专利名称:锥型螺旋体油井钻头的制作方法
本发明涉及一种深井钻具，特别涉及一种锥型螺旋体油井钻头。
目前我国正在大力勘探和开发石油资源。迄今为此，采油仍离不开钻凿地下或水下岩层的方法，因此钻头是至关重要的工具，其中三牙轮钻头以其扭矩小等优点得以广泛应用。但这种钻头的三个牙轮安装在滑动轴承上，这就带来轴承的润滑和密封等一系列问题;并且它主要靠依压力破碎岩层，而在钻凿石油井和天然气井中，页岩包括大部分进尺，钻进此种软粘韧的塑性页岩时，依靠压力钻进会使页岩压缩，使钻进发生困难，结果钻进率大为降低。八十年代初美国推出一种Tri-Max钻头，其特点是无轴承系统，亦即无活动部件，主要依靠剪力破碎岩层，钻进率比三牙轮钻头高得多。但这种钻头的头部为尖锥状，极易磨损，而且在实际使用过程中清除岩屑的能力不足，即岩屑的排除不能快于岩屑的生成，因而大量岩屑仍然阻塞在切削元件前面，易使钻头产生重复研磨和发生泥包现象。
本发明的目的在于提供一种结构合理、钻进效率高的新型油井钻头，它能快速清除岩屑，避免钻头产生重复研磨和发生泥包现象。
本发明的目的是通过下述方式实现的钻头体为平顶锥型螺旋体结构，整个钻头螺旋体为130°-180°，其上端是与钻铤相连接的接头丝扣，中间是一条垂直的泥浆通道，周围有四条均匀间隔的岩屑流槽，而岩屑流槽从锥顶平面起，自狭至宽以310°-360°的螺旋线上升。在钻头体下部设置四只互成直角的泥浆喷嘴(简称喷嘴)，除锥顶平面的喷嘴外，其余三只喷嘴的方位均与钻头旋转所形成的侧面相平行，但沿着与钻头旋转相反的方向喷射。在钻头体锥型面上的切削元件与岩屑流槽互相间隔平行，亦排列成四条呈310-360°的螺旋形上升线。
采用上述锥型螺旋体钻头结构和螺旋线上升的岩屑流槽及切削元件，使岩屑具有自切削井底向上升起的自然倾向，有利于快速清除岩屑，避免重复研磨和发生泥包现象，进而获得高速钻进率。而且因钻头结构是平顶锥型，相当于一系列循序增大的钻头同时进行扩钻，可形成多层自由面的井底，因此能快速钻进和提高钻进进尺。
通常，在钻凿软岩层至中硬岩层时，钻头中部的切削元件磨损较小，随着中部向钻头两端距离的增加而逐渐增加磨损。因此本发明中，锥顶平面和保径部位(锥冠下面，钻头体上直径最大的部位)的切削元件分布密度较高，有利于切入岩层和破碎岩石，以及避免因切削元件的磨损而影响井身直径。切削元件在钻头体上顺着钻头旋转方向成螺旋线上升排列，这不仅有利于清除岩屑，并可在不增加钻压下具有自进作用。
切削元件的侧倾角和后倾角对岩屑位移有一定影响。通常，后倾角越大，钻进率越低;而增大侧倾角则能促进岩屑趋向井口转移，最好两者互为直角，后倾角最佳值为20°，侧倾角最佳值为70°。
切屑元件采用聚晶金刚石复合材料，这是一种比天然金刚石更为优越的切削新材料，它以碳化钨为基底，在其上面复合一层人造聚晶金刚石片，在高温高压下两者结合成一个整体坯块。此坯块具有天然金刚石的硬度和抗磨损特性，而碳化钨基底可加强金刚石片的机械强度和耐冲击能力。
作为泥浆流出口的四条岩屑流槽由底部锥顶进口到上部锥冠出口呈螺旋线上升，与切屑元件的上升螺旋线互相间隔平行，使之更有利于快速和高效率清除岩屑，防止钻头粘附岩屑或产生泥包现象。
