CN112523697A - 钻头以及钻井设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钻头及钻井设备，属于油气开采技术领域。本发明提供的钻头包括钻头主体、旋流喷嘴以及多个径向喷嘴；所述钻头主体内形成有供液体流动的主流道；多个所述径向喷嘴沿所述钻头主体的周向设置在所述钻头主体的外边沿，所述径向喷嘴与所述主流道连通，且多个所述径向喷嘴沿着同一个圆的多个切线方向喷射；所述旋流喷嘴与所述主流道连通，所述旋流喷嘴偏心设置在所述钻头主体的底部。本发明提供的钻井设备包括上述任一种钻头、安装头以及油管，所述钻头通过所述安装头与所述油管可拆卸连接，且所述油管通过所述安装头与所述钻头的主流道连通。本发明提供所提供的钻头能够将套管内全部堵塞物清理干净，不会使套管的内径变小，因此可以保证油井的正常生产。

Description

钻头以及钻井设备

技术领域

本发明涉及一种钻头以及钻井设备，属于油汽开采技术领域。

背景技术

油井调补层、堵水以及树脂固砂施工后，在油井的套管中会产生水泥灰塞和砂塞，形成灰砂固结层，此时就必须使用钻头对该灰砂固结层进行清理，以尽快使油井恢复正常。

现有的钻具包括钻杆主体和钻头，钻头固定在钻杆主体的一端，该钻头包括钻头主体和切削齿，切削齿沿钻头主体的周向分布并且沿钻头主体的径向延伸。在清理灰砂固结层的过程中，钻杆主体带动钻头旋转，钻头上的切削齿对灰砂固结层进行切削、打碎。

然而，由于地层对套管的挤压作用，常常使套管发生变形使其直径变小，因此当下入钻具对灰砂固结层进行清理时为防止卡钻通常需要选用直径较小的钻头，这种小直径的钻头难以将套管内的所有堵塞物完全清理掉，会使得套管在清理后内径变小，随着清理的次数增加，套管的堵塞会变得越来越频繁和严重，从而影响油井的正常生产。

发明内容

本发明提供一种钻头及钻井设备，以解决现有技术中的钻具影响油井正常生产的技术问题。

一方面本发明提供一种钻头，包括钻头主体、旋流喷嘴以及多个径向喷嘴；

所述钻头主体内形成有供液体流动的主流道；

多个所述径向喷嘴沿所述钻头主体的周向设置在所述钻头主体的外边沿，所述径向喷嘴与所述主流道连通，且多个所述径向喷嘴沿着同一个圆的多个切线方向喷射；

所述旋流喷嘴与所述主流道连通，所述旋流喷嘴偏心设置在所述钻头主体的底部。

进一步地，所述旋流喷嘴为多个，环绕所述钻头主体的轴线均匀设置。

进一步地，所述旋流喷嘴为3个。

进一步地，所述多个径向喷嘴环绕所述钻头主体的外边沿均匀设置。

进一步地，所述径向喷嘴为4个。

另一方面本发明提供一种钻井设备，包括上述任一种钻头、安装头以及油管，所述钻头通过所述安装头与所述油管可拆卸连接，且所述油管通过所述安装头与所述钻头的主流道连通。

进一步地，所述安装头包括外壳、中空的连接轴以及第一轴承和第二轴承；

所述连接轴的顶端形成有环形支撑台，所述第一轴承套设在所述环形支撑台的上方，所述第二轴承套设在所述环形支撑台的下方；

所述连接轴的底端插设并固定在所述钻头主体的主流道内；

所述外壳的内壁形成有与所述支撑台配合的上抵接面和下抵接面，所述第一轴承设置在所述支撑台的上表面和上抵接面之间，所述第二轴承设置在所述支撑台的下表面与下抵接面之间。

进一步地，所述外壳与所述连接轴之间安装有密封圈。

进一步地，所述密封圈包括设置在所述第一轴承上方的上密封圈以及设置在所述第二轴承下方的下密封圈。

进一步地，还包括滑套开关，所述滑套开关包括外筒和滑套，所述外筒沿周向开设有多个旁通孔，所述滑套通过剪切销钉与所述外筒固定以封堵所述旁通孔；

所述油管与所述外筒的顶端连通；所述外筒的底端插设并固定在所述安装头的顶端以使所述外筒的底端与所述安装头连通。

本发明提供的钻头和钻井设备，通过在钻头主体的外边沿沿其周向设置多个径向喷嘴和在钻头主体的底部设置偏心旋流喷嘴，当向油管中注入高压高速钻井液时，从多个径向喷嘴喷射出来的钻井液沿同一个圆的切线方向喷射从而驱动钻头主体绕中心轴旋转，从偏心设置的旋流喷嘴喷射出来的钻井液形成锥形并提高了对管壁的冲击力，钻头主体在旋转的同时也驱动锥形钻井液绕钻头主体的中心轴旋转，从而使锥形钻井液的喷射范围覆盖套管的横截面，进而将该横截面上的阻塞物清理干净，随着钻头主体不断下放的过程中，呈锥形喷射的钻井液将套管内全部堵塞物清理干净。并且当多个径向喷嘴沿同一个圆的切线方向喷射时，所喷射的液体还可以进一步对套管壁及其附近的阻塞物进行清理，从而获得更好的清理效果。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例一提供的钻头的剖视图；

图2为图1中A-A向的剖视图；

图3为本发明实施例一提供的一种钻头的仰视图；

图4为本发明实施例一提供的另一种钻头的仰视图；

图5为本发明实施例二提供的钻井设备的安装头的剖视图；

图6为本发明实施例二提供的钻井设备的滑套开关的结构示意图；

图7为图6所示的滑套开关的剖视图；

图8为本发明实施例二提供的钻井设备的结构示意图。

附图标记：

100钻头主体； 101主流道；

102第一连通通道； 103扇形凹槽；

104第二连通通道； 200旋流喷嘴；

300径向喷嘴； 400安装头；

401外壳； 4011上壳体；

4012下壳体； 4013上抵触面；

4014下抵触面； 4015第一通孔；

4016第二通孔； 402连接轴；

4021环形支撑台； 403第一轴承；

404第二轴承； 500密封圈；

600滑套开关； 601外筒；

6011旁通孔； 602滑套；

603剪切销钉。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例一

图1为本实施例提供的钻头的剖视图，图2为图1中A-A向剖视图，图3为本实施例提供的钻头的第一种底面结构示意图，图4为本实施例提供的钻头的第二种底面结构示意图，下面结合图1～4具体说明本实施例的具体的实施方式。

本实施例提供一种钻头，包括钻头主体100、旋流喷嘴200以及多个径向喷嘴300，钻头主体100内形成有供体液流动的主流道101，多个径向喷嘴300沿钻头主体100的周向设置在钻头主体100的外边沿，径向喷嘴300与主流道101连通，且多个径向喷嘴300沿着同一个圆的多个切线方向喷射，旋流喷嘴200与主流道101连通，旋流喷嘴200偏心设置在钻头主体100的底部。

具体的，钻头主体100可以为任一合适的形状和结构，例如可以为圆柱状，或者也可以为圆台状，当然还可以为其他适宜于在油管内使用的形状。优选的，钻头主体100为圆柱状，圆柱状的钻头主体100在绕中心轴旋转时阻力较小，从而使钻头主体100具有较快的旋转速度。

钻头主体100内形成有供液体流动的主流道101，主流道101的形状和结构本实施例不做具体的限定，例如主流道101的横截面可以为圆形，或者还可以为椭圆形，主流道101可以为等径流道，或者也可以变径流道，在一个示例中，如图1所示，主流道由两个支道组成，靠近钻头主体100进液口的第一支道的直径大于远离钻头主体100进液口的第二支道的直径。主流道101可以与钻头主体100同轴设置，或者也可以为非同轴设置。

旋流喷嘴200与主流道100连通。本实施例提供的旋流喷嘴200可以为任意合适的形状和结构，例如可以为圆柱状，或者也可以为图3所示的正六边形状，旋流喷嘴的内壁可以为圆柱形，或者也可以为圆锥形。

在一个示例中，如图1所示，主流道101与钻头主体100同轴设置，旋流喷嘴200通过第一连通通道102与主流道101连通，第一连通通道102包括第一连通段和第二连通段，第一连通段垂直于主流道101，第二连通段平行于主流道101。流喷嘴200的出液口可以位于图1所示的第二连通段内，即旋流喷嘴整***于第二连通段内；或者旋流喷嘴200的出液口也可以位于第二连通段外，即旋流喷嘴200的一部分位于第二连通段内；旋流喷嘴200与第二连通段固定连接，例如可以通过螺纹连接，或者也可以通过卡接。

本示例中通过第一连通段和第二连通段实现了旋流喷嘴200的偏心设置。当然第一连通通道102的结构不限于本实施例中所提供的结构，例如第一连通通道102还可以为直线管道，第一连通通道102的中轴线与主流道101的中轴线之间具有夹角，该夹角小于90°，例如可以为30°，或者也可以为20°。

在另一个示例中，主流道101与钻头主体100非同轴设置，也就是说主流道101本身偏心设置在钻头主体100内，可以直接将旋流喷嘴200安装在主流道内。

本实施例提供的旋流喷嘴200可以为图3所示的1个，或者也可以为多个，例如可以为3个，或者也可以为5个。可选的，当旋流喷嘴200为多个时，旋流喷嘴200可以环绕钻头主体100的轴线均匀设置，例如图4所示当旋流喷嘴200为3个时，3个旋流喷嘴200所形成的三角形的中心位于钻头主体100的轴线上；或者当旋流喷嘴200为4个时，4个旋流喷嘴200所形成的正方形的中心位于钻头主体100的轴线上。

在本实施例中，多个径向喷嘴300沿钻头主体100的周向设置在钻头主体100的外边沿。主流道101沿其径向方向延伸形成多个第二连通通道104，多个径向喷嘴300分别通过图2所示的多个第二连通通道104与主流道101连通，第二连通通道104的轴线与径向喷嘴300的轴线成90°夹角以使径向喷嘴300沿着圆的切线方向喷射从而使钻头主体100旋转。

具体的，径向喷嘴300可以为任意合适的形状，例如可以为圆柱状，或者也可以为方柱状，径向喷嘴的内壁可以形成图2所示的锥形，或者也可以形成圆柱状，本实施例对径向喷嘴300的结构不做具体限定，只要能实现喷射功能即可。

在一个示例中，钻头主体100为圆柱状，在钻头主体100的侧壁上沿周向挖设形成如图2所示的与径向喷头300相配合的多个扇形凹槽103。扇形凹槽103的长度不作具体限定，其可以沿钻头主体100的轴向延伸至钻头主体100的底面，或者也可以沿钻头主体100的轴向延伸至靠近钻头主体100底面的位置。在一个具体的例子中，如图2所示，径向喷嘴300嵌设在扇形凹槽103的侧壁内，径向喷嘴300的出液口与扇形凹槽103的侧壁位于同一平面；在另一个例子中，径向喷嘴300位于扇形凹槽103内，径向喷嘴300的进液口固定在扇形凹槽103的侧壁上。

在另外一个示例中，径向喷嘴300还包括直角弯头，直角弯头一端固定在径向喷嘴300的进液口，直角弯头的另一端固定在第二连通通道104内，径向喷嘴300通过直角弯头与第二连通通道104连通以使径向喷嘴300沿切线方向喷射。

本实施例提供的多个径向喷嘴300可以环绕钻头主体100的外边沿均匀设置，例如当径向喷嘴300为3个时，与径向喷嘴300相配合的第二连通通道104也为3个，且3个第二连通通道之间的夹角为120°；例如当径向喷嘴300为4个时，如图2所示，与径向喷嘴300相配合的第二连通通道104之间的夹角为90°。

下面介绍本实施例提供的钻头的工作方式：

将钻井设备下入至灰砂固结层附近，向油管中注入高速钻井液，从多个径向喷嘴喷射出来的钻井液沿同一个圆的切线方向喷射从而驱动钻头主体绕中心轴旋转，从偏心设置的旋流喷嘴喷射出来的钻井液形成锥形，钻头主体在旋转的同时也带动锥形钻井液绕钻头主体的中心轴旋转，从而使锥形钻井液的喷射范围覆盖套管的横截面，进而将该横截面上的阻塞物清理干净，随着钻头主体不断下放的工作过程中，锥形钻井液将套管内全部堵塞物冲刷清理掉，而径向喷嘴所喷射出来的钻井液也进一步对套管壁附近的堵塞物进行清理，完成整个清理过程。

本实施例提供的钻头，通过在钻头主体的底部设置偏心旋流喷嘴且旋流喷嘴与钻头主体内的主流道连通，在钻头主体的外边沿沿其周向设置多个径向喷嘴且径向喷嘴与主流道连通，多个径向喷嘴沿着同一个圆的多个切线方向喷射，从而驱动钻头旋转，以使得钻头的喷射范围覆盖套管的整个横截面，也就是说从旋流喷嘴喷射出来的液体所形成的喷射面可以将套管横截面全部覆盖，所以本实施例提供的钻头可以将套管内的所有堵塞物全部清理掉，不会影响套管的内径，从而使油井正常生产。

实施例二

图5为本实施例提供的钻井设备的安装头的剖视图，图6为本实施例提供的钻井设备的滑套开关的结构示意图，图7为图6所示的滑套开关的剖视图，图8为本实施例提供的钻井设备的结构示意图，下面结合图5～8具体说明本实施例的实施方式。

本实施例提供一种钻井设备，包括安装头400、油管700以及上述实施例中的任一种钻头，钻头通过安装头400与油管700可拆卸连接，且油管700通过安装头400与钻头的主流道101连通。

具体的，在一个示例中，如图5所示，安装头400包括外壳401、中空的连接轴402以及第一轴承403和第二轴承404。连接轴402的顶端形成有环形支撑台4021，第一轴承403套设在环形支撑台4021的上方，第二轴承404套设在环形支撑台4021的下方。外壳401包括可拆卸连接的上壳体4011和下壳体4012，上壳体4011的内壁形成有与环形支撑台4021配合的上抵触面4013，下壳体4012的内壁形成有与环形支撑台4021配合的下抵触面4014。第一轴承403设置在环形支撑台4021的上表面和上抵触面4013之间，第二轴承404设置在环形支撑台4021的下表面和下抵触面4014之间。上壳体4011内形成有与空心连接轴402连通的空腔且上壳体4011的顶面开设第一通孔4015，油管700插设并固定在第一通孔4015中。油管700与第一通孔4015可以通过螺纹固定，或者也可以通过卡接固定。下壳体4012的底端开设有第二通孔4016，连接轴402的一部分穿过第二通孔4016使连接轴402的底端插设并固定在钻头主体100的主流道101内，连接轴402的底端与主流道101可以通过卡接固定，或者也可以通过销接固定，当然还可以通过键连接固定。

可选地，第一轴承403和第二轴承404为推力轴承，实现在组装安装头的过程中承受来自轴向方向的力。

本实施例提供的钻井设备，通过安装头400实现了在第一轴承403和第二轴承404的作用下连接轴402在壳体401内转动的效果，也就是说钻头的转动只传递给连接轴402，安装头400的壳体401以及与安装头400连接油管700均不会转动，即当径向喷嘴300喷射液体时只驱动钻头以及连接轴402转动，从而保证了钻头高效旋转。

当然，安装头400的具体结构并不限于本实施例所描述的，只要能够实现钻头与油管700连通且可拆卸连接的作用即可。例如，安装头400还可以为中空的圆筒状，安装头400的下端卡设在钻头的主流道101内，安装头的上端与油管700键连接。

可选地，外壳401与连接轴402之间安装有密封圈500。具体的，密封圈500包括设置在第一轴承403上方的上密封圈以及设置在第二轴承404下方的下密封圈。在一个示例中，在上壳体4011与连接轴402之间设置上密封圈，在下壳体4012与连接轴402之间设置下密封圈。当然还可以如图5所示在连接轴402与钻头主体之间设置密封圈500。

可选地，本实施例提供的钻井设备还包括滑套开关600，滑套开关600包括外筒601和滑套602，外筒601沿周向开设有多个旁通孔6011，滑套602通过剪切销钉603与外筒601固定以封堵旁通孔6011。如图8所示，油管700与外筒601的顶端连通，外筒601的底端与安装头400连通。

具体的，外筒601为中空的，外筒601可以为任意合适的形状，例如，可以为圆柱状，或者也可以为方柱状，外筒601的上端沿其轴向方向形成中空的第一凸起，第一凸起用于与油管700连接。油管700的下端沿其轴向形成中空的第二凸起，第二凸起用于与安装头400连接。

外筒601上的旁通孔6011可以为圆形通孔，或者也可以为图6所示的椭圆形通孔，当然也可以为其他任意的形状，旁通孔6011可以为4个，或者也可以为5个，本实施例对旁通孔6011的数量不做具体限定，本领域技术人员可以根据实际需要自行设置旁通孔6011的数量。

滑套602为中空的，滑套602的形状与外筒601的形状相配适，例如，当外筒601为圆柱状时，滑套602也为与外筒601相配适的圆柱状以实现滑套602对旁通孔6011的封堵。

如图7所示，为了提高滑套602座封的能力，可以在滑套602上端的开口处形成倒梯形的形状，从而在座封时，投入的钢球可以落在滑套602的倒梯形的开口中，从而增大了钢球与倒梯形开口的内壁接触面积，从而使钢球与滑套602实现更好密封。

滑套602通过剪切销钉603与外筒固定以封堵旁通孔6011，具体的，剪切销钉603沿外筒601的周向均匀设置，剪切销钉603可以为图7所示的2个，或者也可以为3个，例如当剪切销钉603为2个时，2个剪切销钉603之间的夹角可以为180°。

具体的，油管700插设并固定在外筒601的第一凸起内以使油管700与外筒601连通，油管700与外筒601可以通过螺纹连接，或者也可以通过销连接。

具体的，外筒601的第二凸起插设并固定在安装头400的顶端，例如外筒601的第二凸起可以穿过安装头400的第一通孔4015固定在上壳体4011中，外筒601与安装头400连通。

本实施例提供的滑套开关，用于对清理后的砂灰固结层碎片进行排出。具体来讲，首先对滑套开关进行投球，将钢球投入油管中，钢球经油管进入滑套开关中并且座封在滑套的上开口处；然后向油管中注入高速冲砂液，冲砂液经油管流入滑套开关中，在冲砂液的作用下将剪切销钉冲断从而使滑套滑落进而将旁通孔打开，旁通孔开启后停止向油管中注入冲砂液；最后向油管和套管之间的环形空间注入高速冲砂液，冲砂液具有一定粘度因此可以携带砂灰固结层碎片由旁通孔进入油管中，最终携带砂灰固结层碎片的冲砂液从油管返出地面，实现了将砂灰固结层碎片的排出。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种钻头，其特征在于，包括钻头主体、旋流喷嘴以及多个径向喷嘴；

所述钻头主体内形成有供液体流动的主流道；

多个所述径向喷嘴沿所述钻头主体的周向设置在所述钻头主体的外边沿，所述径向喷嘴与所述主流道连通，且多个所述径向喷嘴沿着同一个圆的多个切线方向喷射；

所述旋流喷嘴与所述主流道连通，所述旋流喷嘴偏心设置在所述钻头主体的底部。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述旋流喷嘴为多个，环绕所述钻头主体的轴线均匀设置。

3.根据权利要求2所述的钻头，其特征在于，所述旋流喷嘴为3个。

4.根据权利要求1至3任一项所述的钻头，其特征在于，所述多个径向喷嘴环绕所述钻头主体的外边沿均匀设置。

5.根据权利要求4所述的钻头，其特征在于，所述径向喷嘴为4个。

6.一种钻井设备，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的钻头、安装头以及油管，所述钻头通过所述安装头与所述油管可拆卸连接，且所述油管通过所述安装头与所述钻头的主流道连通。

7.根据权利要求6所述的钻井设备，其特征在于，所述安装头包括外壳、中空的连接轴以及第一轴承和第二轴承；

所述连接轴的顶端形成有环形支撑台，所述第一轴承套设在所述环形支撑台的上方，所述第二轴承套设在所述环形支撑台的下方；

所述连接轴的底端插设并固定在所述钻头主体的主流道内；

所述外壳的内壁形成有与所述支撑台配合的上抵接面和下抵接面，所述第一轴承设置在所述支撑台的上表面和所述上抵接面之间，所述第二轴承设置在所述支撑台的下表面与所述下抵接面之间。

8.根据权利要求7所述的钻井设备，其特征在于，所述外壳与所述连接轴之间安装有密封圈。

9.根据权利要求8所述的钻井设备，其特征在于，所述密封圈包括设置在所述第一轴承上方的上密封圈以及设置在所述第二轴承下方的下密封圈。

10.根据权利要求7至9任一项所述的钻井设备，其特征在于，还包括滑套开关，所述滑套开关包括外筒和滑套，所述外筒沿周向开设有多个旁通孔，所述滑套通过剪切销钉与所述外筒固定以封堵所述旁通孔；

所述油管与所述外筒的顶端连通；所述外筒的底端与所述安装头连通。

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