一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭的制作方法

文檔序號:10718630
一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭的制作方法
【專利摘要】本發明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域,也有重合點或重合區域。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,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。
【專利說明】
一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭
技術領域
[0001 ]本發明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。
【背景技術】
[0002]隨著套管開窗側鉆和老井的二次開發越來越多,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“隨鉆擴目艮”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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]與常規roc鉆頭一樣,現有的roc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)。在現有的roc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,開始切削井底巖石,并同時開始發生磨損。新鉆頭在理想工作狀態下(鉆頭中心與井眼中心重合的穩定鉆進狀態)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,如緩沖節或緩沖齒等)。
[0007]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。
[0008]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的曲線即為現有技術中鉆頭的切削輪廓線,區域A為領眼段,區域B為擴眼段。
[0009]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刀翼上主切削齒分布足夠密(能完全覆蓋該刀翼所在的井底徑向區域)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。
[0010]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(臨近規徑面的區域除外),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,僅在臨近規徑的區域可能有明顯差異。因此,基于實現同步切削原理的需要,現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。
[0011]在實用新型專利“具有二級齒結構的聚晶金剛石復合片鉆頭”(專利號為:ZL200620033337.3)和實用新型專利“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I3DC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。
[0012]與普通roc鉆頭類似,現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,切削齒的工作壽命又不夠。第二,鉆頭在硬地層、不均質地層中鉆進時切削齒常常受到較強的沖擊載荷,易發生少量甚至個別切削齒的脫落、斷裂、碎裂、金剛石層的崩裂等快速失效現象,這種現象一旦發生,將引發臨近區域切削齒因工作負荷增加而導致的連鎖失效,繼而產生環切現象,即鉆頭在該徑向區域內的切削齒的出露部分被全部或大部磨掉,并進而在鉆頭各刀翼本體上磨出環形槽。環切現象一旦出現,鉆頭上各刀翼的本體均直接與巖石形成面接觸,即便刀翼上的切削齒尚未全部磨完,但由于比壓嚴重降低,所以鉆頭的破巖效率會顯著下降。所以,當鉆頭上磨出環槽后,一般就認為鉆頭已喪失或接近喪失切削能力,不僅不能再入井使用,嚴重時甚至連修復(更換或翻新已磨損的切削齒)都難以實施。
[0013]為了解決上述問題,提高擴眼鉆頭在難鉆地層鉆進的破巖效率和工作壽命,本專利提出一種適用于難鉆地層的長壽命擴眼鉆頭及其設計方法。

【發明內容】

[0014]本發明的目的在于:一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭及其設計方法,能顯著提升鉆頭在復雜應用條件特別是高硬度、高研磨性、高不均質性等地層條件下的工作性能。
[0015]本發明目的通過下述技術方案來實現:
[0016]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(延伸自領眼體的刀翼即領眼段刀翼,延伸自擴眼體刀翼即擴眼段刀翼。擴眼體可為只有一級擴孔直徑的單級擴眼體,也可為具有至少2級擴孔直徑的多級擴眼體。領眼體和擴眼體可以是由螺紋連接而成的分體式結構,也可以是一體式結構)。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域(或稱為異廓區域),以及至少一個重合點或重合區域(或稱為同廓區域)。即,至少有一個領眼段刀翼的本體輪廓線與至少另外一個領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域(或稱為異廓區域),以及至少一個重合點或重合區域(或稱為同廓區域),或者,至少有一個擴眼段刀翼的本體輪廓線與至少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域(或稱為異廓區域),以及至少一個重合點或重合區域(或稱為同廓區域),或者,至少有一個領眼段和一個擴眼段刀翼的本體輪廓線與至少另外一個領眼段和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域(或稱為異廓區域),以及至少一個重合點或重合區域(或稱為同廓區域)一一因為,領眼段和擴眼段刀翼的空間位置不同,所以對于所謂“重合/不重合”的對比是領眼段刀翼與領眼段刀翼之間對比,擴眼段刀翼與擴眼段刀翼之間對比。同樣地,本專利中,涉及“重合/不重合”、“相互錯開”、“相似或相同”等概念的其他地方也均表示領眼段刀翼與領眼段刀翼之間對比,擴眼段刀翼與擴眼段刀翼之間對比,下文不再贅述。
[0017]對于本發明所涉及的鉆頭本體、領眼體、擴眼體、刀翼、刀翼布齒面、領眼段刀翼、擴眼段刀翼、水眼、噴嘴、刀翼本體輪廓線,乃至第一組切削齒,為本領域公知的概念,在此不做贅述,可以參考如圖13、圖14、圖20、圖22和圖23所示,為本發明擴眼鉆頭的結構示意圖,其中,I為鉆頭本體、Ia為鉆頭領眼體、Ib為鉆頭擴眼體、2為連接螺紋、3為刀翼、33為刀翼布齒面、41為第一組切削齒、6為水眼;7為噴嘴;如圖10、圖15所示,為本發明中各領眼段刀翼本體輪廓線示意圖,其中,32為領眼段刀翼本體輪廓線。
[0018]在現有的技術中,鉆頭上所有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,因而它們都屬于相同的一條曲線,或各為相同曲線上的一段。但在本發明中,各刀翼可以具有獨立的、不隸屬于同一回轉曲面的刀翼本體輪廓線,且至少有一個刀翼的本體輪廓線與至少另外一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內同時具有不重合區域和重合點或重合區域,其余不重合區域即為這些刀翼的異廓區域。
[0019]值得說明的是,刀翼的覆蓋范圍(也即刀翼的徑向切削工作范圍或區域)是指刀翼上最內側切削齒與最外側切削齒之間的徑向范圍。也可以用刀翼輪廓線起點與終點之間的徑向范圍作為刀翼的覆蓋范圍。本文中所述的共同覆蓋范圍,是指兩個或兩個以上刀翼相重疊的(即共同負責的)徑向工作區域,如圖5(a)所示的雙向箭頭所指區域的共同覆蓋范圍a和圖5(b)所示的雙向箭頭所指區域的共同覆蓋范圍b,其中圖5(a)所示為同一鉆頭上一個長刀翼(主刀翼)和一個短刀翼(副刀翼)的本體輪廓線示意圖,圖5(b)所示為同一鉆頭上兩個長刀翼(主刀翼)的本體輪廓線示意圖,顯然,圖5(a)和圖5(b)所表示刀翼共同覆蓋范圍是不同的。進一步地,各刀翼本體輪廓線在其共同覆蓋范圍內的重合點可以是各曲線的交點,也可以是曲線之間的切點,如圖5(a)中陰影部分34所示的交點和切點;各刀翼本體輪廓線在其共同覆蓋范圍內的重合區域即為各刀翼本體輪廓線重合或基本重合的部分,如圖5(a)、圖5(b)中陰影部分34所示的重合區域;另一方面,在共同覆蓋范圍內,刀翼本體輪廓線上除開重合點和重合區域(亦稱為同廓區域)的部分即為刀翼本體輪廓線的不重合區域(亦稱為異廓區域)。除重合點外,不重合區域以及重合區域的寬度定義為其沿鉆頭徑向所占寬度。
[0020]在現有技術中,鉆頭上各個刀翼的切削輪廓線通常在井底覆蓋圖中重合為同一曲線。而在本發明中,具有不重合區域的各刀翼本體輪廓線將會自然形成具有不重合區域的刀翼切削輪廓線。鉆頭的切削輪廓線實際上就是各刀翼切削輪廓線在同一軸面內疊加后形成的,如圖11、圖16和圖17所示,其中標號11的曲線即為鉆頭切削輪廓線,標號31的曲線即為刀翼切削輪廓線。若某一個刀翼的本體輪廓線與另一個刀翼的本體輪廓線在共同覆蓋范圍內同時具有異廓區域和同廓區域,則這兩個刀翼的切削輪廓線也就必然存在重合區域和不重合區域。在刀翼切削輪廓線相重合的區域,刀翼上的切削齒是同步工作的,故稱該區域為同步切削區域(簡稱同步區域);同理,在刀翼切削輪廓線不重合的區域,刀翼上的切削齒工作不同步,故該區域為異步切削區域(簡稱異步區域)。顯然,刀翼本體輪廓線的異廓區域對應于刀翼切削輪廓線的異步區域,同廓區域則與同步區域相對應。
[0021]對具有異步區域的兩個刀翼而言,兩刀翼異步區域的切削齒并非同時開始進入切削工作,而是部分切削齒(離井底更近的切削齒)先開始切削巖石,隨著切削齒的磨損,其它切削齒(異步區域的切削齒)才能接觸到巖石并開始切削巖石工作。具有這種異步區域切削齒不同步工作特點的刀翼稱為異步切削刀翼(簡稱異步刀翼)。包含異步刀翼的鉆頭稱為異步切削鉆頭(簡稱異步鉆頭)。
[0022]對于異步鉆頭,如果其上某異步刀翼的切削輪廓線上只有單個點或者單個很窄的區域與鉆頭切削輪廓線相重合或基本重合,則意味著該刀翼的切削輪廓線在這個點或者很窄區域所在的位置上是外凸的。顯然,在凸起部位的切削齒是從一開始就工作,隨著這個或這些齒的不斷磨損,刀翼上離井底較遠的切削齒才逐漸開始接觸并切削巖石。同樣,如果某異步刀翼的切削輪廓線上有若干個點或若干相互間斷的局部區域與鉆頭切削輪廓線相重合,則該刀翼的切削輪廓線在這些位置是局部外凸的,而其余區域則相對鉆頭切削輪廓線較遠,故在鉆頭的鉆進過程之初,只有這些外凸部位的切削齒在切削巖石,其余離井底較遠的切削齒則在外凸部位切削齒磨損至一定程度后才逐漸進入切削巖石的過程,從而實現同一刀翼上不同部位切削齒的分階段工作。顯然,異步刀翼實質上就是具有局部切削特征的刀翼,當刀翼承擔的鉆壓相同時,這種刀翼在局部切削區域內作用于巖石的比壓明顯高過常規刀翼。異步刀翼數越多,這種提升比壓的效用(簡稱增壓效用)越顯著。如果鉆頭全部刀翼都采用異步刀翼,則此時鉆頭可稱為全異步鉆頭,其增壓效用更加突出,十分有利于提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力。
