一种自稳定降低破岩能量的钻头及钻头优化设计方法

技术领域

本发明涉及石油勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种自稳定降低破岩能量的钻头及钻头优化设计方法。

背景技术

石油钻井技术发展的是以旋转钻进为革新、PDC加螺杆钻进为突破、综合使用各种提速工具和优化技术为支撑的过程。在实际钻井过程中，对于钻头的使用都是在不同的地层偏重攻击性或耐磨性的设计，同时加以改变钻头的工作状态来强化钻头的破岩功效、避免钻头的早期破坏；对于旋转钻进，从钻头中心轴线向外，随着钻头的旋转，破岩能量也随对于中心点线速度的增加而增加；但钻头中心点上的破岩能量从理论上和实际上都是极小的，而被破岩石中心的破岩效率也极大影响着钻头的整体破岩效率。

针对现有技术的问题，本发明提供了一种自稳定降低破岩能量的钻头及钻头优化设计方法。

发明内容

为解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种自稳定降低破岩能量的钻头，所述钻头采用一体化的整体结构，包含：

先进钻头，其为柱状的自螺旋结构，以强自锐的方式进行步齿；

后进钻头，其与所述先进钻头的过渡部分采用渐变式的设计方式，以达到阶梯式破岩效果。

根据本发明的一个实施例，钻头整体下部的三分之一部分为所述先进钻头，钻头整体上部的三分之二部分为所述后进钻头，所述先进钻头的直径尺寸以及高度是所述后进钻头直径尺寸以及高度的一半。

根据本发明的一个实施例，所述先进钻头采用偏微心设计方式，所述先进钻头与所述后进钻头的中心轴线不在一条直线上。

根据本发明的一个实施例，所述先进钻头是柱状，其下端是“尖”120度的“十”字刃形状，并在其上布齿。

根据本发明的一个实施例，所述先进钻头具备双螺旋的布齿“肋排”以及双螺旋的排屑槽，螺旋的起点自最下部开始，右螺旋向上，螺旋的终点止于所述先进钻头与所述后进钻头的过渡部分，并且螺旋的起点与终点在180度的方向上。

根据本发明的一个实施例，强自锐的方式进行步齿满足：所述先进钻头上所布的牙齿在磨损达到一定的程度时崩裂出新齿，以达到牙齿自锐效果。

根据本发明的一个实施例，强自锐的方式进行步齿满足：所述先进钻头上所布的牙齿在钻进的冲击作用下产生蹦齿，进而产生自锐的新齿。

根据本发明的一个实施例，强自锐的方式进行步齿满足：布齿方式自锐，通过“藏齿”方式布齿，改变初始牙齿的受力状态，使得先期受力大的牙齿磨损或蹦齿后，初期受力小的牙齿开始大负荷受力破岩。

根据本发明的一个实施例，所述后进钻头具有加长水眼，所述加长水眼基于射流作用，促进所述先进钻头的清洁、润滑和冷却，避免所述先进钻头产生砂卡和重复破碎。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种稳定降低破岩能量的钻头优化设计方法，所述方法包含以下步骤：

确定钻头的整体结构，并明确所述先进钻头与所述后进钻头的尺寸；

以强自锐以及提升破岩能力为目标，对所述先进钻头的结构形状、牙齿选型以及牙齿布置进行优化设计；

以阶梯式破岩为原则，对所述先进钻头与所述后进钻头的过渡部分进行优化设计，以得到如上任一项所述的一种自稳定降低破岩能量的钻头。

本发明提供的一种自稳定降低破岩能量的钻头及钻头优化设计方法包含以下有益效果：采用阶梯式的钻头设计布局，优化钻头吃进钻头的方式、采用自锐的选齿和布齿方式，改变破岩顺序、优化利用破岩能量，能够最大限度的降低破岩时需要的能效。同时，分体尺寸设计也具有较强的自扶正、降振稳定的作用，而且也最大限度的增加了需要破岩的面积。而且钻头的自锐作用，也有力地保障了机械钻速和钻井进尺目标的实现。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的一种自稳定降低破岩能量的钻头示意图；以及

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种稳定降低破岩能量的钻头优化设计方法流程图。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

在附图中各附图标记的含义如下：1、微偏心“尖”“十”字的底端，2、自螺旋布齿“肋排”，3、先进钻头柱体，4、直径过渡带，5、后进钻头本体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

现有技术(CN201620174218.3)提出了一种新型石油钻头，包括接头，接头底端设有主钻头，主钻头的轴心设有竖向延伸的通孔，且通孔的水平截面形状为正方形，通孔内还分别设有液压缸和方形底座，且液压缸固定设于接头的底端，方形底座的顶端与活塞杆的底端连接，方形底座的底端还固定设有导引钻头，主钻头的左右两侧分别设有左、右支杆，左、右支杆的底端分别与主钻头的左、右侧壁铰接，左支杆顶端和主钻头左侧壁之间连接有左弹簧，右支杆顶端和主钻头右侧壁之间连接有右弹簧，在左、右支杆的顶端还分别设有辅助钻头。但是，该现有技术钻头由于使用铰接，钻头强度局限性较大。

现有技术(CN201721012365.1)提出了一种可提高钻头心部排屑效率的钻头，涉及石油钻探钻具技术领域，包括钻头体、刀翼以及用于喷射钻井液的喷嘴，所述钻头体心部设有排屑流道和与排屑流道连通的若干个吸屑通道，所述排屑流道的出口流向线与吸屑通道的出口流向线的夹角均为锐角，所述吸屑通道用于抽吸岩屑的端部设有负压抽吸嘴，所述负压抽吸嘴的中心轴线与钻头的中心轴线的夹角为15°～45°。但是，该现有技术的钻头没有一体式钻头的分体尺寸，不能兼顾强度与自锐性，在自扶正、降振稳定方面较为欠缺。

现有技术(CN200620147927.9)提出了一种用在钻井中破碎岩石的钻探工具,即一种旋转用自锐钻头，其主要由钻头体(1)、下钻头体(2)、刀翼(3)、切削齿(4)、水眼(5)组成和固定拉筋(6)组成，该钻头的布齿结构具有自锐的特性，而且结构也采用自锐布齿方式，其切削齿与刀翼之间采用固定拉筋固定。但是，该现有技术钻头由于固定拉筋的存在，降低了钻头的整体强度；仅仅采用了布齿的自锐方式，而没有在选齿方面进行自锐考虑。

现有技术(CN201120428264.9)提出了一种固定切削齿钻头，属于石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探设备用破岩工具领域，包括钻头体，切削齿，所述切削齿由基齿和叠齿组合而成，所述基齿固结在所述钻头体上，所述基齿上设置有与所述叠齿外形相匹配的凹槽，所述基齿的部分或全部出露于钻头冠部表面之外，所述叠齿相对于所述钻头体向外固结在所述基齿的凹槽中，叠齿与基齿所形成的叠齿结构的总高度值大于基齿的理论高度。但是，该现有技术没有考虑钻头的自锐、清砂举砂的排屑槽的形式，没有说明钻头强度需求。

现有技术(CN201120234227.4)提出了一种牙轮钻头内置槽涂层强化钻齿，其技术方案是在齿体上部设有齿头，齿体顶端设有齿冠，在齿头圆锥面上成放射状开有内置槽，在齿冠外缘与内置槽内涂有金刚石涂层，内置槽截面形状为圆弧形或V形或U形或半椭圆形。但是，该现有技术仅仅在牙齿的制造工艺上使得牙齿有了很好的切削和自锐功能，没有在布齿的方式上也具有“布齿”自锐的功能，不能很好的发挥牙齿本身的自锐特性。

现有技术(CN201420479813.9)提出了一种用于水平分支喷射钻井的自牵引软管总成，包括喷射钻头、位移传感器和软管，其中：所述喷射钻头安装在所述软管的端部，所述喷射钻头的前端设置有用于破碎钻进方向正面的岩石的主喷射孔，在所述喷射钻头上还设置有沿所述喷射钻头周向均匀布置的多个辅助喷射孔和多个副喷射孔，所述副喷射孔的方向与所述喷射钻头前进方向成锐角，所述辅助喷射孔与所述喷射钻头前进方向成钝角；所述软管由外向内分为钢丝编织层、通信层和内胶层三层，所述位移传感器安装在所述喷射钻头上并通过所述通信层连接至井上。但是，该现有技术钻头适合水平井、并在特定的配套设施技术上才能实施的，使用范围受到局限性。

现有技术(CN85100739.2)提出了一种用不同形状和厚度的人造金刚石聚晶直接钎焊或包镶到硬质材料的支撑体上，制成-套新型人造金刚石聚晶——硬质材料复合齿。这类齿可作为切削刃，用在石油、煤炭、矿山、地质等各种钻探工具上。这类齿可以根据岩性设计齿形。用它制成的钻头，自锐性好，能自磨形成合理形状，钻头寿命高，钻速快。这类齿耐热性高，能用现有金刚石钻头烧结工艺制成钻头。但是，该现有技术仅仅从选齿上阐述了牙齿自锐性，没有涉及牙齿布局的自锐性。

图1显示了根据本发明的一个实施例的一种自稳定降低破岩能量的钻头示意图。

如图1所示，钻头采用一体化的整体结构，包含先进钻头以及后进钻头。先进钻头为柱状的自螺旋结构，以强自锐的方式进行步齿；后进钻头与先进钻头的过渡部分采用渐变式的设计方式，以达到阶梯式破岩效果。

在一个实施例中，从钻头的整体设计、先进钻头及后进钻头的尺寸设计角度来说，钻头是整体的，但尺寸上分为先进钻头部分和后进钻头部分。钻头整体下部的三分之一部分为先进钻头，钻头整体上部的三分之二部分为后进钻头，先进钻头的直径尺寸以及高度是后进钻头直径尺寸以及高度的一半。

进一步地，在先进钻头与后进钻头的直径过渡部分不能产生尺寸的突变，采用渐变式的直径尺寸过渡更加有利于过渡部分强度的增加。后进钻头采用柱状的形状构造设计，但在选齿和布齿方面选用自锐方式。由于分体尺寸的不同，本发明提供的钻头产生了阶梯式破岩效果，优化使用了钻头的整体破岩功效。先进钻头柱状的设计以及直径过渡部分，能够实现满足破岩时初始的冲击需要，具有强度高、抗冲击能力强的特点。

在一个实施例中，先进钻头是柱状，其下端是“尖”120度的“十”字刃形状，并在其上布齿。具体来说，先进钻头下端“尖”120度的“十”字刃形状，更有利于吃进岩石破岩。

在一个实施例中，先进钻头具备双螺旋的布齿“肋排”以及双螺旋的排屑槽(自螺旋布齿“肋排”之间为排屑槽)，螺旋的起点自最下部开始，右螺旋向上，螺旋的终点止于先进钻头与后进钻头的过渡部分，并且螺旋的起点与终点在180度的方向上。具体来说，双螺旋排屑槽利于排砂和举砂，同时更便于钻井液对先进钻头的清洁、冷却、润滑；双螺旋“肋排”更易在其上布齿，同时不降低“肋排”的强度。

具体来说，先进钻头的柱状设计是保证强度的需要，自螺旋有布齿“肋排”、和排屑槽，是为了优化布齿、清砂和举砂。

在一个实施例中，从先进钻头强自锐的选齿、布齿方式设计角度来说，强自锐的方式进行步齿满足：先进钻头上所布的牙齿在磨损达到一定的程度时崩裂出新齿，以达到牙齿自锐效果；先进钻头上所布的牙齿在钻进的冲击作用下产生蹦齿，进而产生自锐的新齿；布齿方式自锐，通过“藏齿”方式布齿，改变初始牙齿的受力状态，使得先期受力大的牙齿磨损或蹦齿后，初期受力小的牙齿开始大负荷受力破岩。

