一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭制造技術

本實用新型專利技術公開了一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，包括由領眼體和擴眼體構成的鉆頭本體，延伸自領眼體和擴眼體的多個刀翼，刀翼之間的流道中設置有水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，至少有兩個領眼段和/或兩個擴眼段刀翼的本體輪廓線既有不重合區(qū)域，也有重合點或重合區(qū)域。這種結構特征可使擴眼鉆頭以異步切削方式工作，不僅能增加刀翼的磨損長度，延長鉆頭壽命，而且能使鉆頭在整個鉆進過程都處于高比壓鉆進狀態(tài)，增強鉆頭侵入巖石的能力，從而使鉆頭在難鉆地層的鉆速和壽命都得到提高。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本技術屬于石油天然氣鉆探工程、礦山工程、建筑基礎工程施工、地質鉆探、隧道工程、水文、盾構及非開挖等技術設備領域，特別是涉及一種鉆進鉆頭。
技術介紹
隨著套管開窗側鉆和老井的二次開發(fā)越來越多，擴眼工具得到了大量應用。鉆井工程中的擴眼施工通常有兩種方式：其一，先用常規(guī)鉆頭鉆出領眼孔(即先導孔)，再換用擴孔鉆頭或工具進行擴孔施工，也即鉆領眼施工與擴眼施工是分別進行的；其二、用“隨鉆擴眼”的方式，邊鉆進邊擴眼，一次性完成鉆、擴施工。隨鉆擴眼鉆頭(也稱隨鉆擴眼工具)通常由領眼部分(鉆先導孔的部分)和擴眼部分構成，領眼部分也稱領眼鉆頭，擴眼部分也稱擴眼鉆頭或擴眼工具。領眼部分和擴眼部分可以采用一體式本體結構，也可采用分體式本體結構。隨鉆擴眼工具分固定式和伸縮式兩大類，兩者的區(qū)別主要在于擴眼部分的結構，前者的擴眼部分為無運動件的固定式結構(或固定齒結構)，后者的擴眼切削結構或擴眼刀翼可以伸縮。由于固定式隨鉆擴眼鉆頭結構簡單，工作可靠性高，所以應用更為廣泛。固定式隨鉆擴眼鉆頭主要有兩種類型：階梯式和雙心式。階梯式擴眼鉆頭實際上就是切削輪廓線上有分段階梯的一種全面鉆進鉆頭，心部領眼部分與外部擴眼部分的切削齒分別位于不同的高度位置，使井底切削輪廓線上產生臺階。因為臺階處的巖石更易破碎，所以在井眼尺寸較大時，使用這種鉆頭能夠提高破巖效率，同時也有利于提升井身質量。雙心隨鉆擴眼鉆頭亦稱為“雙心擴眼鉆頭”、“雙心鉆頭”、“雙心擴眼工具”等，是一種常用的隨鉆擴眼工具或擴眼鉆頭之一，常常用于老井深鉆、側鉆等條件下的隨鉆擴眼施工，其性能特點是能夠鉆出比通過直徑(如套管內徑)更大的孔。在隨鉆擴眼工具中，PDC擴眼鉆頭以其安全可靠、機械鉆速高、鉆壓和扭矩較小等優(yōu)點，成為了隨鉆擴眼鉆頭的主要形式。然而，由于在使用過程中受到鉆柱振動和地層軟硬交錯等因素的影響，PDC擴眼鉆頭的切削齒，尤其是其領眼段的切削齒，通常易于因沖擊載荷或者吃入深度不均等因素造成過早破壞，從而導致鉆頭使用壽命不長，增加了鉆井過程的時間和經濟成本。固定式隨鉆擴眼鉆頭的擴眼部分(擴眼體)可為只有一級擴孔直徑的單級擴眼結構，也可為具有至少2級擴孔直徑的多級擴眼結構。與常規(guī)PDC鉆頭一樣，現(xiàn)有的PDC擴眼鉆頭其領眼段和擴眼段通常都具有若干個刀翼，刀翼上沿著鉆頭徑向設置有多個切削元件(對PDC鉆頭，切削元件主要是聚晶金剛石復合片，簡稱復合片或PDC齒)。在現(xiàn)有的PDC鉆頭技術中，固定切削齒鉆頭上的刀翼均按照同步切削原理進行設計，即每個刀翼上不同徑向位置的切削齒同時或同步(或基本同時、基本同步)進入工作狀態(tài)，開始切削井底巖石，并同時開始發(fā)生磨損。新鉆頭在理想工作狀態(tài)下(鉆頭中心與井眼中心重合的穩(wěn)定鉆進狀態(tài))鉆削巖石時，同時參與刮切巖石的所有切削齒均為主切削齒，主切削齒是鉆頭破碎巖石的主要切削元件，通常被設置在各刀翼的前側，以利于達到更好的冷卻和清洗效果。除了切削齒以外，還可根據(jù)需要在鉆頭上設置后備切削齒(即當主切削齒磨損到一定程度后才投入工作的切削齒，如后排齒等)和輔助切削結構(主要指幫助主切削齒破巖的結構，如錐齒，或保護切削齒作用的緩沖結構，如緩沖節(jié)或緩沖齒等)。在PDC鉆頭設計過程中，通常會任意確定一個通過鉆頭中心軸線的平面作為布齒軸面(亦簡稱為軸面)，鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置均能在該軸面上得到準確的表達。當鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉時，切削齒的齒刃輪廓線與軸面相交形成交線，該交線為切削齒的軸面輪廓線，再將鉆頭上所有主切削齒(或若干指定刀翼上的所有主切削齒)的軸面輪廓線匯集在該軸面內，就形成了鉆頭的軸面布齒圖(或若干指定刀翼的軸面布齒圖)。因為軸面布齒圖能準確反映鉆頭上切削齒對井底巖石的徑向覆蓋情況，故又叫井底覆蓋布齒圖，簡稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。在鉆頭的井底覆蓋圖中，作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡曲線，即為鉆頭的切削輪廓線(也即鉆頭的冠部輪廓線)，如圖2所示，為現(xiàn)有技術中擴眼鉆頭的井底覆蓋圖，其中，水平方向R為鉆頭徑向坐標，豎直方向Z為鉆頭軸向坐標，標號11的曲線即為現(xiàn)有技術中鉆頭的切削輪廓線，區(qū)域A為領眼段，區(qū)域B為擴眼段。在鉆頭的井底覆蓋圖中，若僅將某個指定刀翼上的切削齒表示出來，而將其它刀翼上的切削齒隱去，就形成了該刀翼的軸面布齒圖。在刀翼的軸面布齒圖中，作一條與各主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡曲線，該包絡線則稱之為該刀翼的切削輪廓線。刀翼的切削輪廓線反映了當?shù)兑砩现髑邢鼾X分布足夠密(能完全覆蓋該刀翼所在的井底徑向區(qū)域)時，該刀翼所獨立切削出的井底的基本或理想輪廓形狀特征。若鉆頭在軸向位置不變的條件下繞自身軸線旋轉，則對某一刀翼體而言，其前側面與其布齒面的交線將隨著鉆頭的旋轉掃掠形成一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉曲面，該回轉曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線，如圖2所示，其中標號為32的曲線，即為刀翼的本體輪廓線。通常情況下，由于布置在刀翼布齒面上的主切削齒的出露高度是相同或相近的(臨近規(guī)徑面的區(qū)域除外)，所以刀翼的切削輪廓線與其本體輪廓線的形狀基本呈平行狀態(tài)，僅在臨近規(guī)徑的區(qū)域可能有明顯差異。因此，基于實現(xiàn)同步切削原理的需要，現(xiàn)有技術中鉆頭各個刀翼的本體輪廓線是互相重合或基本重合的。換言之，理論上鉆頭各刀翼的本體輪廓線均在同一個以鉆頭中心軸線為軸線的回轉曲面上，因而它們都是相同的一條曲線或相同曲線上的一段。這種特征可稱之為鉆頭各刀翼本體輪廓線的一致性或共線性。顯然，這種一致性或共線性不僅存在于各刀翼的本體輪廓線，而且對各刀翼的切削輪廓線也是成立的。正是這一結構特征，使得固結在鉆頭各刀翼上的主切削齒能夠同時或同步切削井底巖石，進而形成井筒。在技術專利“具有二級齒結構的聚晶金剛石復合片鉆頭”(專利號為:ZL200620033337.3)和技術專利“具有獨立式縱向后備切削結構的聚晶金剛石復合片鉆頭”(專利號為:ZL200720082270.7)中，均公開了一種具有后備(二級)齒結構的PDC鉆頭，其共同特點是后備齒均固結于主切削齒之下的鉆頭體內，即后備齒相對于鉆頭體向內布置，從而在鉆頭縱向上形成多級切削結構。兩專利中設置縱向后備齒的目的在于增加鉆頭金剛石切削齒的縱向可磨損長度，延長鉆頭使用壽命。