[0023]與前述內容相應,若異步刀翼上參與初始切削的有若干局部區域,則其切削輪廓線在這些局部區域應是外凸的,相應位置的刀翼本體輪廓線自然也外凸。也就是說,刀翼本體輪廓線上具有若干個局部凸起,從而使刀翼本體輪廓呈現峰巒或波浪起伏狀的形狀特征,如圖6、圖11和圖16所示。對兩個本體輪廓形狀不相同的異步刀翼而言,刀翼上的局部凸起越多,則在其共同覆蓋區域之內,兩刀翼本體輪廓線之間的交叉或相交點就越多。若將鉆頭上多個異步刀翼的局部凸起交錯分布,就能利用相互交疊的多個局部凸起完成對井底部分甚至全部徑向區域的覆蓋。在鉆井過程中,只要鉆頭上的局部凸起未被磨平,增壓效應就不同程度地存在著。此外,局部凸起的高度可以顯著地高于切削齒的直徑(圓齒)或工作高度(非圓齒),高度越大,不僅刀翼的增壓切削作用時效越長,另一方面刀翼本體輪廓線的長度也越長,自然地同一刀翼上的布齒區域就越大,切削齒數量也就越多,齒數增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配,從而在增加了刀翼鉆進比壓的基礎上延長了異步鉆頭的工作壽命O
[0024]因此,根據以上對本發明目的和原理的闡述,可以理解和確認的是,本發明所界定的“刀翼的本體輪廓線與其他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域(或稱為異廓區域)”不應該做絕對的理解,即不應該把現有技術中可能存在的,某些無意識下或偶然下或出于與本發明毫不相關的其他目的下導致的刀翼的本體輪廓線與其他刀翼的本體輪廓線存在較小程度的不重合涵蓋在內;本領域技術人員基于前述本發明目的和原理的闡述,根據掌握的現有技術、公知常識,對于所述“不重合區域”的程度顯然能夠正確理解,無需特別予以界定;通常而言,為了較好地實現本發明的“提升鉆頭在難鉆地層侵入巖石的能力”目的,這個不重合區域占整個共同覆蓋范圍區域的比例宜不小于25%
[0025]作為優選,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曲線外凸部分頂點沿鉆頭徑向的徑向位置不相同,所述各擴眼段刀翼本體輪廓線曲線外凸部分頂點的軸向位置不相同。
[0026]本方案中,刀翼本體輪廓線外凸區域實質上僅有一部分對應于刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相重合的區域(同步區域);而刀翼本體輪廓線上的其余區域對應于刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線不重合的區域(異步區域)。兩個刀翼外凸部分的頂點的徑向位置不相同,在設計時就可以使刀翼切削輪廓線在頂點相應位置與鉆頭切削輪廓線相重合,此時兩個刀翼頂點及臨近位置的切削齒就成為初始參與工作的切削齒,而遠離該區域的切削齒(同步區域除外)暫不參加切削工作。這樣,作用在初始工作切削齒上的比壓高于常規鉆頭,有利于提尚鉆頭侵入巖石的能力。
[0027]作為優選,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。
[0028]與前述方案中僅有的整體或大部分外凸的刀翼本體輪廓線不同,本方案中的刀翼本體輪廓線具有多個局部凸起,因此,各局部凸起的分布可以有不同的情況,以領眼段刀翼本體輪廓線為例,如圖4所示,其中,圖4(a)所示為各領眼段刀翼本體輪廓線局部凸起沿鉆頭徑向分布,且不同刀翼本體輪廓線上局部凸起沿鉆頭徑向(圖中箭頭A方向)部分或全部錯開;圖4(b)所示為各各領眼段刀翼本體輪廓線局部凸起沿鉆頭切削輪廓線分布,且不同刀翼本體輪廓線上局部凸起沿鉆頭切削輪廓線(圖中箭頭B方向)部分或全部錯開。值得說明的是,圖4(a)和圖4(b)中所表示的局部凸起分布以及錯開方式僅為兩種較為典型的分布方式,但并不局限于該兩種方式。
[0029]上述方案中,刀翼本體輪廓線為具有一個或多個局部凸起的曲線,在設計時就可以使刀翼切削輪廓線在局部凸起的頂點相應位置與鉆頭切削輪廓線相重合,此時各刀翼局部凸起的頂點及臨近位置的切削齒就成為初始參與工作的切削齒,而遠離該區域的切削齒(同步區域除外)暫不參加切削工作。這樣的結構使鉆頭在鉆進過程中,同一時刻刀翼上只有局部凸起的頂部的部分切削齒接觸井底,減小了鉆頭與巖石的接觸面積,切削齒上的比壓高于常規鉆頭,使鉆頭能有效的吃入地層;即使鉆頭發生磨損,造成部分切削齒被破壞,仍然會有其余未被磨損的部分切削齒相繼接觸井底,投入切削工作,保證鉆頭鉆進全過程都是尚比壓,有利于鉆頭機械鉆速的提尚。
[0030]其次,起伏的刀翼本體輪廓線不僅使得同一刀翼本體輪廓線上的切削齒分階段參與破巖,也使其布齒長度更長,自然地同一刀翼上的布齒數量就更多,齒數增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配,從而在增加了刀翼鉆進比壓的基礎上延長了鉆頭的工作壽命。
[0031]同時,刀翼上有若干個局部凸起的存在,增加了鉆頭的排肩空間,減少巖肩在切削齒附近的堆積,有利于切削齒的散熱與冷卻,減少切削齒的熱磨損,從另一方面提升了鉆頭的工作性能。
[0032]作為優選,至少有40%數量的領眼段和/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。
[0033]上述方案中,異廓的刀翼數量若保持在一定比例范圍,能夠更好、更科學地發揮異廓刀翼的異步切削作用。顯然,在該方案中40%的比例可能會導致一個非整數的結果,此時,根據常識的理解,需要進行圓整:例如,鉆頭總共有6個刀翼,那么40%就是2.4,圓整為2個刀翼。
[0034]作為優選,至少有兩個領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,且所述曲線的不重合區域寬度至少占鉆頭半徑的四分之一。
[0035]上述方案中,異步區域范圍若保持在一定比例,能夠更好地發揮鉆頭的異步切削作用。增加異步區域的寬度能夠讓鉆頭各個區域內切削齒的壽命相互匹配,達到降低鉆進成本的目的。
[0036]作為優選,至少有兩個領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,且所述曲線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區域。
[0037]PDC鉆頭在冠頂一般設在鉆頭三分之一半徑以外的徑向區域,冠頂(也稱鼻部)以及以及冠頂以外區域(外錐部和肩部)的切削齒磨損速度較快。一方面,冠頂區域的切削齒位于鉆頭的最低端,對地層巖性的變化(如軟硬交替地層等)較為敏感,鉆頭在穿越軟硬交替的界面時,容易造成冠頂區域切削齒的過載而發生崩損等失效現象。另一方面,冠頂以外區域的切削齒在切削巖石的過程中運動速度較高,在硬地層和不均質地層鉆進時切削齒沖擊載荷相對較大,摩擦生熱也比較嚴重,所以其磨損失效的速度明顯高于靠近中心部位的切削齒。采用上述方案,異步區域能覆蓋鉆頭上切削齒失效速度快的區域,從而顯著提高鉆頭在這些部位的可磨損高度、增加切削結構侵入巖石的能力,提升鉆頭壽命,降低鉆進成本。
[0038]作為優選,至少有兩個領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,且所述曲線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭三分之二半徑以內的徑向區域。
[0039]在某些特殊工況下,如復合鉆井過程中,鉆頭運動條件復雜,不僅存在橫向振動,而且存在擺振,且鉆頭可能處于與井眼中心線不平行的工作狀態。在這種條件下,鉆頭內部區域的切削齒容易因偏載而發生快速磨損。由于PDC鉆頭的內部區域齒數較少,所以,一旦個別齒失效,很容易發生連鎖反應,導致內部環切失效現象的發生,這種失效現象俗稱“掏心”現象。該方案中,將異步區域布置在鉆頭三分之二半徑以內的區域,能夠顯著提高鉆頭在這些部位的可磨損高度,從而延長了 roc鉆頭在復合鉆井等特殊復雜工況下的使用壽命,減少甚至避免掏心現象的發生。
[0040]作為優選,至少50%數量的領眼段和/或擴眼段刀翼本體輪廓線的局部凸起形狀相似或相同。
[0041]顯然,在該方案中50%的比例可能會導致一個非整數的結果,此時,需要進行圓整。例如,鉆頭總共有5個刀翼本體輪廓線,那么50 %就是2.5,圓整為2個刀翼本體輪廓線。
[0042]作為優選,所有領眼段刀翼本體輪廓線局部凸起的高度不低于8mm。
[0043]作為優選,至少有兩個領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,所述曲線之間不重合區域分布于鉆頭徑向三分之一以外區域,且局部凸起的高度自鉆頭中心向外逐漸變大。
[0044]該方案中,領眼段刀翼本體輪廓線局部凸起的高度自鉆頭中心向外逐漸變大,使得鉆頭能夠更好地適應高研磨性地層、礫石層等難鉆地層,并在復合鉆井等高轉速工況下,利用異步切削原理延長這些區域切削齒的工作壽命。
[0045]作為優選,異廓刀翼在鉆頭領眼段冠頂區域或鼻部區域的局部凸起高度大于其他區域。
[0046]在鉆頭穿越夾層、礫石層等不均質地層條件時,鉆頭的鼻部、肩部往往承載大量破巖載荷、功耗,使得這些部位的切削齒快速磨損,進而使鉆頭過早失效。該方案中,通過增高鉆頭冠頂區域或鼻部區域的局部凸起,不僅提升了鉆頭在這些部位的巖石吃入能力,也增加了其磨損長度,從而在提升鉆進效率的基礎上延長了鉆頭壽命。
[0047]作為優選,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,所述各領眼段和/或兩擴眼段刀翼本體輪廓線之間至少有一個局部凸起相互重合或基本重合,且不同刀翼本體輪廓線之間布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯開。
[0048]作為優選,至少有一個領眼段和/或擴眼段刀翼同時具有前置刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼本體輪廓線,前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線。優選,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。
[0049]上述方案實質上是將兩個異步刀翼的切削結構合并在一個刀翼體上。該方案中,同一刀翼上沿兩條不同的刀翼本體輪廓線設置有至少兩排切削齒,因此可以不增加刀翼數量的條件下,增加鉆頭的布齒密度,強化鉆頭的異步切削結構,同時也利于擴大鉆頭的流道,更充分、有效地利用鉆頭工作空間,提高鉆頭的綜合性能。
[0050]作為優選,至少有一個領眼段和/或擴眼段刀翼同時具有前置刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼本體輪廓線,前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線,所述領眼段和/或擴眼段刀翼本體輪廓線上至少各有一個局部凸起相互重合或基本重合,且不同刀翼本體輪廓線上布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯開。這樣能使鉆頭上特殊部位的異步切削結構得到加強。
[0051]作為優選,所述領眼段刀翼上設置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組切削齒,或者至少一個空槽或/和固定于空槽內的第二組切削齒。
[0052]該方案中,相對于刀翼本體輪廓線其出露高度小于或等于零的第二組切削齒和空槽(包括內置齒和內置表鑲齒等)以混合的方式同時布置于刀翼體,不僅能大大增加刀翼的磨損長度,也有效利用了刀翼體空間,在確保鉆進比壓的同時,進一步地延長了鉆頭壽命。
[0053]作為優選,所述領眼段刀翼本體輪廓線上整體或大部分外凸或局部凸起對應的刀翼區域內布置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組切削齒,或者至少一個空槽或/和固定于空槽內的第二組切削齒。
[0054]該方案中,由于刀翼體的局部凸起鉆進比壓高,切削齒布置數量較少,因此相對普通刀翼更容易磨損,這部分刀翼體磨損后,該區域設置空槽可使已磨損的切削齒在外部載荷下迅速脫離刀翼體,進而暴露出空槽以及第二組切削齒,對已磨損區域進行修復,在保證了鉆頭使用壽命的基礎上,對鉆頭切削巖石的能力進行了更新。
[0055]作為優選,對應于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相切。
[0056]作為優選,對應于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線部分重合。
[0057]作為優選,所述擴眼鉆頭為階梯(同心)擴眼鉆頭(單級或多級)。階梯(同心)隨鉆擴眼鉆頭通過擴眼段在井底產生擴眼臺階,臺階處的巖石更易破碎使得更多的鉆壓得以分配到領眼段,增加破巖效率的同時也提升了井身質量。
[0058]作為優選,所述擴眼鉆頭為雙心擴眼鉆頭(單級或多級)。雙心隨鉆擴眼鉆頭常常用于老井深鉆、側鉆等條件下的隨鉆擴眼施工,具有安全可靠、機械鉆速高、鉆壓和扭矩較小等優點。
[0059]作為優選,所述切削齒為聚晶金剛石復合片、聚晶金剛石復合齒、熱穩定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒或包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。
[0060]前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案,均為本發明可采用并要求保護的方案;且本發明,(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本發明方案后根據現有技術和公知常識可明了有多種組合,均為本發明所要保護的技術方案,在此不做窮舉。
[0061]名詞解釋:
[0062]切削齒的出露高度:是指切削齒刃的最高點到刀翼本體輪廓線上的距離。出露高度可以是正、是負,也可以等于零,當切削齒刃暴露于刀翼本體之外時,齒的出露高度為正值。
[0063]第一組切削齒:布置于刀翼體布齒面上出露高度大于零的切削齒。
[0064]第二組切削齒:布置于刀翼上,且相對于刀翼本體輪廓線出露高度小于或等于零的切削齒。內鑲齒以及內置表鑲齒等等均屬于第二組切削齒。
[0065]內鑲齒:相對于刀翼本體輪廓線出露高度小于等于零的切削齒,切削齒除了切削工作平面以外的其它表面(主要是側面和底部端面)與刀翼體全面接觸,并依靠這種接觸關系實現切削齒的固結。
[0066]空槽:設置于第一組切削下方的刀翼體上,可以為貫通槽,也可為非貫通的盲槽??詹鄣淖饔靡皇强梢云鸬綔p小鉆頭磨損后刀翼本體所承擔的對切削巖石不利的無效鉆壓,二是為內置表鑲齒提供了布齒空間。
[0067]內置表鑲齒:固定于刀翼體上設置的空槽內,并且其齒刃出露于其所在空槽表面的切削齒。當內置表鑲齒前方的第一組切削齒和刀翼本體完全磨損后,內置表鑲齒能像第一組切削齒那樣以表鑲齒的高比壓方式切削巖石,使鉆頭的切削效率得到一定程度的恢復。
[0068]布齒軸面或軸面:通過鉆頭中心軸線的平面,主要用于表達鉆頭上各切削齒的徑向和軸向位置,以及切削齒對井底巖石的覆蓋情況,以及井底的基本輪廓特征。
[0069]井底覆蓋圖: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。因為軸面布齒圖能準確反映鉆頭上切削齒對井底巖石的覆蓋情況,故又叫井底覆蓋布齒圖,簡稱覆蓋布齒圖或井底覆蓋圖。
[0070]鉆頭切削輪廓線:在井底覆蓋圖中,作一條與所有主切削齒的軸面輪廓線相切的外包絡曲線,即為鉆頭切削輪廓線。該曲線表征了鉆頭所鉆出井底的基本輪廓特征。
[0071]刀翼切削輪廓線:在鉆頭的井底覆蓋圖中,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,該包絡線即為該刀翼的切削輪廓線。
[0072]刀翼本體輪廓線:在定義布齒軸面內,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空間曲面,該空間曲面與軸面的交線即為刀翼的本體輪廓線。
[0073]前置、后置刀翼本體輪廓線:若將兩個或更多的各自具有刀翼本體輪廓線的相鄰刀翼合并為同一刀翼,則合并后的刀翼體上就會出現多條刀翼本體輪廓線,這種情況下,沿鉆頭旋轉方向最前沿的稱為前置刀翼本體輪廓線,其余均為后置刀翼輪廓線。同一刀翼體上的相鄰刀翼本體輪廓線之間也可設置流道、水眼以及噴嘴等必要結構。
[0074]與現有技術相比,本發明的有益效果在于:
[0075](I)本發明中各異廓刀翼本體輪廓線為為高低起伏且彼此交錯的曲線,該曲線是由多個局部凸起連接而成。一方面異廓刀翼上的部分切削齒接觸井底,減小了切削齒與巖石的接觸面積,切削齒產生高比壓,使鉆頭有效的吃入地層。另一方面,鉆頭即使有磨損的情況下,仍然僅有部分切削齒接觸井底,使得鉆頭在整個鉆進過程都處于高比壓鉆進狀態,有利于鉆頭在尚強度、尚研磨性地層機械鉆速的提尚。
[0076](2)本發明鉆頭的刀翼本體輪廓線不相同,在鉆頭覆蓋區域內形成疊加,能夠增加鉆頭的軸向磨損體積,延長鉆頭的使用壽命;即使出現個別切削齒失效或磨損,也不易造成失效齒井底環帶附近切削齒的連鎖失效,能有效避免各刀翼本體在相同徑向區域同時發生與井底巖石接觸的狀況,有利于防止鉆頭因環切現象而導致失效。
[0077](3)起伏的刀翼本體輪廓線長度更長,自然地同一刀翼上的布齒數量就更多,齒數增加與切削齒分階段工作的特征相互匹配,從而在提高了刀翼鉆進比壓的基礎上延長了鉆頭的工作壽命。
[0078](4)本發明將領眼段刀翼本體輪廓線的異廓區域設置在鉆頭三分之一半徑以外的徑向區域,能增加鉆頭冠頂以及以外區域的耐磨壽命,從而使鉆頭在難鉆地層鉆進的工作性能得到提升。
[0079](5)本發明將領眼段刀翼本體輪廓線的異廓區域設置在鉆頭三分之二半徑以內的徑向區域,能增加鉆頭冠頂以及以內區域的耐磨壽命,有利于減少甚至避免鉆頭在定向、復合等復雜鉆井條件下的心部失效(掏心)現象,提高鉆頭工作能力。
[0080](6)本發明在鉆頭刀翼本體上設置第二組切削齒,使鉆頭在第一組切削齒失效后仍能持續工作,且切削齒比壓高于同等條件下的常規鉆頭,有利于提升鉆頭的工作壽命和破巖效率。
[0081 ] (7)本發明能減少鉆頭對地層條件的敏感性,拓寬鉆頭對地層的適應范圍(從軟地層到硬地層),在軟地層中,局部凸起附近的切削齒可以看做一個大的切削元件來刮切地層,獲得較高的機械鉆速和鉆井效率;在硬地層中,依靠全程高比壓和軸向多層可磨損體積,獲得較高的機械鉆速和使用壽命。
【附圖說明】
[0082]圖1是本發明實施例一中難鉆地層長壽命擴眼鉆頭的結構示意圖。
[0083]圖2是現有技術中擴眼鉆頭的井底覆蓋圖。
[0084]圖3是本發明實施例一中擴眼鉆頭領眼段整體外凸和大部分外凸的刀翼本體輪廓線示意圖。
[0085]圖4是本發明中擴眼鉆頭領眼段刀翼本體輪廓線局部凸起沿鉆頭徑向和沿鉆頭切削輪廓線相互錯開分布的示意圖。
[0086]圖5是本發明中擴眼鉆頭領眼段刀翼本體輪廓線的共同覆蓋區域、重合點、重合區域以及不重合區域的示意圖。
[0087]圖6是本發明實施例一中具有多個局部凸起的領眼段刀翼本體輪廓線示意圖。
[0088]圖7是本發明中凸起界點以及凸起寬度、凸起高度的定義示意圖。
[0089]圖8是本發明實施例二中領眼段異步刀翼的布齒示意圖。
[0090]圖9是本發明實施例三中領眼段異步刀翼的布齒示意圖。
[0091]圖10是本發明實施例四中領眼段異步刀翼本體輪廓線示意圖。
[0092]圖11是本發明實施例四中各領眼段異步刀翼的布齒示意圖和刀翼本體輪廓線示意圖。
[0093]圖12是本發明實施例四擴眼鉆頭領眼段井底覆蓋圖以及領眼段切削輪廓示意圖。
[0094]圖13是本發明實施例五的結構示意圖。
[0095]圖14是本發明實施例六的結構示意圖。
[0096]圖15是本發明實施例七中各領眼段異步刀翼本體輪廓線示意圖。
[0097]圖16是本發明實施例七中各領眼段異步刀翼的布齒示意圖和領眼段刀翼本體輪廓線示意圖。
[0098]圖17是本發明實施例七中領眼段刀翼I局部凸起的局部放大視圖。
[0099]圖18是圖16中領眼段刀翼I的A-A剖視圖。
[0100]圖19是本發明實施例七的領眼段井底覆蓋圖以及切削輪廓圖。
[0101]圖20是本發明實施例八的結構示意圖。
[0102]圖21本發明實施例八同一領眼段刀翼上前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線示意圖。
[0103]圖22是本發明實施例九的結構示意圖。
[0104]圖23是本發明實施例十的結構示意圖。
[0105]圖24是本發明實施例十一的結構示意圖。
[0106]圖中:1、擴眼鉆頭本體;la、擴眼鉆頭領眼體;lb、擴眼鉆頭擴眼體;11、鉆頭切削輪廓線;2、連接螺紋;3、刀翼;31、刀翼切削輪廓線;32、刀翼本體輪廓線;32a、(前置)刀翼本體輪廓線;32b、后置刀翼本體輪廓線;321、刀翼本體輪廓線的凸起部分;322、凸起界點;323、凸起頂點;33、刀翼布齒面;34、刀翼本體輪廓線重合點或重合區域;41、第一組切削齒;42a、內置表鑲齒;42b、內鑲齒;5、空槽;6、水眼;7、噴嘴。
【具體實施方式】
[0107]下列非限制性實施例用于說明本發明。
[0108]實施例1:
[0109]如圖1至圖24所示,一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭,包括由領眼體Ia和擴眼體Ib構成的鉆頭本體I和延伸自本體的多個刀翼3,刀翼3上設置有若干個第一組切削齒41,刀翼3布齒面33上設置凹窩用以固定第一組切削齒41,在刀翼之間的流道中設置有水眼6或噴嘴7,至少有一個領眼段和/或擴眼段刀翼3的本體輪廓線32(可以包含前置刀翼本體輪廓線32a和后置刀翼本體輪廓線32b)與至少另外一個領眼段和/或擴眼段刀翼3的本體輪廓線32在共同覆蓋范圍內具有至少一個不重合區域,以及至少一個重合點或重合區域。所述第一組切削齒41可以為聚晶金剛石復合片、聚晶金剛石復合齒、熱穩定聚晶金剛石切削齒、天然金剛石切削齒、孕鑲金剛石切削齒、硬質合金切削齒、立方氮化硼切削齒、陶瓷切削齒或包含金剛石或立方氮化硼的切削齒。
[0110]所述刀翼3的本體輪廓線可以是僅有一個整體或大部分外凸的單峰曲線,以領眼段刀翼為例,如圖3所示,也可以是如圖6所示的具有多個局部凸起的多峰曲線,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,本專利中鉆頭覆蓋圖、刀翼本體輪廓線圖等在鉆頭軸面內表示的示意圖中所指的鉆頭徑向、軸向均應如此理解,不再贅述。以鉆頭的鉆進方向為縱坐標軸,徑向為橫坐標軸。整體或大部分外凸是指單個刀翼本體輪廓線上的整段或大部分(外凸部分寬度與鉆頭半徑之比大于1/2)是一條呈外凸形的曲線,該曲線由一個或多個外凸曲線段與一個或多個直線段連接而成?,F有roc鉆頭的本體輪廓曲線一般是由一個圓弧段和與之光滑連接的另一個不同的圓弧段或直線段構成(如圖3中的虛線所示),其外凸的頂部區域被稱為鉆頭的“冠頂”區域或鼻部區域?,F有PDC鉆頭所常用的本體輪廓曲線主要包括以下幾種類型(不計與鉆頭規徑相接處的小倒角):雙錐型:直線(內錐)+圓弧(鼻部)+直線(外肩部);單圓弧型:直線(內錐)+圓弧(鼻部和外肩部);雙圓弧型:直線(內錐)+圓弧(鼻部)+圓弧(外肩部)。這幾類輪廓曲線都屬于整體或大部分外凸的情況,更具體地說,均為整體外凸的單峰曲線。如圖3(a)、圖3(b)所示,其中圖3(a)中所示的刀翼本體輪廓線為整體外凸的曲線,圖3(b)中所示的刀翼本體輪廓線為大部分外凸的曲線,標號32c的曲線為現有技術中常規刀翼的本體輪廓線,在此以虛線形式標出,以便凸顯本發明中所述的整體或大部分外凸刀翼本體輪廓線的特征。圖8、圖9所示的幾種情況是本發明中擴眼鉆頭各領眼段刀翼本體輪廓線整體或大部分外凸部分的頂點的徑向位置不相同的參考例。
[0111]本發明中的局部凸起,是指設置在單個刀翼本體輪廓線上局部區域(凸起部分寬度與鉆頭半徑之比小于或等于1/2)的凸起部分321,每一個凸起部分稱為一個局部凸起。構成局部凸起的曲線可以是光滑曲線,也可以是非光滑曲線。如圖6(a)、(b)、(c)中所示的幾種情況,其中標號32c的曲線為現有技術中常規刀翼的本體輪廓線,以虛線形式標出,以便凸顯本發明中所述的具有多個局部凸起的刀翼本體輪廓線的特征。局部凸起可以是連續曲線上的波峰及其附近區域,如圖6(a),也可以是多段曲線上的凸包形狀曲線,如圖6(b),還可以是矩形、梯形等折線形狀的凸起,如圖6(c),以及其他形狀的曲線形式,在此僅列出其中較為典型的部分形式。各曲線局部凸起沿鉆頭徑向部分(優選大部分)或全部相互錯開的方式分布,可以參考圖1O、圖15所示的兩種情況。
[0112]整體或大部分外凸,或局部凸起的凸起區域的界定,以及進一步凸起的寬度和高度的定義如下:以凸起區域界點為計算基準,任一凸起區域都包含兩個界點。進一步地,對于整體外凸的區域,其凸起界點應分別為刀翼本體輪廓線靠近鉆頭心部的端點以及刀翼本體輪廓線冠部與保徑區域的分界點,如圖7(a)中所示的點322;對于大部分外凸或局部凸起的區域,若整個凸起居于同一條平滑曲線的兩個波谷之間,那么這兩個波谷必有一條公切線以及內外兩個切點,這兩個切點即為其凸起界點,如圖7(b)中所示的點322;若整個凸起兩端為不同曲線段的非光滑連接點,則此連接點即作為該凸起的界點,如圖7(c)中所示的點322;若某個凸起的一側為具有波谷的連續平滑曲線,另一側為前文所述的曲線段非光滑連接點,則該連接點首先作為其界點之一,另一界點即為自該點向凸起另一側平滑曲線段波谷處所作切線的切點,如圖7(d)中所示的點322。據此,某凸起(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的寬度定義為該凸起兩側界點連線之長度,如圖7中所示的W,其高度則定義為凸起曲線上的點至兩側界點連線的最遠距離,如圖7中所示的H,凸起曲線上取得該最遠距離的點即為該凸起的頂點。需要說明的是,由于凸起的形狀可以有很多的變化情況,上述定義雖然只是針對有限的幾種凸起形狀做出的,但其基本精神同樣適用于不同形狀凸起(包括整體外凸、大部分外凸以及局部凸起)的其它情況。
[0113]作為上述實施方案的進一步改進,所述刀翼3上可以根據實際需求在刀翼特定位置布置內鑲齒42b、空槽5以及內置表鑲齒42a中的一種或多種的一個或多個作為第二組切削齒。
[0114]作為上述實施方案的進一步改進,同一刀翼3同時具備一條刀翼本體輪廓線32a和至少一條后置刀翼輪廓線32b,且沿刀翼本體輪廓線32a和刀翼附加輪廓線32b固定有總共至少兩排第一組切削齒41。
[0115]實施例二
[0116]如圖8所示,為本例擴眼鉆頭領眼段上其中某兩個異步刀翼的布齒示意圖,在本實施例中,兩個領眼段刀翼3均覆蓋全部徑向區域,其本體輪廓線32均為整體外凸的曲線,且二刀翼本體輪廓線在鉆頭心部區域重合,在外側區域不重合,兩刀翼的外凸頂點323在同一鉆頭軸面內相互錯開。
[0117]實施例三
[0118]如圖9(a)、圖9(b)所示,為本實施例鉆頭上其中某三個領眼段異步刀翼的布齒示意圖,在本實施例中,所述三個領眼段刀翼3的本體輪廓線32為整體外凸的單峰曲線,其凸起部分321的覆蓋區域為鉆頭的中心至邊緣的整個徑向區域,且不同刀翼3的外凸部分321的頂點323在同一鉆頭軸面內相互錯開。其中,圖9(a)所示的刀翼本體輪廓線為直線與圓弧連接而成的外凸區域較為尖銳的曲線,圖9(b)所示的刀翼本體輪廓線為圓弧或近似圓弧形成的較為平滑的曲線。
[0119]實施例四
[0120]如圖10-12所示,本實施例與實施例一基本相同,其區別在于:所述領眼段刀翼3的本體輪廓線32為具有多個凸起部分321(局部凸起)的多峰曲線,不同刀翼的局部凸起在同一鉆頭軸面內相互錯開,且對應于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線相切。其中,圖10為本實施例中各領眼段異步刀翼的本體輪廓線在同一軸面內的示意圖;圖11是本實施例中各領眼段異步刀翼的布齒示意圖和刀翼本體輪廓線示意圖;圖12是本實施例中擴眼鉆頭領眼段的井底覆蓋圖和切削輪廓示意圖。