在一个实施例中，先进钻头采用偏微心设计方式，先进钻头与后进钻头的中心轴线不在一条直线上。

具体来说，先进钻头的微偏心设计，即是先进钻头和后进钻头的中心轴线不在一条直线上，先进钻头的公转会在其公转的中心线上产生破岩功效，同时先进钻头产生的成孔也改变了其所接触岩石的结构应力，使得“成孔”的围岩具有向内塌陷的趋势，进而降低了局部岩石的强度，使得后进钻头的垂直压持作用对成孔产生径向作用，更有利于后进钻头破岩，降低后进钻头破岩所需能量；同时微偏心的形状，会产生微扩孔的效果，更加利于排砂和举砂、在上部加长水眼的射流作用下，促进先进钻头的清洁、润滑和冷却，也会避免先进钻头产生砂卡和重复破碎。微偏心设计会提高先进钻头的破岩作用、以及微扩孔作用，避免其重复破岩产生能量浪费，同时成孔也会降低后进钻头破岩时所需的能量。

在一个实施例中，后进钻头具有加长水眼，加长水眼基于射流作用，促进先进钻头的清洁、润滑和冷却，避免先进钻头产生砂卡和重复破碎。通过对后进钻头的选齿、布齿等设计使先进钻头产生自锐作用，同时大幅度增加其破岩功效。

将本发明与上述现有技术对比可以看出，针对自稳定降低破岩能量角度来说，本发明具有以下优势：(1)钻头本体强度得到优化，提升钻头的抗冲击性和寿命；(2)对排屑槽的功用进一步优化；(3)所布牙齿的“肋排”强度，对牙齿自锐和布齿方式自锐进行综合；(4)对微偏心的扩孔、避免重复破岩的功能；(5)钻头自身的扶正、降振自稳定设计。

综上，本发明中钻头能够适应对不同的岩性破岩，特别是对硬地层具有明显的优势。本发明包括钻头整体的设计、先进钻头部分的尺寸，先进钻头的形状是柱状、自螺旋，先进钻头强自锐的选齿、布齿方式，先进钻头的微偏心设计。钻头的整体设计有利于破岩效率的最大利用，同时先进钻头和后进钻头的布局设计，更加利于钻头工作状态的稳定，最大限度的保护了钻头，提高了钻头的使用寿命。而先进钻头的结构形状，牙齿选型、牙齿布置方式等的设计，保证了先进钻头的强度，特别是在布齿后的强度需求；“尖”“十”字的底端设计更加容易吃进地层；双螺旋设计利于清砂举砂，也利于对钻头的清洁、冷却润滑；牙齿选型和布齿方式，使得钻头获得自锐能力，更加利于机械钻速和钻进进尺的需求。

本发明的钻头提供了阶梯式破岩顺序，通过先期对被破岩石的中心部分破岩，改变局部岩石的初始应力方向，进而降低局部岩石的强度，使破岩功效优化和降低，进而达到整体破岩所需能量的降低；同时本发明采用一体设计、分体尺寸的异体结构也具有很强的自扶正、降振、稳定作用，能够满足钻头自身破岩时的攻击性和耐磨性兼备的需求。

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种稳定降低破岩能量的钻头优化设计方法流程图。

如图2，在步骤S201中，确定钻头的整体结构，并明确先进钻头与后进钻头的尺寸。

如图2，在步骤S202中，以强自锐以及提升破岩能力为目标，对先进钻头的结构形状、牙齿选型以及牙齿布置进行优化设计。

如图2，在步骤S203中，以阶梯式破岩为原则，对先进钻头与后进钻头的过渡部分进行优化设计，以得到图1示出的一种自稳定降低破岩能量的钻头。

本发明提供的一种自稳定降低破岩能量的钻头及钻头优化设计方法还可以配合一种计算机可读取的存储介质，存储介质上存储有计算机程序，执行计算机程序以运行一种稳定降低破岩能量的钻头优化设计。计算机程序能够运行计算机指令，计算机指令包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。

计算机可读取的存储介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需要说明的是，计算机可读取的存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读取的存储介质不包括电载波信号和电信信号。

综上，本发明提供的一种自稳定降低破岩能量的钻头及钻头优化设计方法包含以下有益效果：采用阶梯式的钻头设计布局，优化钻头吃进钻头的方式、采用自锐的选齿和布齿方式，改变破岩顺序、优化利用破岩能量，能够最大限度的降低破岩时需要的能效。同时，分体尺寸设计也具有较强的自扶正、降振稳定的作用，而且也最大限度的增加了需要破岩的面积。而且钻头的自锐作用，也有力地保障了机械钻速和钻井进尺目标的实现。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。