可补偿的钻井钻头装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可补偿的钻井钻头装置及方法，特别涉及一种可移动补偿式钻头装置。

背景技术

在钻井过程中钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关。钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。PDC钻头是当今石油和天然气勘探开发行业广泛使用的一种破岩工具，它有效地提高了机械钻具，缩短了钻井周期。但是，在实际生产中，一般石油井深有几百米到几千米，甚至上万米，在这个工序中，虽然PDC钻头耐磨耐用，但是仍然存在着因为钻头的磨损而反复起下钻杆的问题，几千米甚至上万米的深度，来回起下钻杆更换钻头，就需要耗费大量的时间，降低了有效钻井的时间，大部分时间都用在了起钻杆管柱，和下钻杆管柱，实际上更换钻头的时间非常短，这就会浪费大量的人力、物力和财力。

目前，大部分创新都用在了钻头的改进，提高了钻头的使用寿命，但是没有人去想如何降低起下管柱的时间，从而大幅缩短更换钻头的时间。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种可补偿的钻井钻头装置及方法，采用携带一个或一个以上的备用钻头的新结构，在主钻头磨损报废或接近失效的时候，上提一小段距离的钻杆，将备用钻头释放，形成新的钻头，这样，大幅的减少了起下管柱的作业次数，从而节省了大量时间，提高了钻井的有效时间。

本发明提到的一种可补偿的钻井钻头装置，其技术方案是是：包括钻杆挺进体（1）、钻具载体（2）、中心耗费体（3）、主钻铣钻头（4）、备用钻头展开机构（6）、备用钻头转轴（7）、备用钻头支撑杆（8）、传力扭矩条（9）、循环液通道（10）、备用钻铣钻头（11）、钻头防扭容刀槽（12）、备用钻头展开活动槽（14）、第一钻头展开活动槽（15）、第一钻头展开轴（16）、第一支撑杆（17）、第一钻头展开弹簧（18）、第一钻头转轴（19），在钻杆挺进体（1）的后端设有用于连接钻杆的外螺纹（13），钻杆挺进体（1）设有中心孔，中心孔内设有钻具载体（2），且钻具载体（2）与钻杆挺进体（1）之间形成循环液通道（10）；所述钻具载体（2）内设有中心承载孔，中心承载孔内设有传力扭矩条（9），中心承载孔通过传力扭矩条（9）连接中心耗费体（3）；所述中心耗费体（3）上设有主钻头装置和备用钻头装置，前端的主钻头装置包括第一钻头展开活动槽（15）、第一钻头展开轴（16）、第一支撑杆（17）、第一钻头展开弹簧（18）、第一钻头转轴（19）和主钻铣钻头（4），主钻铣钻头（4）通过第一钻头转轴（19）连接在中心耗费体（3）的中心前端，主钻铣钻头（4）的中部通过第一支撑杆（17）和第一钻头展开弹簧（18）连接到第一钻头展开轴（16），且第一钻头展开轴（16）在第一钻头展开活动槽（15）内移动，所述主钻铣钻头（4）的内表面卡合在钻杆挺进体（1）末端设有的钻头防扭容刀槽（12），提高主钻铣钻头（4）的扭力。

优选的，上述备用钻头装置包括备用钻头展开活动槽（14）、备用钻头展开机构（6）、备用钻头转轴（7）、备用钻头支撑杆（8）、备用钻铣钻头（11），所述备用钻铣钻头（11）通过备用钻头支撑杆（8）连接备用钻头转轴（7），备用钻铣钻头（11）的中部通过备用钻头展开机构（6）与备用钻头展开活动槽（14）配合，将备用钻头展开机构（6）压缩，使备用钻铣钻头（11）安设在中心孔的传力扭矩条（9）上部。

优选的，上述备用钻头装置设有多组，依次组装在中心耗费体（3）上。

优选的，上述循环液通道（10）内设有循环定压阀（5），循环定压阀（5）包括定压阀本体（5.1）和分定压阀（5.2），定压阀本体（5.1）为圆环形结构，在定压阀本体（5.1）上分布有多个分定压阀（5.2）。

优选的，上述主钻铣钻头（4）包括刀块本体（4.1）、支撑筒（4.2）、内斜刀头（4.3）、外斜刀头（4.4）、轴孔（4.5）、主钻头支撑杆（4.6），所述刀块本体（4.1）采用耐磨耐高温材料制成，刀块本体（4.1）的上部设有上细下粗的主钻头支撑杆（4.6），主钻头支撑杆（4.6）的上端设有轴孔（4.5），所述刀块本体（4.1）的中部设有支撑筒（4.2），用于与第一钻头展开轴（16）和第一支撑杆（17）配合。

优选的，上述刀块本体（4.1）的一端设有内斜刀头（4.3），另一端设有外斜刀头（4.4），这样，在两根刀块本体（4.1）组成主钻铣钻头（4）时，两个内斜刀头（4.3）形成主钻铣钻头（4）的最外端，两个外斜刀头（4.4）形成与钻杆挺进体（1）平行的结构。

优选的，上述刀块本体（4.1）为长条形的结构，表面嵌有金刚石。

优选的，上述钻头承载体（3）包括承载体本体（3.1）、转轴活动槽（3.2），在圆柱形的承载体本体（3.1）上设有多个转轴活动槽（3.2）和备用钻头展开活动槽（14）。

