一种适用于套管定向钻井用超前扩孔钻头

1.本发明涉及钻井装备技术领域，特别是涉及一种适用于套管定向钻井用超前扩孔钻头。


背景技术：

2.套管钻井是指在钻进过程中，直接采用套管(取代传统的钻杆)边钻进边下套管，完钻后套管直接留在井内实施固井作业的一种钻井工艺。套管定向钻井是在套管钻井的基础上，利用随钻测井技术，实现定向钻进的工艺，可实现一趟钻完成定向钻井和下套管的目的，节省钻井施工时间。在套管定向钻井技术中，套管可视为传动定向钻进技术中的带有角度的弯螺杆，超前扩孔钻头和随钻测井仪器等井底钻具需组装到套管内部，由于套管带有弯度，所以扩孔钻头需具有角度调节的作用才能允许井底钻具顺利下入至弯套管中；同时，超前扩孔钻头闭拢时的外径需小于弯套管内径；当钻具装配完毕后，扩孔钻头需超前套管端部一段距离，为扩孔钻头刀翼张开提供空间；当进行套管定向钻进时，超前扩孔钻头刀翼需张开，设计的刀翼张开外径需大于弯套管外径，才可进行正常作业，比如说套管内径为220mm，扩孔钻头在闭拢状态时的外径需小于220mm才能通过套管并超出套管；在钻井通浆时，扩孔钻头需在泥浆液压力的作用下打开，此时扩孔钻头的外径需大于270mm(套管接箍外径)才可正常钻进；当作业结束后，需将井底钻具回收，刀翼在上提回收过程中，受到弯套管内壁的挤压缩径实现闭拢，进入套管中。
3.进一步的，公开号为cn115199214a的专利文件一种地质钻孔内局部可张开扩孔钻头是通过弹簧复位来使刀翼缩回闭拢，若弹簧被岩屑塞住或压溃，则无回复力使刀翼缩回闭拢；授权公告号为cn212837595u的专利文件一种可扩张的套管钻井钻头是在钻头张开后，使用磨鞋将内涨开器与打开球磨掉，无闭拢功能，且工艺复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种适用于套管定向钻井用超前扩孔钻头，以解决上述现有技术存在的问题，通过第一冲洗管道和第二冲洗管道导通水眼及盲孔，在泥浆进入盲孔推动压阀芯移动时，泥浆快速通过盲孔和水眼并分别流向第一冲洗管道和第二冲洗管道，随后对刀翼的内外两侧形成冲洗，保持钻头处无岩屑，闭拢时不会受到岩屑的阻碍，并且工艺、动作简单。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于套管定向钻井用超前扩孔钻头，包括扩孔钻头本体，所述扩孔钻头本体顶端同轴开设有中孔，所述扩孔钻头本体的底端沿周向等间隔铰接有若干能够受套管内壁挤压收拢的刀翼，所述中孔内沿其轴向可移动设有能够受泥浆推动的压阀芯，所述压阀芯顶端开设有供泥浆通过的盲孔，所述压阀芯的侧壁上开设有与所述盲孔相连通的水眼，所述压阀芯的底端伸出所述扩孔钻头本体并抵接在各所述刀翼顶端上，并能够推动所述刀翼绕其铰接点朝外周侧展开，所述扩孔钻头本体上开设有均与所述水眼相连通的第一冲洗管道和第二冲洗管道，所述第一冲洗
管道的出口朝向所述刀翼的外周边缘处，所述第二冲洗管道的出口朝向各所述刀翼的内侧位置处。
6.优选的，所述水眼沿泥浆流动的方向逐渐朝所述压阀芯的外周侧倾斜延伸，且所述第一冲洗管道和所述第二冲洗管道的进口均位于所述水眼的出口靠近所述刀翼的一侧。
7.优选的，所述扩孔钻头本体的顶端扣合有抵接在套管内侧壁上的传扭接头，所述传动接头远离所述扩孔钻头本体的一侧设有单边万向接头，且所述传动接头上设有与所述单边万向接头转动连接的球面槽，所述传动接头和所述单边万向接头上开设有均与所述中孔相连通的供浆管道。
8.优选的，所述盲孔和所述水眼的流通截面小于所述供浆管道的流通截面。
9.优选的，所述球面槽的内壁与所述单边万向接头之间设有嵌合连接的花键和花键槽。优选的，所述球面槽的开口端设有用于限制所述单边万向接头脱出的球压环，所述球压环抵接在所述单边万向接头的外周侧。
10.优选的，所述传动接头上的供浆管道包括靠近所述压阀芯的密封段，所述压阀芯的顶端伸出所述中孔，并滑动且密封插接在所述密封段中。
11.优选的，所述扩孔钻头本体的底端设有若干分别用于安装各所述刀翼的刀翼安装部，各所述刀翼安装部沿周向环绕在所述压阀芯的外周侧，所述刀翼安装部上开设有用于容纳所述刀翼的安装槽，所述安装槽内穿设有用于铰接所述刀翼的刀翼销轴。
12.优选的，所述安装槽的侧壁上设有沿垂直与所述刀翼展开方向滑动的定位销，所述刀翼上开设有沿其转动方向间隔分布的定位销孔，所述安装槽上设有用于将所述定位销顶在各所述定位销孔上的弹簧。
13.优选的，所述安装槽的侧壁上贯穿设有供所述定位销滑动的定位通道，所述定位通道远离所述刀翼的端部可拆卸连接有销轴压板，所述弹簧抵接在所述销轴压板和所述定位销之间。
14.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
15.第一，扩孔钻头本体顶端同轴开设有中孔，扩孔钻头本体的底端沿周向等间隔铰接有若干能够受套管内壁挤压收拢的刀翼，中孔内沿其轴向可移动设有能够受泥浆推动的压阀芯，压阀芯顶端开设有供泥浆通过的盲孔，压阀芯的侧壁上开设有与盲孔相连通的水眼，压阀芯的底端伸出扩孔钻头本体并抵接在各刀翼顶端上，并能够推动刀翼绕其铰接点朝外周侧展开，扩孔钻头本体上开设有均与水眼相连通的第一冲洗管道和第二冲洗管道，第一冲洗管道的出口朝向刀翼的外周边缘处，第二冲洗管道的出口朝向各刀翼的内侧位置处，那么在具体扩孔工作的过程中，泥浆流通至压阀芯的盲孔处，在推动压阀芯沿中孔轴向向下移动使其推动刀翼展开的同时，泥浆流入与盲孔相连通的水眼，进而流动至压阀芯与中孔之间的缝隙中，随后流入第一冲洗管道和第二冲洗管道中，经过第一冲洗管道的泥浆朝刀翼的外周边缘喷射，对刀翼外周边缘的岩屑进行冲洗，经过第二冲洗管道的泥浆朝刀翼的内侧喷射，对刀翼内侧的岩屑进行冲洗，使得刀翼及其铰接位置处不再受到岩屑的附着，保持钻头处无岩屑，闭拢或展开时不会受到岩屑的阻碍，保证了刀翼能够充分展开或闭拢，方便对钻头的运输，保证了整个扩孔工作的有效进行。
16.第二，水眼沿泥浆流动的方向逐渐朝压阀芯的外周侧倾斜延伸，一方面，通过水眼的倾斜设置，使得泥浆沿水眼流通时，形成对压阀芯的下压分力，保证了压阀芯能够有效的
朝刀翼侧移动，完成对刀翼的充分展开作用，另一方面，通过水眼的倾斜设置，使得泥浆在流动的过程中，能够充分减少沿压阀芯轴向上的动能损耗，保证泥浆流出第一冲洗管道和第二冲洗管道中的动能，进而保证了对岩屑的冲洗效果，且第一冲洗管道和第二冲洗管道的进口均位于水眼的出口靠近刀翼的一侧，使得泥浆流出压阀芯后能够持续沿压阀芯移动的方向流动，进而流入第一冲洗管道和第二冲洗管道中，保证泥浆流动的连续性，进一步减少动能损耗。
17.第三，扩孔钻头本体的顶端扣合有传扭接头，传动接头远离扩孔钻头本体的一侧设有单边万向接头，且传动接头上设有与单边万向接头转动连接的球面槽，传动接头和单边万向接头上开设有均与中孔相连通的供浆管道，扩孔钻头的弯度调节通过球面槽和单边万向接头的万向连接实现的，现有的钻头如果要实现弯度调节，则需在钻头上方连接万向节，但是没有套管的约束(扩孔钻头钻具是在套管里的)，钻头在钻井时会偏心旋转，无法保证井眼质量，无法正常钻井。而在套管定向钻井中，套管是弯的，扩孔钻头等井底钻具需下入到弯套管中，只有扩孔钻头具备弯度可调节性，才能通过套管的弯点，扩孔钻头才能超出弯套管，实现钻进。本发明中，套管定向钻进中套管为弯曲状，下入到弯套管中的扩孔钻头等井底钻具需要是角度可调的，才能将其下到套管里，通过球面槽和单边万向接头的万向连接实现弯度调节，避免扩孔钻头等井下钻具卡在弯套管中，同时在刀翼伸出套管后，通过传扭接头抵接在套管内侧壁上，保证钻头本体受到套管的约束，使得刀翼在钻井的过程中不会发生偏心旋转，保证井眼质量。
