一种难钻地层长寿命扩眼钻头制造技术

本发明专利技术公开了一种难钻地层长寿命扩眼钻头，包括由领眼体和扩眼体构成的钻头本体，延伸自领眼体和扩眼体的多个刀翼，刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，至少有两个领眼段和/或两个扩眼段刀翼的本体轮廓线既有不重合区域，也有重合点或重合区域。这种结构特征可使扩眼钻头以异步切削方式工作，不仅能增加刀翼的磨损长度，延长钻头寿命，而且能使钻头在整个钻进过程都处于高比压钻进状态，增强钻头侵入岩石的能力，从而使钻头在难钻地层的钻速和寿命都得到提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文、盾构及非开挖等技术设备领域，特别是涉及一种钻进钻头。
技术介绍
随着套管开窗侧钻和老井的二次开发越来越多，扩眼工具得到了大量应用。钻井工程中的扩眼施工通常有两种方式：其一，先用常规钻头钻出领眼孔(即先导孔)，再换用扩孔钻头或工具进行扩孔施工，也即钻领眼施工与扩眼施工是分别进行的；其二、用“随钻扩眼”的方式，边钻进边扩眼，一次性完成钻、扩施工。随钻扩眼钻头(也称随钻扩眼工具)通常由领眼部分(钻先导孔的部分)和扩眼部分构成，领眼部分也称领眼钻头，扩眼部分也称扩眼钻头或扩眼工具。领眼部分和扩眼部分可以采用一体式本体结构，也可采用分体式本体结构。随钻扩眼工具分固定式和伸缩式两大类，两者的区别主要在于扩眼部分的结构，前者的扩眼部分为无运动件的固定式结构(或固定齿结构)，后者的扩眼切削结构或扩眼刀翼可以伸缩。由于固定式随钻扩眼钻头结构简单，工作可靠性高，所以应用更为广泛。固定式随钻扩眼钻头主要有两种类型：阶梯式和双心式。阶梯式扩眼钻头实际上就是切削轮廓线上有分段阶梯的一种全面钻进钻头，心部领眼部分与外部扩眼部分的切削齿分别位于不同的高度位置，使井底切削轮廓线上产生台阶。因为台阶处的岩石更易破碎，所以在井眼尺寸较大时，使用这种钻头能够提高破岩效率，同时也有利于提升井身质量。双心随钻扩眼钻头亦称为“双心扩眼钻头”、“双心钻头”、“双心扩眼工具”等，是一种常用的随钻扩眼工具或扩眼钻头之一，常常用于老井深钻、侧钻等条件下的随钻扩眼施工，其性能特点是能够钻出比通过直径(如套管内径)更大的孔。在随钻扩眼工具中，PDC扩眼钻头以其安全可靠、机械钻速高、钻压和扭矩较小等优点，成为了随钻扩眼钻头的主要形式。然而，由于在使用过程中受到钻柱振动和地层软硬交错等因素的影响，PDC扩眼钻头的切削齿，尤其是其领眼段的切削齿，通常易于因冲击载荷或者吃入深度不均等因素造成过早破坏，从而导致钻头使用寿命不长，增加了钻井过程的时间和经济成本。固定式随钻扩眼钻头的扩眼部分(扩眼体)可为只有一级扩孔直径的单级扩眼结构，也可为具有至少2级扩孔直径的多级扩眼结构。与常规PDC钻头一样，现有的PDC扩眼钻头其领眼段和扩眼段通常都具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头径向设置有多个切削元件(对PDC钻头，切削元件主要是聚晶金刚石复合片，简称复合片或PDC齿)。在现有的PDC钻头技术中，固定切削齿钻头上的刀翼均按照同步切削原理进行设计，即每个刀翼上不同径向位置的切削齿同时或同步(或基本同时、基本同步)进入工作状态，开始切削井底岩石，并同时开始发生磨损。新钻头在理想工作状态下(钻头中心与井眼中心重合的稳定钻进状态)钻削岩石时，同时参与刮切岩石的所有切削齿均为主切削齿，主切削齿是钻头破碎岩石的主要切削元件，通常被设置在各刀翼的前侧，以利于达到更好的冷却和清洗效果。除了切削齿以外，还可根据需要在钻头上设置后备切削齿(即当主切削齿磨损到一定程度后才投入工作的切削齿，如后排齿等)和辅助切削结构(主要指帮助主切削齿破岩的结构，如锥齿，或保护切削齿作用的缓冲结构，如缓冲节或缓冲齿等)。在PDC钻头设计过程中，通常会任意确定一个通过钻头中心轴线的平面作为布齿轴面(亦简称为轴面)，钻头上各切削齿的径向和轴向位置均能在该轴面上得到准确的表达。当钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿的齿刃轮廓线与轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线，再将钻头上所有主切削齿(或若干指定刀翼上的所有主切削齿)的轴面轮廓线汇集在该轴面内，就形成了钻头的轴面布齿图(或若干指定刀翼的轴面布齿图)。因为轴面布齿图能准确反映钻头上切削齿对井底岩石的径向覆盖情况，故又叫井底覆盖布齿图，简称覆盖布齿图或井底覆盖图。在钻头的井底覆盖图中，作一条与所有主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，即为钻头的切削轮廓线(也即钻头的冠部轮廓线)，如图2所示，为现有技术中扩眼钻头的井底覆盖图，其中，水平方向R为钻头径向坐标，竖直方向Z为钻头轴向坐标，标号11的曲线即为现有技术中钻头的切削轮廓线，区域A为领眼段，区域B为扩眼段。在钻头的井底覆盖图中，若仅将某个指定刀翼上的切削齿表示出来，而将其它刀翼上的切削齿隐去，就形成了该刀翼的轴面布齿图。在刀翼的轴面布齿图中，作一条与各主切削齿的轴面轮廓线相切的外包络曲线，该包络线则称之为该刀翼的切削轮廓线。刀翼的切削轮廓线反映了当刀翼上主切削齿分布足够密(能完全覆盖该刀翼所在的井底径向区域)时，该刀翼所独立切削出的井底的基本或理想轮廓形状特征。若钻头在轴向位置不变的条件下绕自身轴线旋转，则对某一刀翼体而言，其前侧面与其布齿面的交线将随着钻头的旋转扫掠形成一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面，该回转曲面与轴面的交线即为刀翼的本体轮廓线，如图2所示，其中标号为32的曲线，即为刀翼的本体轮廓线。通常情况下，由于布置在刀翼布齿面上的主切削齿的出露高度是相同或相近的(临近规径面的区域除外)，所以刀翼的切削轮廓线与其本体轮廓线的形状基本呈平行状态，仅在临近规径的区域可能有明显差异。因此，基于实现同步切削原理的需要，现有技术中钻头各个刀翼的本体轮廓线是互相重合或基本重合的。换言之，理论上钻头各刀翼的本体轮廓线均在同一个以钻头中心轴线为轴线的回转曲面上，因而它们都是相同的一条曲线或相同曲线上的一段。这种特征可称之为钻头各刀翼本体轮廓线的一致性或共线性。显然，这种一致性或共线性不仅存在于各刀翼的本体轮廓线，而且对各刀翼的切削轮廓线也是成立的。正是这一结构特征，使得固结在钻头各刀翼上的主切削齿能够同时或同步切削井底岩石，进而形成井筒。在技术专利“具有二级齿结构的聚晶金刚石复合片钻头”(专利号为:ZL200620033337.3)和技术专利“具有独立式纵向后备切削结构的聚晶金刚石复合片钻头”(专利号为:ZL200720082270.7)中，均公开了一种具有后备(二级)齿结构的PDC钻头，其共同特点是后备齿均固结于主切削齿之下的钻头体内，即后备齿相对于钻头体向内布置，从而在钻头纵向上形成多级切削结构。两专利中设置纵向后备齿的目的在于增加钻头金刚石切削齿的纵向可磨损长度，延长钻头使用寿命。但上述两方案中的纵向后备齿均为内镶齿，而其主切削齿均按同步切削原理工作，作为辅助切削结构的内镶齿须在主切削齿磨损殆尽且本体有部分磨损后才开始工作，但在内镶齿切削岩石的同时，刀翼本体已经与地层发生大面积接触，显著地降低了后备切削齿作用于岩石的比压，从而使钻头的钻进效率受到很大限制。与普通PDC钻头类似，现有的具有同步切削原理的PDC扩眼钻头在面对复杂难钻地层(高硬度、高研磨性乃至含砾石层、夹层等不均质地层)时，不仅钻进效率受到限制，其使用寿命也不理想。其主要原因是：第一，为了保证钻头在硬地层钻进时能够具备较强的吃入或侵入岩石表面的能力，就需要采用尺寸(直径)较小的切削齿，然而小直径切削齿的出露高度小，可磨损高度显著低于大直径切削齿，但此时切削齿的磨损速度却更快，因此就形成了一个难钻地层钻头设计中难以解决的矛盾：若采用大直径切削齿，切削齿难以侵入岩石(特别是发生一定程度磨损以后)，钻头破岩效率低；若采用小直径切削齿，切削齿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种难钻地层长寿命扩眼钻头，包括由领眼体和扩眼体构成的钻头本体，延伸自领眼体和扩眼体的多个领眼段刀翼和扩眼段刀翼，刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，其特征在于：至少有一个领眼段和/或一个扩眼段刀翼的本体轮廓线与至少另外一个领眼段和/或另外一个扩眼段刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。

【技术特征摘要】
1.一种难钻地层长寿命扩眼钻头，包括由领眼体和扩眼体构成的钻头本体，延伸自领眼体和扩眼体的多个领眼段刀翼和扩眼段刀翼，刀翼之间的流道中设置有水眼或喷嘴，刀翼上设置有若干个第一组切削齿，刀翼布齿面设置凹窝用以固定第一组切削齿，其特征在于：至少有一个领眼段和/或一个扩眼段刀翼的本体轮廓线与至少另外一个领眼段和/或另外一个扩眼段刀翼的本体轮廓线在共同覆盖范围内具有至少一个不重合区域，以及至少一个重合点或重合区域。2.根据权利要求1所述的一种难钻地层长寿命扩眼钻头，其特征在于：至少有两个领眼段和/或两个扩眼段刀翼的本体轮廓线均为整体或大部分外凸的曲线，且所述各领眼段刀翼本体轮廓线外凸区域顶点沿钻头径向的径向位置不同，所述各扩眼段刀翼本体轮廓线外凸区域顶点的轴向位置不同。3.根据权利要求1所述的一种难钻地层长寿命扩眼钻头，其特征在于：至少有两个领眼段和/或两个扩眼段刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。4.根据权利要求1所述的一种难钻地层长寿命扩眼钻头，其特征在于：至少有40％数量的领眼段和/或扩眼段刀翼的本体轮廓线均为具有至少一个局部凸起的曲线，且所述曲线之间各有至少一个局部凸起沿钻头径向或沿钻头切削轮廓线部分或全部相互错开。5.根据权利要求3所述的一种难钻地层长寿命扩眼钻头，其特征在于：所述领...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨迎新，戚清亮，张春亮，林敏，徐帅兵，张伟峰，王吉，
申请(专利权)人：西南石油大学，成都为一石油科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51