设置在钻头体下部不同高度处，但其空间位置互成直角的四个喷嘴与泥浆通道连通，向外发出平衡的高速湍流喷射。为了使钻头能发挥更高的效力，及改善岩屑的排除，除锥顶平面的喷嘴外，其余喷嘴的方位均与钻头旋转所形成的侧面平行，并避开螺旋线上升的岩屑流槽和切削元件的位置，但互相关连。这种布置为清洁钻头和冷却聚晶金刚石复合切削元件提供了最佳泥浆流动方式，一方面消除了急流泥浆直冲井壁和冲刷钻头体，又可将此急流泥浆的力量转变为凿岩的的补充力量，并有利于更好清除岩屑和提高钻头的钻进进尺。同时，高压泥浆向钻头旋转的反方向喷射所产生的与钻头同向转动力可减小钻头和钻杆的扭矩。而安装在锥顶平面的喷嘴发出非常高速的泥浆喷射，这在钻进软地层时特别有利于清除井底岩屑，增高钻进进尺率。
本发明结构合理，能快速、有效地清除岩屑，避免产生重复研磨和发生泥包现象，易使钻头保持清洁、稳定、便于控制钻孔偏差，有利于钻头保持垂直钻进，提高钻进进尺。而且，还可减少钻头和钻杆所受的扭矩，延长钻头使用寿命。
此外，本发明之钻头制造周期短、成本低、使用安全。
以下将结合附图对本发明作进一步详细描述，其中图1是本发明之钻头体总图;
图2是本发明之钻头的切削元件总装图;
图3是图1的A-A剖面图;
图4是图1的B-B剖面图;
图5是图1的C-C剖面图;
图6是图1的D-D剖面图。
参照图1至图6，钻头体10为平顶型螺旋体结构，整个钻头体为140°螺旋体，锥体顶角为30°。锥体的上端为标准锥形接头丝扣1，以与钻铤相连接。钻头体10的内部有垂直圆柱形泥浆通道2。为减少钻头体表面侵蚀，其基体材料为硬质合金，并喷涂碳化钨耐磨涂层，以抵抗泥浆侵蚀。喷涂前需先用超声波清洗，并在充有氮气的电炉中加热至450℃，取出后立即用碳化钨粉末喷涂至2.0毫米以上的厚度。
钻头体10的锥型面四周间隔均匀地开有四条岩屑流槽12，自底部锥顶平面进口到上部锥冠11出口，由狭至宽，呈360°螺旋线上升，与切削元件3的上升螺旋线互相间隔平行。
在钻头体10的下部共设置四只泥浆喷嘴，其中喷嘴7位于锥顶平面上，而喷嘴5、6和8则分布在离锥顶平面距离不等的高度处。除喷嘴7外，其余喷嘴的方位均与钻头旋转所形成的侧面相平行，并避开螺旋线上升的岩屑流槽12和切削元件3的位置，但互相关连。四只喷嘴的位置在空间互成直角，使喷射力均衡，喷射方向与钻头旋转方向相反。
在锥顶平面上高密度地安装8个切削元件，在A-A剖面上共安装16个切削元件(参见图3)，在锥顶平面与保径部位9之间切削元件密度较低，在B-B剖面上有12个，C-C剖面上有11个，共安装23个切削元件(参见图4和图5)，而在保径部位的切削元件密度亦较高，共有20个切削元件(参见图6)。这些切削元件沿着钻头体表面形成四条与岩屑流槽互相间隔平行的360°螺旋形上升线。切削元件的侧倾角和后倾角互为直角，前者为70°，后者为20°。
切削元件系由聚晶金刚石复合材料制成，即在3.0毫米厚的碳化钨基底上复合一层直径约为13毫米、厚度约为0.5毫米的人造聚晶金刚石片，并在高温高压下结合成一个整体坯块。将此坯块焊接于硬质合金支持杆上，然后用插入式阻力装配在钻头体上。
以上切削元件和泥浆喷嘴的结构和尺寸均制成标准部件的规格。