18.第四，盲孔和水眼的流通截面小于供浆管道的流通截面，开泵通浆后，泥浆经过盲孔和水眼时其流通截面变小，使得泥浆在压阀芯处产生节流效应，根据伯努利原理，此处产生推力，推动压阀芯下压刀翼上与之接触的端点，刀翼以其铰接点为支点，被压阀芯推动翘起，完成刀翼展开的动作。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明扩孔钻头本体在刀翼收拢时的外形图和剖面图；
21.图2为本发明扩孔钻头本体在刀翼展开时的外形图和剖面图；
22.图3为图1中扩孔钻头本体的另一剖面图；
23.图4为本发明扩孔钻头本体设置第一冲洗管道的外形图和剖面图；
24.图5为本发明扩孔钻头本体设置第一冲洗管道的剖面图；
25.图6为本发明扩孔钻头本体、传扭接头和单边万向接头连接示意图；
26.图7为本发明压阀芯结构示意图；
27.图8为本发明单边万向接头结构示意图；
28.图9为本发明刀翼结构示意图；
29.其中，1-扩孔钻头本体；2-刀翼；3-销轴压板；4-定位销；5-刀翼销轴；6-第一固定螺栓；7-压阀芯；8-复位弹簧；9-传扭接头；10-单边万向接头；11-球压环；12-第二固定螺
栓；13-刀翼安装部；14-定位销孔；15-中孔；16-pdc片；17-第一冲洗管道；18-水眼；19-第二冲洗管道；20-供浆管道；21-密封槽；22-球头；23-花键；24-v型结构；25-铰接孔。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.本发明的目的是提供一种适用于套管定向钻井用超前扩孔钻头，以解决上述现有技术存在的问题，通过第一冲洗管道和第二冲洗管道导通水眼及盲孔，在泥浆进入盲孔推动压阀芯移动时，泥浆快速通过盲孔和水眼并分别流向第一冲洗管道和第二冲洗管道，随后对刀翼的内外两侧形成冲洗，保持钻头处无岩屑，闭拢时不会受到岩屑的阻碍，并且工艺、动作简单。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.如图1至图9所示，本实施例提供一种适用于套管定向钻井用超前扩孔钻头，包括扩孔钻头本体1，扩孔钻头本体1顶端同轴开设有中孔15，扩孔钻头本体1的底端沿周向等间隔铰接有若干能够受套管内壁挤压收拢的刀翼2，具体的，当钻井结束后，需要将套管内的扩孔钻头等井下钻具回收到地面上，将套管留在井内，实现“一趟钻”完成钻井和下套管，在上提的过程中，正处于张开状态的扩孔钻头刀翼2会碰到套管内壁，在套管内壁的作用下刀翼2被压回成闭拢状态，从而可以从套管中回收上来。优选的，刀翼2呈板状结构，其延伸方向与中空的径向延伸，其外边缘焊接有硬质合金或pdc片16，以提高其强度，保证钻井效果，中孔15内沿其轴向可移动设有能够受泥浆推动的压阀芯7，压阀芯7顶端开设有供泥浆通过的盲孔，压阀芯7的侧壁上开设有与盲孔相连通的水眼18，水眼18沿压阀芯7周向均匀分布，压阀芯7的底端伸出扩孔钻头本体1并抵接在各刀翼2顶端上，并能够推动刀翼2绕其铰接点朝外周侧展开，扩孔钻头本体1上开设有均与水眼18相连通的第一冲洗管道17和第二冲洗管道19，第一冲洗管道17的出口朝向刀翼2的外周边缘处，第二冲洗管道19的出口朝向各刀翼2的内侧位置处，那么在具体扩孔工作的过程中，泥浆流通至压阀芯7的盲孔处，在推动压阀芯7沿中孔15轴向向下移动使其推动刀翼2展开的同时，泥浆流入与盲孔相连通的水眼18，进而流动至压阀芯7与中孔15之间的缝隙中，随后流入第一冲洗管道17和第二冲洗管道19中，经过第一冲洗管道17的泥浆朝刀翼2的外周边缘喷射，对刀翼2外周边缘的岩屑进行冲洗，经过第二冲洗管道19的泥浆朝刀翼2的内侧喷射，对刀翼2内侧的岩屑进行冲洗，使得刀翼2及其铰接位置处不再受到岩屑的附着，保持钻头处无岩屑，闭拢或展开时不会受到岩屑的阻碍，保证了刀翼2能够充分展开或闭拢，方便对钻头的运输，保证了整个扩孔工作的有效进行。
34.优选的，压阀芯7上套接有复位弹簧8，复位弹簧8为圆柱螺旋压缩弹簧，为刀翼2回收时压阀芯7上移提供回复力，辅助刀翼2对压阀芯7的驱动。
35.其中，刀翼2的顶端设计有与压阀芯7底端相嵌合的v型结构24，刀翼2的中间位置处与扩孔钻头本体1相铰接，刀翼2的v型结构24可使压阀芯7在下压刀翼2时产生杠杆作用，
具体为其顶端下压，底端绕铰接点朝外周侧移动，实现刀翼2的张开，在当作业结束后，需将井底钻具回收，刀翼2在上提回收过程中，受到弯套管内壁的挤压实现闭拢，刀翼2的v型结构24推动压阀芯7复位，进入套管中，该套机械结构设计简单，动作实现的可靠性高。
36.进一步的，水眼18沿泥浆流动的方向逐渐朝压阀芯7的外周侧倾斜延伸，一方面，通过水眼18的倾斜设置，使得泥浆沿水眼18流通时，形成对压阀芯7的下压分力，保证了压阀芯7能够有效的朝刀翼2侧移动，完成对刀翼2的充分展开作用，另一方面，通过水眼18的倾斜设置，使得泥浆在流动的过程中，能够充分减少沿压阀芯7轴向上的动能损耗，保证泥浆流出第一冲洗管道17和第二冲洗管道19中的动能，进而保证了对岩屑的冲洗效果，且第一冲洗管道17和第二冲洗管道19的进口均位于水眼18的出口靠近刀翼2的一侧，使得泥浆流出压阀芯7后能够持续沿压阀芯7移动的方向流动，进而流入第一冲洗管道17和第二冲洗管道19中，保证泥浆流动的连续性，进一步减少动能损耗。
37.作为本发明优选的实施方式，扩孔钻头本体1的顶端扣合有传扭接头9，传动接头远离扩孔钻头本体1的一侧设有单边万向接头10，且传动接头上设有与单边万向接头10转动连接的球面槽，球面槽的球面为钻头弯曲提供自由度，单边万向接头10包括球头22，球头22和传扭接头9上的球面槽(球窝)形成球铰结构，传动接头和单边万向接头10上开设有均与中孔15相连通的供浆管道20，扩孔钻头的弯度调节通过球面槽和单边万向接头10的万向连接实现的，现有的钻头如果要实现弯度调节，则需在钻头上方连接万向节，但是没有套管的约束(扩孔钻头钻具是在套管里的)，钻头在钻井时会偏心旋转，无法保证井眼质量，无法正常钻井。而在套管定向钻井中，套管是弯的，扩孔钻头等井底钻具需下入到弯套管中，只有扩孔钻头具备弯度可调节性，才能通过套管的弯点，扩孔钻头才能超出弯套管，实现钻进。本发明中，套管定向钻进中为弯曲状，下入到弯套管中的扩孔钻头等井底钻具需要是角度可调的，才能将其下到套管里，通过球面槽和单边万向接头10的万向连接实现弯度调节，避免扩孔钻头等井下钻具卡在弯套管中，同时在刀翼2伸出套管后，通过传扭接头9抵接在套管内侧壁上，保证钻头本体受到套管的约束，使得刀翼2在钻井的过程中不会发生偏心旋转，保证井眼质量。
38.其中，传扭接头9与单边万向接头10之间形成角度偏转的同时能够通浆密封，具体的，单边万向接头10的球头22上设计有密封槽21，并安装有与球面密封贴合的o型圈。现有技术的万向节为实心的，需要在万向节和螺杆马达之间搭配分流接头才可将泥浆导出，待泥浆流至钻头时，已损失大部分水力，造成井眼冲洗效果差。与之相比，本发明中单边万向接头10体和传扭接头9的供浆管道20，可有效冲洗井眼，避免泥包，帮助扩孔钻头实现刀翼2的闭拢动作。
39.进一步的，盲孔和水眼18的流通截面小于供浆管道20的流通截面，开泵通浆后，泥浆经过盲孔和水眼18时其流通截面变小，使得泥浆在压阀芯7处产生节流效应，根据伯努利原理，此处产生推力，推动压阀芯7下压刀翼2上与之接触的端点，具体的泥浆的推力主要作用在压阀芯7的顶端，刀翼2以其铰接点为支点，被压阀芯7推动翘起，完成刀翼2展开的动作。
