CN103114812A - 一种金刚石复合片环形同心跟管钻头及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，包括中心钻头、套管钻头和套管靴；所述中心钻头通过钻杆接头与钻杆相连，所述套管靴与套管螺纹连接；在所述中心钻头上套设有套管钻头和套管靴，所述套管钻头的钻头端面与所述中心钻头的钻头端冲齐设置；所述中心钻头与套管钻头通过键合实现：中心钻头在套管钻头内绕轴单向限位转动；所述套管钻头和套管靴通过套设安装的方式，绕轴相对转动连接。本发明充分利用了高效破碎岩石的优势，在高效碎岩中心钻头推进的同时，所述套管钻头也高效推进，不但能辅助地层推进，而且保护中心钻头和钻孔孔壁，两级钻头的同轴度好，导向和扶正相辅相成，不会造成钻孔弯曲，提高地层钻孔的效率，延长整体钻具的使用寿命。

Description

一种金刚石复合片环形同心跟管钻头及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石复合片环形同心跟管钻头及其工作方法，属于地层钻具的技术领域。

背景技术

在众多的复杂地层钻进施工中，塌孔、埋钻是施工人员经常碰到且十分头疼的问题，采用常规的钻进工艺方法很难保证钻孔的质量和施工效率。

为了解决以上的技术问题，业界采用了跟管钻进技术对地层钻具进行了突破性的改进，随着跟管钻进技术的不断发展，现有平行跟进钻头的改进专利包括以下四个：

（1）中国专利CN201851017U公开了一种潜孔跟管同心扩孔钻具,包括中心钻头、管靴、弹性卡环、扩孔套,所述的跟管一端旋装有所述的管靴,所述管靴中心套装有所述的中心钻头,所述的中心钻头一端有潜孔冲击器接口,另一端卡装有所述的扩孔套,所述的扩孔套内与所述的管靴外开有相匹配的槽,所述的槽中装有所述的弹性卡环。

（2）中国专利CN2606169公开了一种分动式同心跟管钻具，该钻具由冲击器活塞杆、冲击器外管、套管、横销、冲击器分动式前接头、套管靴、卡簧、扩孔钻头和中心钻头构成,冲击器分动式前接头底端与套管靴内台阶接触,中心钻头前肩环与扩孔钻头内台阶接触。本实用新型通过使用新型的分动式前接头,替换冲击器原有的前接头,在钻进时,冲击器活塞杆以一定频率锤击中心钻头,使中心钻头一边碎岩钻进,一边锤击扩孔钻头跟着扩出比套管外径大的孔;与此同时,钻杆将钻机的给进力经冲击器外管传递至冲击器分动式前接头底端,推动套管靴,使套管同步跟进护壁。

（3）中国专利CN202520228U公开了一种一体式同心跟管钻具，包括管靴、环形钻头和导向钻头，管靴和环形钻头为一体化结构，环形钻头内侧设有键，导向钻头上设有凹槽，环形钻头与导向钻头之间通过键和凹槽连接。由于管靴和环形钻头为一体化结构，环形钻头能随套管一起从孔中提起，并能重复的使用。

（4）中国专利CN102787806A同心跟管钻具，解决已有钻具结构复杂，制造和装配困难，传递扭矩小，易损坏的问题。导正器（1）有第1、2凹槽（22）、（21），第1、2凹槽为导正器端面圆上的圆心角构成的相对扇形槽，扇形槽的侧壁为平面或者为曲面段加平面段，第1、2扩孔钻头（4）、（9）分别有第1、2凸肩（17）、（18），第1、2凸肩位于扩孔钻头不同端，其投影在扩孔钻头内，第1、2凸肩的传扭面（28）、（27）为平面，该平面与导正器凹槽上的平面侧壁配合，当钻具顺时针旋转，在第1、2凸肩全部位于导正器的第1、2凹槽内时，第1、2扩孔钻头构成直径小于套管的同心圆，当钻具反时针旋转，凸肩径向伸出导正器端面，其传扭面与导正器凹槽的平面侧壁配合。

以上所述4种钻具的技术不足为：

1.上述4种钻具都要装有冲击器，冲击破岩，大大制约了工程的施工范围和环境，且加工成本高，操作复杂。

2．钻具连接钻机的方式复杂，造成了很大的浪费。

3．上述4种钻具中的环形钻头和中心钻头都是利用传统的潜孔钻头生产工艺制造，这种潜孔钻头钻进效率低，寿命短，加工复杂，进齿慢，钻进成本高。

4.上述4种钻具的套管与套靴是采用丝扣的连接方式，管靴外丝梯形扣，外丝强度低，容易断裂。

5.上述4种钻具对钻具的质量要求标准极高，一旦钻具质量不过关，均会致使造孔过程中事故发生频繁，大大增加了造孔时间，而且传动销一旦折断，扩孔钻头就会掉到孔底。

6.上述4种钻具的钻头都是利用冲击钻进，不但会使套管容易在锤击时变形，而且套管将难以实现长孔段跟管。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种金刚石复合片环形同心跟管钻头。

本发明还提供一种上述金刚石复合片环形同心跟管钻头的工作方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，包括中心钻头、套管钻头和套管靴；所述中心钻头通过钻杆接头与钻杆相连，所述套管靴与套管螺纹连接；在所述中心钻头上套设有套管钻头和套管靴，所述套管钻头的钻头端面与所述中心钻头的钻头端冲齐设置；所述中心钻头与套管钻头通过键合实现：中心钻头在套管钻头内绕轴单向限位转动；所述套管钻头和套管靴通过套设安装的方式，绕轴相对转动连接。此处设计的优点在于，所述中心钻头与套管钻头通过键合实现单向限位转动，实现了通过键传扭矩的功能，钻进时，所述中心钻头将来自钻杆的转动扭矩通过中心钻头键传扭传到套管钻头上，进而带动套管钻头转动，实现中心钻头与套管钻头同步转动钻进。本发明还具有瞄向定位功能，通过中心钻头和套管钻头的键合作用使两者连接，呈钻进状态；提钻时，只需反转钻杆固定角度，使中心钻头和套管钻头不再键合，将二者分离，中心钻头随着钻杆被提到孔口，而套管靴留则在孔底。

根据本发明优选的，所述中心钻头与套管钻头的键合结构为：在所述套管钻头的内壁设置有绕轴的圆弧形的凸形键，在所述中心钻头体上设置有与所述凸形键尺寸相适应的凹形键。本发明所述中心钻头的凹形键与套管钻头凸形键相配，钻进时，套管钻头套到中心钻头凹形键槽中，在钻进时钻杆传到中心钻头正转转动，在此同时，中心钻头转到与套管钻头结合连接，连接后带动套管钻头转动，呈现钻进状态；提钻时，使中心钻头反转一个小角度，就能将二者脱离，套管钻头转动失效，从而中心钻头顺着套管钻头凸形键可以提出，套管钻头留在孔底。

根据本发明优选的，所述套管钻头和套管靴之间的套设安装方式为采用间隙配合：在所述套管钻头和套管靴之间设置有直径为5—8mm的圆形弹性卡环，在装配到位时，卡环同时处于套管靴的外环行槽中，卡环靠上下端面限位作用将套管靴和套管钻头连接。此处设计的优点在于，在装配到位情况下，卡环与套管钻头之间、卡环与套管靴之间在轴向和径向均采用间隙配合，所以套管靴可以相对套管钻头转动，从而实现分动同时具备承受钻压传递压力的能力，还能保持跟管钻进时套管钻头随中心钻头转动而套管靴和套管不转动。当中心钻头以反拉的方式将拉力传给套管靴和套管随钻带动套管向孔底延伸。

根据本发明优选的，在所述中心钻头的钻头端和套管钻头的钻头端面设置有金刚石复合片。

根据本发明优选的，所述套管钻头和套管靴均选用35CrMo合金结构钢。装配前，还需按照现有技术对35CrMo合金结构钢进行调质、渗碳、淬火、热处理工艺，以增加套管钻头和套管靴的韧性和强度；在实际应用时，安装了本发明所述钻头的钻具相比于传统钻具DZ40的强度具有较大的提高。

根据本发明优选的，在所述套管靴与套管相连的位置设置有内螺纹，所述内螺纹为圆弧扣形。此处设计的优点在于，为了提高套管靴的寿命，与传统跟管钻头相比，本发明将套管靴改为内螺纹圆弧扣形设计：增大受力截面积，主要应力将集中于中部，提高抗弯及抗拉的强度，延长管靴寿命，使结构更加合理，进而避免了外螺纹容易断裂的缺陷。

根据本发明优选的，所述套管钻头为切削型钻头，包括钻头钢体，在所述钻头钢体的径向位置设置有金刚石复合片，在所述钻头钢体的外缘设置有硬质合金耐磨条。

根据本发明优选的，所述中心钻头的钻头端为烧结胎体金刚石复合片钻头。此处设计的优点在于，本发明采用烧结胎体金刚石复合片钻头，其齿型分布有利于改善孔壁间隙，成孔规则、进齿快、高耐磨、寿命长，从而降低套管钻头的卡阻。应用实验时发现，采用本发明的钻头进行石油生产时，该钻头的使用寿命是传统合金钻头与钢体钻头的3—5倍，大大增加了在复杂地层中的钻进深度。所述中心钻头采用胎体式金刚石复合片钻头，结构是支撑金刚石复合片的钻头本体用金属材料、钢体与耐冲蚀的硬质合金材料（碳化钨）粉末经烧结加工而成。高质量金刚石复合片，镶嵌复合片适用于、石油钻头钎焊技术，并设有与套管钻头构成钻压传递的凸台和构成传递转动的内凹键槽和排屑槽。

所述金刚石复合片是将聚晶金刚石薄层附着粘结在硬质合金衬底上的复合材料，称金刚石复合片，代号为PDC。金刚石复合片兼有金刚石聚晶的极高耐磨性和硬质合金的高抗冲击性，并且金刚石层能始终保持锐利的切削刃，因而在石油和地质钻探中的软至中硬地层使用，效果非常好。复合片中金刚石含量高达99%；故金刚石层硬度极高，耐磨性极好。其努氏硬度为（65—7）*104兆帕，甚至更高。其厚度很薄，一般控制在0.5—1.5毫米左右，竖直镶焊在钻头上；其刃口锋利而且是始终保持自锐。它的耐磨性比硬质合金高100—150倍，可与天然金刚石媲美。

一种如上述金刚石复合片环形同心跟管钻头的工作方法，包括步骤如下：

（1）将所述中心钻头通过钻杆接头与钻杆相连，将所述套管靴通过圆弧扣形螺纹与套管相连；

（2）钻进时，钻机通过钻杆，一方面传递给中心钻头轴向压力，另一方面带动中心钻头和套管钻头同时转动，套管钻头与套管靴之间通过卡环连接；实现套管钻头转动而套管靴和套管不转动的目的；

（3）当套管跟进钻孔完成后，反转钻杆，使所述中心钻头和套管钻头不再键合、实现中心钻头和套管钻头的分离，钻杆牵动中心钻头提出，将所述套管钻头暂留在所述的钻孔内。

本发明的优点在于：

1.本发明所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头充分利用了高效破碎岩石的优势，在高效碎岩中心钻头推进的同时，所述套管钻头也高效推进，不但能辅助地层推进，而且保护中心钻头和钻孔孔壁，两级钻头的同轴度好，导向和扶正相辅相成，不会造成钻孔弯曲，提高地层钻孔的效率，延长整体钻具的使用寿命。