钻头运转时，地面泥浆池的泥浆由泥浆泵输送，通过钻杆进入钻头体9中的泥浆通道2和喷嘴管通4，由喷嘴5、6、7和8高速向外喷射。除喷嘴7外，其余3个喷嘴均沿着钻头旋转所形成的侧面平行，但反方向地喷射，一方面使高速喷射的泥浆力量转变为凿岩的补充力量和更好地清除切削元件上的岩屑，并润滑和冷却钻头，然后泥浆从螺旋线上升的岩屑流槽12回到井口外面的泥浆池，如此反复循环，使钻头的钻进进尺不断增加。同时，向钻头旋转的反方向高速喷射之泥浆所产生与钻头旋转同向的转动力可减小钻头和钻杆所受的扭矩。
勘误表4 文件名称 页 行 补正前 补正后权利要求
书 1 15 …而所说锥头体为 …而所说钻头体为140°… 140°…说明书 1 3 …迄今为此… …迄今为止…1 11 …但这种钻头的的 …但这种钻头的头头部… 部…3 6 …转变成凿岩的的… …转变成凿岩的…3 倒4 …为平顶型螺旋体 …为平顶锥型螺旋… 体…4 倒2 头体9中的泥浆通 头体10中的泥浆通道2和喷嘴管通4 道2和喷嘴管道4… …
权利要求
1.一种油井钻头，它包括中间具有垂直泥浆通道2，周围开有岩屑流槽12的钻头体10，安装在钻头体10不同部位的泥浆喷嘴和切削元件3，以及钻头体上端的，用以与钻铤相连接的接头丝扣1等，其特征在于(1)所说钻头体10为平顶锥型螺旋体结构、整个钻头体为130°-180°的螺旋体；(2)所说切削元件3在钻头体10的锥型面上排列成四条呈310°-360°的螺旋形上升线；(3)所说岩屑流槽12从锥顶平面起，自狭至宽，亦形成四条均匀间隔的310°-360°的螺旋形上升线；(4)所说泥浆喷嘴中位于钻头体10之锥型面上的喷嘴5、6和8的方位与钻头旋转所形成的侧面相平行，但沿着与旋转相反的方向喷射。
2.根据权利要求
1所述的钻头，其特征在于所说锥型钻头体10的平顶锥角为30°，而所说锥头体为140°螺旋体。
3.根据权利要求
1所述的钻头，其特征在于所说切削元件3的侧倾角和后倾角互为直角。
4.根据权利要求
3所述的钻头，其特征在于所说切削元件3的后倾角为20°，侧倾角为70°。
5.根据权利要求
1、3或4所述的钻头，其特征在于所说切削元件3系采用碳化钨为基底的聚晶金刚石复合材料。
6.根据权利要求
1所述的钻头，其特征在于所说切削元件3在钻头体10的锥型面上排列成360°的螺旋形上升线。
7.根据权利要求
1所述的钻头，其特征在于所说岩屑流槽12在钻头体10上形成四条360°的螺旋形上升线。
8.根据权利要求
1或7所述的钻头，其特征在于所说岩屑流槽12的上升螺旋线与切削元件3的上升螺旋线互相间隔平行。
9.根据权利要求
1所述的钻头，其特征在于所说泥浆喷嘴5、6、7和8的位置在空间互成直角。
专利摘要
本发明提供一种新颖锥型螺旋体油井钻头，除钻头的整体结构是锥型螺旋体外，钻头体上切屑元件和岩屑流槽布置均互相间隔平行，呈螺旋形上升。而喷嘴的方位(除锥顶平面的喷嘴外)均与钻头旋转所形成的侧面平行，但沿着与旋转相反的方向喷射。这种钻头结构合理，能快速、有效地清除岩屑，避免产生重复研磨和发生泥包现象。同时高速喷射的泥浆力量及其反作用力有利于提高钻头的钻进进尺，减小钻头和钻杆的扭矩，延长钻头寿命。
文档编号E21B10/00GK87103863SQ87103863
公开日1988年12月14日 申请日期1987年5月26日
发明者吴匡 申请人:吴匡导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan