扣槽102，用于拆卸钻头装置时为钻头装置施加扭矩。上接头101的下部1013的外表面设置有连接螺纹(未示出)，用于与扩眼钻头体冠部104形成螺纹连接，以提高上接头101与扩眼钻头体冠部104连接的稳固性。上接头101还包括贯通其中的主流道103，用于接收来自上部钻井工具组合的钻井液，并将该钻井液引导至扩眼钻头体冠部104中。
27.如图1所示，扩眼钻头体冠部104包括设置在内部的平衡装置3，平衡装置3包括扭矩调节组件6，扭矩调节组件6的底端与领眼钻头体4固定连接，用于平衡领眼钻头体4所受
到的扭矩波动。
28.扭矩调节组件6包括设置在其内部的钻扭自控盘303。如图1所示，钻扭自控盘303的底端固定连接领眼钻头体4，并且钻扭自控盘303以可拆卸的方式装在扩眼钻头体冠部104的内部，使得扩眼钻头体1与领眼钻头体4相连。
29.图2是图1中a-a部分的截面剖视图，具体显示了钻扭自控盘与扩眼钻头体冠部的位置关系。如图2所示，钻扭自控盘303包括设置在其外周上的止动键310。扩眼钻头体冠部104包括在内壁上形成的止动腔110。止动键310容纳于止动腔110内，使得止动键310能够在止动腔110内作部分圆周运动。另外，止动腔110内的两端均固定连接一个第一弹性元件5。而止动键310则连接在两个第一弹性元件5之间，从而可以有效的对第一弹性元件5实现推动或拉动的作用。
30.根据本发明，双级钻头100在钻探的过程中，当钻头钻进至硬地层或多夹层地层时，便会出现粘滑现象，而该现象便会导致钻头承受由复杂地层所引发的扭矩波动。这是本领域技术人员所熟知的。
31.根据本发明，位于下游的领眼钻头体4便会承受上述的扭矩波动，而该扭矩波动的作用则会直接传递给与领眼钻头体4固定连接的钻扭自控盘303。与此同时，与钻扭自控盘303固定连接的止动键310则会在止动腔110内作部分圆周运动，通过沿周向向左或向右对第一弹性元件5实现推动或拉动的作用，从而将领眼钻头体4所受到的刚性扭矩转化为柔性扭矩，以平衡领眼钻头体4所受到的扭矩波动，实现钻探过程中双级钻头100对扭矩的自适应控制。
32.在本发明的一个实施例中，如图1所示，钻扭自控盘303的顶壁形成有分流腔302，分流腔302构造为圆柱状空腔，用于将流经主流道103的钻井液进行第一次整合并向下游分流。
33.如图1所示，钻扭自控盘303包括一个中心通道307和若干个旁路分流通道305。扩眼钻头体冠部104包括整流腔306，以及若干个扩眼钻头体流道106。
34.中心通道307开设在分流腔302的底端并贯通钻扭自控盘303，用于直接接受来自分流腔302分流后的钻井液并将其引导至领眼钻头体4中。旁路分流通道305沿周向均匀布置在钻扭自控盘303的内部且底端与整流腔306连通，用于接受来自分流腔302分流后的钻井液并将其引导至整流腔306内。
35.整流腔306则位于旁路分流通道305与扩眼钻头体流道106之间，用于将各所述旁路分流通道305流出的钻井液进行第二次整合，并向下游分流至所述扩眼钻头体流道106中。在图示实施例中，该整流腔306为环形的。扩眼钻头体流道106设置在扩眼钻头体冠部104的内部，并且其位置分别与各个所述旁路分流通道305的位置相对应，用于接受来自整流腔306分流后的钻井液并将其引导至外部，供钻进时使用。
36.在本发明的一个实施例中，如图1所示，扩眼钻头体流道106的出口处均设有扩眼钻头体喷嘴107。扩眼钻头体喷嘴107例如可以是普通射流喷嘴，也可以是旋转射流、空射河流等辅助破岩喷嘴，用于将来自扩眼钻头体流道106的钻井液向外部排放。