40.而且，球面槽的内壁与单边万向接头10之间设有嵌合连接的花键23和花键23槽，在传动的过程中，球面槽与单边万向接头10之间的传动通过花键23和花键23槽的配合实现，为钻头旋转提供扭矩。
41.作为本发明优选的实施方式，球面槽的开口端设有用于限制单边万向接头10脱出的球压环11，球压环11抵接在单边万向接头10的外周侧，单边万向接头10通过球压环11与传扭接头9实现连接和限位，优选的球压环11为两个半圆形带螺纹孔的薄片。优选的，球压环11通过第二固定螺栓12固定在传扭接头9上，球压环11抵接在单边万向接头10的外周侧的同时，使整个单边万向接头10的球头22压在传扭接头9的球面上，进而压紧o型圈，实现密封，当开泵后，泥浆会顺着单边万向接头10的供浆流道进入传扭接头9，再通过压阀芯7的中孔15进入到水眼18中，避免了泥浆泄露与损失，且保证花键23和花键23槽的密实配合。
42.进一步的，传动接头上的供浆管道20包括靠近压阀芯7的密封段，压阀芯7的顶端伸出中孔15，并滑动且密封插接在密封段中，优选的压阀芯7为一根顶端结构大、底端结构小的台阶轴，其中压阀芯7下移后，其顶端抵接在中孔15的顶端部，完成对压阀芯7的限位，避免压阀芯7底端脱离v形结构，作业时，将压阀芯7插入到中孔15中，底端伸出中孔15并顶到刀翼2的v型结构24上。压阀芯7顶端的外周壁上开设有密封槽21，传扭接头9的密封段与压阀芯7的顶端连接，密封段内设计有密封面，与密封槽21配合，防止泥浆流入压阀芯7与传扭接头9之间的环空，加强通过压阀芯7水眼18的泥浆对刀翼2的冲洗效果，同时密封段为压阀芯7的轴向移动提供路径。
43.而且，扩孔钻头本体1的底端设有若干分别用于安装各刀翼2的刀翼安装部13，各刀翼安装部13沿周向环绕在压阀芯7的外周侧，刀翼安装部13上开设有用于容纳刀翼2的安装槽，安装槽内穿设有用于铰接刀翼2的刀翼销轴5，且刀翼2上开设有供刀翼销轴5穿过的铰接孔25，完成对刀翼2的铰接安装，方便其展开或收拢。
44.进一步的，安装槽的侧壁上设有沿垂直与刀翼2展开方向滑动的定位销4，刀翼2上开设有沿其转动方向间隔分布的定位销孔14，安装槽上设有用于将定位销4顶在各定位销孔14上的弹簧。具体的，刀翼2上设有两定位销孔14，刀翼2聚拢时，定位销4顶在靠近刀翼2内侧的定位销孔14上，即第一定位销孔14，压阀芯7下移推压刀翼2上的v型结构24，使刀翼2围绕定位销4张开至指定外径。此时，定位销4从刀翼2上的第一定位销孔14滑动到靠近刀翼2外侧的定位销孔14中，即第二定位销孔14，此时固定刀翼2于张开状态，通过定位销4与第二定位销孔14的配合，防止刀翼2在扩孔钻进闭拢。当扩孔钻进结束后，停泵，上提钻杆，刀翼2在受到套管壁的挤压后闭拢，此时，定位销4从刀翼2上第二定位销孔14滑动到第一定位销孔14中，固定刀翼2闭拢状态，防止刀翼2在上提过程中张开造成井底钻具卡阻。
45.而且，安装槽的侧壁上贯穿设有供定位销4滑动的定位通道，定位通道远离刀翼2的端部可拆卸连接有销轴压板3，优选通过第一固定螺栓6完成对销轴压板3的安装，弹簧抵接在销轴压板3和定位销4之间，其中定位销4一端设计为圆头，一端设计为细杆，其安装于定位通道中，细杆上套有弹簧，通过销轴压板3挤压弹簧，将圆头顶在刀翼2的定位销孔14中。销轴压板3通过螺栓固定于刀翼安装部13上。
46.根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
47.需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及
的权利要求。
48.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。