2.本发明所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头利用套管钻头的刚性导向作用，不但高效抑制了地层钻孔的弯曲，保证钻孔的直线度，而且在对地层钻孔时，保证成孔直径范围。钻具在结构上设计用键来传递扭矩，互相自馈的结构，保证了中心钻头与导正器之间连接具有良好的可靠性，解除掉扣之忧。

3.本发明所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头结构简单，制造成本低，使用方便。

4.本发明装配前，还需按照现有的处理方式对35CrMo合金结构钢进行调质、渗碳、淬火、热处理工艺，以增加套管钻头和套管靴的韧性和强度。在实际应用时，安装本发明所述钻头的钻具相比于传统钻具DZ40具有较大的提高。

5.本发明破碎岩石效果较好，特别是加大型套管钻头，套管跟进顺利。

6、本发明采用了的套管钻头是一种切削型钻头，切削齿具有自锐优点，破碎岩石时无以上几种钻头的压持作用。切削齿切削时的切削面积较大，适合于和高转速的井下动力钻具一起使用。它可以承受较大的侧向载荷而不发生井下事故，适合于定向钻进。

7、本发明对套管靴丝扣的结构进行改进，大大提高了钻进效率，避免了断丝、掉钻、载荷性能较差等问题的发生。

附图说明

图1是本发明所述金刚石复合片环形同心跟管钻头的整体结构示意图；

图2是本发明所述金刚石复合片环形同心跟管钻头的横向剖视图，中心钻头与套管钻头键合时的状态图；

图3是本发明所述金刚石复合片环形同心跟管钻头的横向剖视图，中心钻头与套管钻头分离时的状态图；

图4是本发明所述套管靴内螺纹的结构示意图；

图5是套管钻头端面的结构示意图；

在图1-5中，1、中心钻头；2、套管钻头；2-1、钻头钢体；2-2、硬质合金耐磨条；3、套管靴；4、钻杆接头；5、凸形键；6、凹形键；7、卡环；8、金刚石复合片；9、圆弧扣形的内螺纹。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-3所示。

一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，包括中心钻头1、套管钻头2和套管靴3；所述中心钻头1通过钻杆接头4与钻杆相连，所述套管靴3与套管螺纹连接；在所述中心钻头1上套设有套管钻头2和套管靴3，所述套管钻头2的钻头端面与所述中心钻头1的钻头端冲齐设置；所述中心钻头1与套管钻头2通过键合实现：中心钻头1在套管钻头2内绕轴单向限位转动；所述套管钻头2和套管靴3通过套设安装的方式，绕轴相对转动连接。

所述中心钻头1与套管钻头2的键合结构为：在所述套管钻头2的内壁设置有绕轴的圆弧形的凸形键5，在所述中心钻头体1上设置有与所述凸形键5尺寸相适应的凹形键6。

所述套管钻头2和套管靴3之间的套设安装方式为采用间隙配合：在所述套管钻头2和套管靴3之间设置有直径为5—8mm的圆形弹性卡环7，在装配到位时，卡环7同时处于套管靴3的外环行槽中，卡环7靠上下端面限位作用将套管靴3和套管钻头2连接。

在所述中心钻头1的钻头端和套管钻头2的钻头端面设置有金刚石复合片8。

实施例2、

如实施例1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，所述套管钻头2和套管靴3均选用35CrMo合金结构钢。装配前，还需按照现有技术对35CrMo合金结构钢进行调质、渗碳、淬火、热处理工艺，以增加套管钻头和套管靴的韧性和强度；在实际应用时，安装了本发明所述钻头的钻具相比于传统钻具DZ40的强度具有较大的提高。

实施例3、

如图4所示。如实施例1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，在所述套管靴3与套管2相连的位置设置有内螺纹9，所述内螺纹为圆弧扣形。