37.根据本发明的一个实施例中，如图1所示，上接头101的下端面处设置有台阶槽7，在台阶槽7内容纳有第二弹性元件2，第二弹性元件2的底端与钻扭自控盘303的顶端直接接触。因此，钻扭自控盘303通过利用第二弹性元件2的弹力作用，从而控制领眼钻头体4向下
游伸张或向上游收缩，以平衡双级钻头100所承受的钻压。这样一来，一方面可以主动控制领眼钻头体4在地层中钻入的深度，从而将领眼钻头体4与扩眼钻头体1之间的钻压分配调制最佳，使钻进速度得以控制。另一方面，可以避免因钻头钻入过深的地层而引发的粘滑效应。
38.扩眼钻头体冠部104包括扩眼钻头体内台阶槽扩眼钻头体流道。图4是扩眼钻头体的结构示意图。如图4所示，扩眼钻头体内台阶槽105设置在扩眼钻头体冠部104的内部，用于支撑和固定安装在扩眼钻头体冠部104的内部的钻扭自控盘303。
39.图3是钻扭控制盘的结构示意图。如图3所示，钻扭自控盘303包括台阶限位面311，以及形成在台阶限位面311上的台阶式的钻扭自控限位面312。其中，台阶限位面311用于支撑钻扭自控盘303，并设置为钻扭自控盘303在扩眼钻头冠部104内沿纵向上向下游位移的最低点。优选地，台阶限位面311的直径大于钻扭自控限位面312的直径，从而增强钻扭自控盘303与扩眼钻头体内台阶槽105(如上所述)连接的稳固性。
40.在本发明的一个实施例中，如图4所示，扩眼钻头体冠部104的外周上还设置有若干个扩眼钻头体刀翼108。扩眼钻头体刀翼108上分布有数量和尺寸随着钻探地层特质的变化而变化的扩眼钻头体切削齿109，用于提高破岩工作的效率。
41.在本发明的一个实施例中，如图1所示，钻扭自控盘303包括传动轴309，传动轴309内部构造为空心结构。通过将领眼钻头体4插入到传动轴309中，从而完成领眼钻头体4与钻扭自控盘303的固定连接。这样，当领眼钻头体4受到扭矩波动时，就能够通过传动轴309将扭矩波动传递给钻扭自控盘303。通过止动腔110内的止动键310与第一弹性元件5的推动或拉动的作用，即可平衡领眼钻头体4所受到的扭矩波动。此外，传动轴309内设置有通孔，用于将来自中心通道307的钻井液引导送至领眼钻头体4中。
42.在本发明的一个实施例中，如图3所示，钻扭自控盘303与扩眼钻头体冠部104之间设置有密封件，密封件均设置为动密封，从上游到下游包括依次设置的上段密封301、中段密封304和下段密封308。其中，上段密封301设置在上接头101与钻扭自控盘303的连接处，用于密封止动腔110，以防止钻井液直接流入止动腔110内。中段密封304设置在止动键310下游，用于密封止动腔110，以防止钻井液回流至止动腔110内。下段密封308设置在传动轴309上，用于密封传动轴309与扩眼钻头体冠部104之间的间隙。
43.在本发明的一个实施例中，如图1所示，领眼钻头体4包括领眼钻头体接头401、领眼钻头体冠部402、领眼钻头体喷嘴403,、领眼钻头体刀翼404，以及领眼钻头体切削齿405。领眼钻头体4的结构是本领域的技术人员所熟知的，在此不再赘述。
44.根据本发明的双级钻头100能够实现钻压和扭矩的双平衡。一方面，通过钻扭控制盘303和第一弹性元件5的相互配合，以平衡领眼钻头体4所受到的的扭矩，从而实现双级钻头100钻进过程中扭矩的自适应控制。另一方面，通过扭矩调节组件6和第二弹性元件2的相互配合，以平衡领眼钻头体4所受到的钻压，从而实现双级钻头100钻进过程中钻压的自适应控制，进而达到自适应调节领眼钻头体4的钻入深度的目的。
45.以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员在本发明的公开范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。