但上述兩方案中的縱向后備齒均為內鑲齒，而其主切削齒均按同步切削原理工作，作為輔助切削結構的內鑲齒須在主切削齒磨損殆盡且本體有部分磨損后才開始工作，但在內鑲齒切削巖石的同時，刀翼本體已經與地層發(fā)生大面積接觸，顯著地降低了后備切削齒作用于巖石的比壓，從而使鉆頭的鉆進效率受到很大限制。與普通PDC鉆頭類似，現(xiàn)有的具有同步切削原理的PDC擴眼鉆頭在面對復雜難鉆地層(高硬度、高研磨性乃至含礫石層、夾層等不均質地層)時，不僅鉆進效率受到限制，其使用壽命也不理想。其主要原因是：第一，為了保證鉆頭在硬地層鉆進時能夠具備較強的吃入或侵入巖石表面的能力，就需要采用尺寸(直徑)較小的切削齒，然而小直徑切削齒的出露高度小，可磨損高度顯著低于大直徑切削齒，但此時切削齒的磨損速度卻更快，因此就形成了一個難鉆地層鉆頭設計中難以解決的矛盾：若采用大直徑切削齒，切削齒難以侵入巖石(特別是發(fā)生一定程度磨損以后)，鉆頭破巖效率低；若采用小直徑切削齒，切本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，包括由領眼體和擴眼體構成的鉆頭本體，延伸自領眼體和擴眼體的多個領眼段刀翼和擴眼段刀翼，刀翼之間的流道中設置有水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，其特征在于：至少有一個領眼段和/或一個擴眼段刀翼的本體輪廓線與至少另外一個領眼段和/或另外一個擴眼段刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區(qū)域，以及至少一個重合點或重合區(qū)域。

【技術特征摘要】
1.一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，包括由領眼體和擴眼體構成的鉆頭本體，延伸自領眼體和擴眼體的多個領眼段刀翼和擴眼段刀翼，刀翼之間的流道中設置有水眼或噴嘴，刀翼上設置有若干個第一組切削齒，刀翼布齒面設置凹窩用以固定第一組切削齒，其特征在于：至少有一個領眼段和/或一個擴眼段刀翼的本體輪廓線與至少另外一個領眼段和/或另外一個擴眼段刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區(qū)域，以及至少一個重合點或重合區(qū)域。2.根據(jù)權利要求1所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，其特征在于：至少有兩個領眼段和/或兩個擴眼段刀翼的本體輪廓線均為整體或大部分外凸的曲線，且所述各領眼段刀翼本體輪廓線外凸區(qū)域頂點沿鉆頭徑向的徑向位置不同，所述各擴眼段刀翼本體輪廓線外凸區(qū)域頂點的軸向位置不同。3.根據(jù)權利要求1所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，其特征在于：至少有兩個領眼段和/或兩個擴眼段刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯開。4.根據(jù)權利要求1所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，其特征在于：至少有40％數(shù)量的領眼段和/或擴眼段刀翼的本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線，且所述曲線之間各有至少一個局部凸起沿鉆頭徑向或沿鉆頭切削輪廓線部分或全部相互錯開。5.根據(jù)權利要求3所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭，其特征在于：所述領...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：楊迎新，戚清亮，張春亮，林敏，徐帥兵，張偉峰，王吉，
申請(專利權)人：西南石油大學，成都為一石油科技有限公司，
類型：新型
國別省市：四川;51