所述圆弧扣形的内螺纹9的参数为，左丝，公制加大螺纹，螺矩为10mm。

实施例4、

如图5所示。如实施例1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，

所述套管钻头2为切削型钻头，包括钻头钢体2-1，在所述钻头钢体2-1的径向位置设置有金刚石复合片8，在所述钻头钢体2-1的外缘设置有硬质合金耐磨条2-2。所述中心钻头1的钻头端为烧结胎体金刚石复合片钻头。

实施例5、

一种如实施例3、4所述金刚石复合片环形同心跟管钻头的工作方法，该方法包括步骤如下：

（1）将所述中心钻头1通过钻杆接头4与钻杆相连，将所述套管靴3通过圆弧扣形螺纹9与套管相连；

（2）钻进时，钻机通过钻杆，一方面传递给中心钻头1轴向压力，另一方面带动中心钻头1和套管钻头2同时转动，套管钻头2与套管靴3之间通过卡环7连接；实现套管钻头2转动而套管靴3和套管不转动的目的；

（3）当套管跟进钻孔完成后，反转钻杆，使所述中心钻头1和套管钻头2不再键合、实现中心钻头1和套管钻头2的分离，钻杆牵动中心钻头1提出，将所述套管钻头2暂留在所述的钻孔内。

采用本发明进行地层钻进时，在以下范围内调整钻进规程参数，其调整原则为地层胶结差（松散），采用小钻压和大泵量为主的规程参数，钻遇比较坚硬岩石采用低转速和大钻压为主的钻进规程参数：1、钻压12—22KN必要时采用较大钻压尽量减轻猛加压、跳钻、抖动对钻具的破坏。2、转速80—200r/min。3、泵压200—300L/min。

Claims (9)

1.一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，包括中心钻头、套管钻头和套管靴；所述中心钻头通过钻杆接头与钻杆相连，所述套管靴与套管螺纹连接；在所述中心钻头上套设有套管钻头和套管靴，所述套管钻头的钻头端面与所述中心钻头的钻头端冲齐设置；其特征在于，所述中心钻头与套管钻头通过键合实现：中心钻头在套管钻头内绕轴单向限位转动；所述套管钻头和套管靴通过套设安装的方式，绕轴相对转动连接。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，所述中心钻头与套管钻头的键合结构为：在所述套管钻头的内壁设置有绕轴的圆弧形的凸形键，在所述中心钻头体上设置有与所述凸形键尺寸相适应的凹形键。

3.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，所述套管钻头和套管靴之间的套设安装方式为采用间隙配合：在所述套管钻头和套管靴之间设置有直径为5—8mm的圆形弹性卡环，在装配到位时，卡环同时处于套管靴的外环行槽中，卡环靠上下端面限位作用将套管靴和套管钻头连接。

4.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，在所述中心钻头的钻头端和套管钻头的钻头端面设置有金刚石复合片。

5.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，所述套管钻头和套管靴均选用35CrMo合金结构钢。

6.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，在所述套管靴与套管相连的位置设置有内螺纹，所述内螺纹为圆弧扣形。

7.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，所述套管钻头为切削型钻头，包括钻头钢体，在所述钻头钢体的径向位置设置有金刚石复合片，在所述钻头钢体的外缘设置有硬质合金耐磨条。

8.根据权利要求1所述的一种金刚石复合片环形同心跟管钻头，其特征在于，所述中心钻头的钻头端为烧结胎体金刚石复合片钻头。

9.一种如权利要求1所述金刚石复合片环形同心跟管钻头的工作方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

（1）将所述中心钻头通过钻杆接头与钻杆相连，将所述套管靴通过圆弧扣形螺纹与套管相连；

（2）钻进时，钻机通过钻杆，一方面传递给中心钻头轴向压力，另一方面带动中心钻头和套管钻头同时转动，套管钻头与套管靴之间通过卡环连接；实现套管钻头转动而套管靴和套管不转动的目的；

（3）当套管跟进钻孔完成后，反转钻杆，使所述中心钻头和套管钻头不再键合、实现中心钻头和套管钻头的分离，钻杆牵动中心钻头提出，将所述套管钻头暂留在所述的钻孔内。

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