[0121]上述任一刀翼的本體輪廓線32都不相同,所述刀翼3的本體輪廓線32上至少有兩個局部凸起,局部凸起的高度大于等于8_。
[0122]實施例五
[0123]如圖13所示,為本實施例的鉆頭結構示意圖,本實施例與實施例四基本相同,其區別在于:所述領眼段刀翼本體輪廓線凸起部分321(局部凸起)的形狀為梯形或近似梯形,且對應于刀翼本體輪廓線局部凸起的刀翼切削輪廓線與鉆頭切削輪廓線部分重合。
[0124]實施例六
[0125]如圖14所示,為本實施例的鉆頭結構示意圖,本實施例與實施例四基本相同,其區別在于:所述領眼段刀翼3上設置有內鑲齒42b,作為擴眼鉆頭領眼段的第二組切削齒。
[0126]實施例七
[0127]如圖15-19示,本實施例與實施例四基本相同,其區別在于:所述領眼段刀翼3的凸起部分321(局部凸起)及其附近區域設置有空槽5及內置表鑲齒42a,作為擴眼鉆頭領眼段的第二組切削齒。其中,空槽5可以是如圖12(a)中貫穿刀翼前后側面的通槽,也可以是如圖12(b)中凹入刀翼前側面的凹槽。其中,圖15是本實施例中鉆頭各領眼段異步刀翼的本體輪廓線示意圖;圖16是本實施例中各領眼段異步刀翼的布齒示意圖和刀翼本體輪廓線示意圖;圖17是本實施例中領眼段刀翼I局部凸起的局部放大視圖;圖18是圖16中領眼段刀翼I的A-A剖視圖;圖19是本實施例中擴眼鉆頭領眼段的井底覆蓋圖以及切削輪廓示意圖。
[0128]實施例八
[0129]如圖20、圖21所示,本實施例與實施例四基本相同,其區別在于:同一領眼段刀翼3具備一條前置刀翼本體輪廓線32a和至少一條后置刀翼附加輪廓線32b,且沿前置刀翼本體輪廓線32a和后置刀翼附加輪廓線32b固定有至少兩排第一組切削齒41。其中,圖20是本實施例中的擴眼鉆頭結構示意圖;圖21是圖20所示擴眼鉆頭領眼段上某兩異步刀翼的本體輪廓線示意圖。
[0130]實施例九
[0131]如圖22所示,本實施例與實施例一基本相同,其區別在于:所述擴眼段刀翼3的本體輪廓線32為具有多個局部凸起321的曲線,且不同擴眼段刀翼本體輪廓線32的局部凸起321沿鉆頭切削輪廓線11相互錯開。
[0132]實施例十
[0133]如圖23所示,為本實施例與實施例一基本相同,其區別在于:所述擴眼鉆頭為階梯式擴眼鉆頭。圖中所示為本實施例的異步刀翼示意圖(中心線左側)以及各刀翼的布齒示意圖(中心線右側)。
[0134]實施例^
[0135]如圖24所示,本實施例與實施例一基本相同,其區別在于:所述擴眼鉆頭為多級擴眼鉆頭。圖中所示為本實施例的結構示意圖。
[0136]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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域,以及至少一個重合點或重合區域。2.根據權利要求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域頂點的軸向位置不同。3.根據權利要求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:所述領眼段刀翼本體輪廓線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭三分之一半徑以外的徑向區域。6.根據權利要求3所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭,其特征在于:所述領眼段刀翼本體輪廓線之間相互錯開的局部凸起分布于鉆頭徑向三分之二半徑以內的徑向區域。7.根據權利要求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,所述領眼段和/或擴眼段刀翼本體輪廓線之間至少有一個局部凸起相互重合或基本重合,且領眼段和/或擴眼段的不同刀翼本體輪廓線之間布置于相重合局部凸起的第一組切削齒相互錯開。8.根據權利要求1所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭,其特征在于:至少有一個領眼段和/或一個擴眼段刀翼同時具有前置刀翼本體輪廓線和至少一條后置刀翼本體輪廓線,前置刀翼本體輪廓線和后置刀翼本體輪廓線均為具有至少一個局部凸起的曲線。9.根據權利要求1所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭,其特征在于:所述領眼段和/或擴眼段刀翼上設置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組切削齒,或者至少一個空槽或/和固定于空槽內的第二組切削齒。10.根據權利要求1所述的一種難鉆地層長壽命擴眼鉆頭,其特征在于:領眼段和/或擴眼段刀翼本體輪廓線上整體外凸或局部凸起對應的刀翼區域內布置有至少一個出露高度小于或等于零的第二組切削齒,或者至少一個空槽或/和固定于空槽內的第二組切削齒。
【文檔編號】E21B10/32GK106089086SQ201610623302
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月2日 公開號201610623302.3, CN 106089086 A, CN 106089086A, CN 201610623302, CN-A-106089086, CN106089086 A, CN106089086A, CN201610623302, CN201610623302.3
【發明人】楊迎新, 戚清亮, 張春亮, 林敏 , 徐帥兵, 張偉峰, 王吉
【申請人】西南石油大學, 成都為一石油科技有限公司
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