CN103850651B - 液旋前导器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在钻井过程中使用的液旋前导器，并提出了一种新型钻井方法。该液旋前导器由前导头、冲击套、固定动力环、冲击回转轮和花瓣环组成。前导头上装有PDBC（硼化金刚石复合片）齿和喷嘴，所述齿具有20~25度的齿前角，可更好地吃入地层。液旋前导器内部有上下两个冲击腔，钻井液经固定动力环产生连续动力，经冲击回转轮产生交变的高频周向冲击力，在上下两个冲击腔内产生高频轴向冲击力，所述周向和轴向的高频冲击力可增加齿的吃入力。该液旋前导器适用于均质极硬地层，使用该液旋前导器可比常规钻井工具速度提高3~5倍，并有效避免齿的先期破损，从而减少了下钻次数，缩短建井周期，降低钻井成本。

Description

液旋前导器

技术领域

本发明一般地涉及石油、天然气钻探工具领域。具体来说，涉及一种具有硼化金刚石复合片（PDBC）液旋前导器的全新钻井工具以及一种新型钻井方法。

背景技术

在石油、天然气钻探过程中，目前广泛采用普通的PDC（即Polycrystalline Diamond Compact的英文缩写，聚晶金刚石复合片）钻头。

PDC钻头是钻井工业界的一项重要技术成就，在石油钻头方面是继牙轮钻头之后的一次技术突破。钻井实践表明，PDC钻头工作平稳，钻速高，寿命长，钻头事故少，可大幅度降低钻井成本，提高钻井的整体经济效益，在钻井界倍受青睐。PDC钻头是一种钻井速度快、使用寿命长、工作稳定性好的高效破岩工具，但随着石油勘探开发向深部地层的推进，硬地层、复杂地层的增多和钻具结构的复杂度增加。常规钻具和钻井方法的性能不能满足特定的使用要求。

首先，对于较硬或极硬地层，常规PDC钻头的不足之处在于：钻头切削刃的金刚石复合片在极硬地层中的工作效果不好，性能不能满足使用要求，钻井速度慢，此时金刚石齿容易先期破损，这会加速PDC钻头的破坏和失效，导致钻头使用寿命短。

其次，目前在钻井作业中使用的各类旋冲或冲旋工具只能产生轴向冲击力，不但不会解决钻头粘滑、卡钻现象，加剧的不稳定钻进反而会缩短钻头寿命。其中现有技术中的扭转冲击发生器（专利号：US 6742609B2 ）采用涡轮驱动冲击锤产生高频扭转冲击，西南石油大学的扭转冲击钻井工具（专利申请号：200910058083.9）利用螺杆钻具驱动冲击锤，这两种钻井工具易损件多、消耗的压降大。

发明内容

本发明克服现有技术存在的上述不足，提供一种在钻井过程中使用的液旋前导器，并提出了一种新型钻井方法。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种液旋前导器，包括依次连接的固定动力环、冲击回转轮、花瓣环、冲击套和前导头：

所述前导头具有多个刀翼，所述刀翼上有多个齿，每个刀翼前面有喷嘴，

所述冲击套与固定连接动力环和前导头固定连接，

所述冲击回转轮的上下两个轴分别位于固定动力环的下中心孔和花瓣环的上中心孔内，

所述固定动力环可产生连续动力，

所述冲击回转轮可产生交变的高频周向冲击力，

所述液旋前导器内部具有上冲击腔和下冲击腔，所述上冲击腔和下冲击腔均可产生向下的轴向冲击力。

进一步地，所述齿的材料为硼化金刚石复合片。

作为优选，所述前导头的冠部形状曲线模型为：

——为液旋前导器外锥抛物线参数，；

其中，

——为液旋前导器公称外半径；

——为冠顶半径（圆弧圆心及抛物线轴线所在半径）；

——为冠顶圆弧半径；

——为液旋前导器的内锥深度；

——为外锥高度；

——为内锥直线斜率。

作为优选，所述齿的齿前角为20至25度。

作为优选，所述前导头上刀翼的数量为4至9个。

作为优选，每个刀翼前面的喷嘴数量为1或2个。

作为优选，所述齿的刃长为13.44毫米。

作为优选，所述上冲击腔的直径D1为60至120毫米，所述上冲击腔的高度H1为0.35D1至0.4D1。

作为优选，所述下冲击腔的直径D2为50至95毫米，所述下冲击腔的高度H2为0.7D2至0.9D2。

一种使用液旋前导器进行钻井的方法，包括步骤：

将液旋前导器的上部连接至上部钻具，使液旋前导器随着上部钻具一起转动，

钻井液流入固定动力环，产生连续动力，

钻井液流经冲击回转轮，产生交变的高频周向冲击力，

钻井液流经花瓣环，

钻井液进入上冲击腔，在上冲击腔内产生向下的第一轴向冲击力，

钻井液流过前导头的主中心孔，

钻井液进入下冲击腔，在下冲击腔内产生向下的第二轴向冲击力，

所述第一冲击力、第二冲击力，以及所述交变的高频周向冲击力均经前导头传递到所述齿，作用于井底岩石。

本发明的有益效果在于：

首先，钻井液经固定动力环产生连续动力，经冲击回转轮产生交变动力，经上下两个冲击腔在钻井液力作用下产生高频轴向冲击，高频轴向冲击一方面提高清洗效果，一方面增加齿的吃入力。该液旋前导器可巧妙地将部分钻井液的流体能量转换成高频的、周向扭转的、冲击型的井底机械破岩功率并直接作用液旋前导器上，这种能够产生高频小幅度扭转冲击的钻井工具能够使液旋前导器稳定的钻进，工具内部无涡轮或螺杆等其它钻具，易损件少，消耗的压降少，使用寿命长的新型的钻井水压扭转冲击装置。

其次，前导头的切削齿采用硼化金刚石复合片（PDBC）代替常规的聚晶金刚石复合片（PDC），硼化金刚石复合片齿比其他任何齿都更耐磨更耐冲击；经过反复实验所确定的20~25度的齿前角与其他同类产品的齿前角不同，在这种特殊工作方式下更利于吃入地层。

最后，本发明根据PDBC的液旋前导器特点，经过大量模拟和实验确定了优化的前导头剖面数据、刀翼数量、切削齿尺寸等液旋前导器参数，使得钻进平稳，方位容易控制。

本发明的液旋前导器属于一种全新的钻井工具，具有PDBC液旋前导器，其制造成本低，加工效率高，加工难度小，尤其适用于均质极硬地层。该新型钻井工具有效地利用钻井液所产生的高频周向和轴向冲击力，比常规的钻井方法速度提高3~5倍。

附图说明

本发明将通过实施例并参照附图的方式进行说明，其中：

图1是液旋前导器的结构图。

图2是前导头的正视图。

图3是刀翼的剖视图。

图4是液旋前导器的工作流程图。

附图标记说明：

1、固定动力环，2、冲击回转轮，3、花瓣环，4、冲击套，5、前导头，6、齿，7、喷嘴，8、上冲击腔，9、下冲击腔，10、刀翼。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的较佳实施例仅仅用于说明本发明的技术方案，并不用于限定本发明。

硼化金刚石复合材料已有相应的研究和制备方法，例如以含硼石墨与人造金刚石为原料，在金刚石的热力学稳定区内，通过实验得到。本发明将不讨论上述制备方法作，而是研究硼化金刚石复合材料用于液旋前导器的技术方案。据现有技术而言，将硼化金刚石复合材料用于钻井前导头或钻头的具体设计的相关研究还未发现。

图1是液旋前导器的结构图。如图1所示，一种液旋前导器，包括依次连接的固定动力环1、冲击回转轮2、花瓣环3、冲击套4和前导头5。其中，所述前导头5具有多个刀翼10，所述刀翼10上有多个齿6，每个刀翼10前面有喷嘴7。

上述部件之间的连接关系为：

所述冲击套4与固定连接动力环1和前导头5固定连接。喷嘴7和齿6固定到前导头5上面。冲击套4和前导头5是螺纹连接现在一起的，工作时相对没有运动花瓣环3放在冲击套4的冲击腔的上面。固定动力环1和冲击套4之间通过螺纹连接在一起的，工作时相对没有运动。冲击回转轮2的上下两个轴分别放入固定动力环1的下中心孔内和花瓣环3的上中心孔内。

所述液旋前导器产生的内部动力包括：

所述固定动力环1可产生连续动力。所述冲击回转轮2可产生交变的高频周向冲击力。所述液旋前导器内部具有上冲击腔8和下冲击腔9，所述上冲击腔8和下冲击腔9均可产生向下的轴向冲击力。

由于常规的金刚石钻头在极硬地层工作效果不好，聚晶金刚石复合片（PDC）齿容易先期破损。作为优选，所述齿6采用硼化金刚石复合片（PDBC）齿。PDBC齿比其他任何齿都更耐磨更耐冲击，硼化金刚石复合片的性能不同于金刚石复合片，所述PDBC齿尤其适用于均质极硬地层。

本发明的液旋前导器的结构不同于普通的金刚石钻头，所述液旋前导器有冲击回转轮2和上、下两个冲击腔，能产生交变的高频周向和轴向冲击力。

作为优选，所述上冲击腔8的直径D1为60至120毫米，所述上冲击腔8的高度H1为0.35D1至0.4D1。

作为优选，所述下冲击腔9的直径D2为50至95毫米，所述下冲击腔9的高度H2为0.7D2至0.9D2。

对于液旋前导器冠部形状设计，经过大量实验，确定采用适合PDBC液旋前导器的前导头冠部形状曲线模型为：

——为液旋前导器外锥抛物线参数，；

其中，

——为液旋前导器公称外半径；

——为冠顶半径（圆弧圆心及抛物线轴线所在半径）；

——为冠顶圆弧半径；

——为液旋前导器的内锥深度；

——为外锥高度；

——为内锥直线斜率。

根据上述设计采用浅内锥、外锥采用短抛物线冠部轮廓，抛物线型液旋前导器肩部外形的连续性过渡可消除集中点载荷，增加液旋前导器鼻部至保径部分切削齿的投影密度，有利于保护切削齿，增加前导头穿过钻层的能力和加强保径的能力。外锥短抛物线可以减小前导头与井壁的接触面积，从而减小两者之间的摩擦力和液旋前导器涡动，上述设计同时还具有易于布齿，便于加工的优点。

图2是前导头的正视图。

图2中示例性地标出了所述前导头5的几个喷嘴7，其标号为：“1#”、“2#”、“3#”、“4#”、“5#”、“6#”、“7#”、“8#”。所述喷嘴7的数量可以根据需要适当地设置。

所述前导头5采用多刀翼10，图2中示例性地标记为：“A”、“B”、“C”、“D”、“E”、“F”。可以根据具体地层的钻进需要合理安排适合的布齿的密度，。如图2所示，采用每个刀翼10前面设置1-2个喷嘴7，可以根据需要合理设计水力，清洗充分，有利于提高水力清洗和冷却效果。

作为优选，所述液旋前导器可采用4~9刀翼，此时齿的密度适合均质极硬地层的钻进需要，保证同一刀翼上的切削齿在安装时互不干涉，刀翼设计和切削齿的分布有利于提高液旋前导器的稳定性；每个刀翼前面1-2个喷嘴，可使每个刀翼的清洗都很充分。

图3是刀翼的剖视图。

图3中示出了刀翼10具有的特殊的齿前角度以及齿6的尺寸，具体来说：

特殊的齿前角度：常规的PDC钻头刀翼的齿前角度一般采用10~20°。在本发明的实施例中，PDBC液旋前导器由于材料特性不同所以其角度也不同，所述齿6的齿前角为20~25°，该角度是经过试验确定的,不同于普通PDC钻头的齿前角度。该齿前角度在均质极硬地层这种特殊工作方式下更利于吃入地层；同时，该齿前角度可以保证把齿的耐磨性发挥到最好。

对于齿6的尺寸：在本发明的实施例中，所述齿6的刃长为13.44毫米，也可选择其他的数值，经实验测定，采用13.44毫米齿可以保证吃入力适合。

总体来说，采用13.44毫米齿配合20~25度的齿前角利于齿吃入地层并且把齿的耐磨性发挥到最好。

图4是液旋前导器的工作流程图。

如图4所示，所述液旋前导器的工作流程为：

1)将液旋前导器的上部连接至上部钻具，使液旋前导器随着上部钻具一起转动，

2)钻井液流入固定动力环1，产生连续动力，

3)钻井液流经冲击回转轮2，产生交变的高频周向冲击力，

4)钻井液流经花瓣环3，

5)钻井液进入上冲击腔8，在上冲击腔8内产生向下的第一轴向冲击力，

6)钻井液流过前导头5的主中心孔，

7)钻井液进入下冲击腔9，在下冲击腔9内产生向下的第二轴向冲击力，

8)所述第一冲击力、第二冲击力，以及所述交变的高频周向冲击力均经前导头5传递到所述齿6，作用于井底岩石。

综上所述，本发明的液旋前导器创造性地采用了性能适合的PDBC齿，又有周向和轴向高频冲击力，相比之下大大提高了在极硬地层工作效果，避免了齿的先期破损。

应用本发明的液旋前导器可大大提高极硬底层的钻井效果，使单次下井的进尺和钻井速度都大大提高，减少了起下钻次数，缩短了建井周期，降低了钻井成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液旋前导器，包括依次连接的固定动力环(1)、冲击回转轮(2)、花瓣环(3)、冲击套(4)和前导头(5)，其特征在于： 

所述前导头(5)具有多个刀翼(10)，所述刀翼(10)上有多个齿(6)，每个刀翼(10)前面有喷嘴(7)， 

所述冲击套(4)与固定动力环(1)和前导头(5)固定连接， 

所述冲击回转轮(2)的上下两个轴分别位于固定动力环(1)的下中心孔和花瓣环(3)的上中心孔内， 

所述固定动力环(1)可产生连续动力， 

所述冲击回转轮(2)可产生交变的高频周向冲击力， 

所述液旋前导器内部具有上冲击腔(8)和下冲击腔(9)，所述上冲击腔(8)可产生向下的第一轴向冲击力，所述下冲击腔(9)可产生向下的第二轴向冲击力； 

所述齿(6)的材料为硼化金刚石复合片； 

所述前导头的冠部形状曲线模型为： 

p₂——为钻头外锥抛物线参数，

其中， 

r——为钻头公称外半径； 

r₀——为冠顶半径(圆弧圆心及抛物线轴线所在半径)； 

R——为冠顶圆弧半径； 

b——为钻头的内锥深度； 

b₁——为外锥高度； 

k——为内锥直线斜率； 

所述上冲击腔(8)的直径D1为60至120毫米，所述上冲击腔(8)的高度H1为0.35D1至0.4D1； 

所述下冲击腔(9)的直径D2为50至95毫米，所述下冲击腔(9)的高度H2为0.7D2至0.9D2。 

2.根据权利要求1所述的液旋前导器，其特征在于：所述齿(6)的齿前角为20至25度。 

3.根据权利要求1所述的液旋前导器，其特征在于：所述前导头(5)上刀翼(10)的数量为4至9个。 

4.根据权利要求1所述的液旋前导器，其特征在于：每个刀翼(10)前面的喷嘴(7)数量为1或2个。 

5.根据权利要求1或2所述的液旋前导器，其特征在于：所述齿(6)的刃长为13.44毫米。 

6.一种使用权利要求1-5中任一项的液旋前导器进行钻井的方法，该方法包括步骤： 

1)将液旋前导器的上部连接至上部钻具，使液旋前导器随着上部钻具一起转动， 

2)钻井液流入固定动力环(1)，产生连续动力， 

3)钻井液流经冲击回转轮(2)，产生交变的高频周向冲击力， 

4)钻井液流经花瓣环(3)， 

5)钻井液进入上冲击腔(8)，在上冲击腔(8)内产生向下的第一轴向冲击力， 

6)钻井液流过前导头(5)的主中心孔， 

7)钻井液进入下冲击腔(9)，在下冲击腔(9)内产生向下的第二轴向冲击力， 

8)所述第一轴向冲击力、第二轴向冲击力，以及所述交变的高频周向冲击力均经前导头(5)传递到所述齿(6)，作用于井底岩石。