优选的，上述钻具载体（2）包括载体本体（2.1）和备用刀块展开槽（2.2），在圆筒形的载体本体（2.1）上开设有多个备用刀块展开槽（2.2）。

本发明提到的一种可补偿的钻井钻头装置的使用方法，其技术方案是包括以下步骤：

一、可补偿的钻井钻头装置的组装：①先将可移动补偿件组装好，即，在中心耗费体（3）装上主钻头装置和备用钻头装置，形成一个整体A，等待下一步组装工序；②将传力扭矩条（9）通过螺钉连接，将其组装在钻具载体（2）内腔，并将它们焊接在一起；用试压机，将循环定压阀（5）的压力调好，然后，将循环定压阀（5）焊接在钻具载体（2）外壁上，形成一个整体B；③将整体B装入钻杆挺进体（1）内，并焊接牢固形成一个整体C；将整体A装入整体C中，通过调试，在主钻头装置中的刀块本体（4.1）变成主钻铣钻头（4），这样，就完成了装置的组装；

二、正常钻井时，将可补偿的钻井钻头装置通过钻杆下入井下进行钻井作业，正常钻井时，利用被钻体与钻杆的压力，使主钻铣钻头（4）定位在钻杆挺进体（1）的端部的钻头防扭容刀槽（12）内，利用钻杆挺进体（1）及传力扭矩条（9）作为主钻铣钻头（4）的施力体，这样钻杆挺进体（1）的旋转就会对主钻铣钻头（4）形成强力扭矩，利用主钻铣钻头（4）进行钻铣，利用通过循环定压阀（5）的液体进行循环，将钻屑以泥浆的形式洗出至地面；

三、主动补偿钻头操作：当出现钻井效率下降或者主钻头装置完全失效时，也就是工作的主钻铣钻头（4）磨完了，这时，上提钻井管柱，在液体压力作用下，由于循环定压阀（5）具有一定的打开压力，因此，中心耗费体（3）将承载着备用钻头装置下移，使得备用钻头装置中的最下端的两个备用的刀块本体伸出钻杆挺进体（1），此时井口操作旋转钻杆，原失效的中心耗费体（3）在第一钻头展开活动槽（15）下部断开，然后停止旋转钻杆，继续下移钻杆，整个钻杆下压使两块钻铣用的刀块本体定位在钻杆挺进体（1）的端部的钻头防扭容刀槽（12）内，变成新的钻铣钻头，从而实现连续钻井，直至多个备用钻头装置全部耗尽，再整体将钻杆和钻头装置提出井口更换。

优选的，上述备用钻头装置的展开动作如下：

一、由于上提了一段距离的钻井管柱，使钻头底部与井底有一段补偿钻头的距离，这样，再从井口注入液体打压时，由于钻具载体（2）与钻杆挺进体（1）为固定连接，中心耗费体（3）会向下移动，并且失效的主钻头装置上的刀块本体将从钻杆挺进体（1）的钻头防扭容刀槽（12）脱离，此时再从井口旋转钻杆，这样失效的主钻头装置会从中心耗费体（3）的第一钻头展开活动槽（15）下部断开，停止旋转钻杆，继续下移钻杆，这样，第一个备用钻头装置会下移出来；

二、由于在钻具载体（2）上开设有备用刀块展开槽（2.2），备用钻铣钻头（11）在备用钻头展开机构（6）的作用下，两个刀块本体分别从备用刀块展开槽（2.2）展开，且备用钻头转轴（7）会沿着备用钻头展开活动槽（14）滑动配合，然后，稍微上提一下钻杆，两个刀块本体的端部触碰到一起，再下放钻杆使刀块本体卡合在钻杆挺进体（1）末端的钻头防扭容刀槽（12），形成新的钻铣钻头，完成备用钻头装置的补偿切换。

本发明的有益效果是：本发明设计一个或一个以上的备用钻头装置与主钻头装置一次性安装到钻杆下入井下进行钻井作业，在主钻头装置失效时，可以上提了一小段距离的钻井管柱，使钻头底部与井底有一小段补偿钻头的距离，从井口打入液体使中心耗费体会向下移动，将备用钻头装置移出，从而形成新的钻铣钻头继续进行钻井作业，避免了一次或者多次的上提钻杆更换钻头的作业，从而大幅的降低了作业时间，提高了有效钻井的效率；同时也减低了作业费用，提高了钻井的经济效益，降低了钻井成本。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是图1的A-A结构示意图；

附图3是循环定压阀的局部结构示意图；

附图4是钻杆挺进体的结构示意图；

附图5是中心耗费体的结构示意图；

附图6是钻具载体的结构示意图；

附图7是主钻铣钻头的结构示意图；

上图中：钻杆挺进体1、钻具载体2、中心耗费体3、主钻铣钻头4、循环定压阀5、备用钻头展开机构6、备用钻头转轴7、备用钻头支撑杆8、传力扭矩条9、循环液通道10、备用钻铣钻头11、钻头防扭容刀槽12、外螺纹13、备用钻头展开活动槽14、第一钻头展开活动槽15、第一钻头展开轴16、第一支撑杆17、第一钻头展开弹簧18、第一钻头转轴19，承载体本体3.1、转轴活动槽3.2，刀块本体4.1、支撑筒4.2、内斜刀头4.3、外斜刀头4.4、轴孔4.5、主钻头支撑杆4.6，定压阀本体5.1和分定压阀5.2，密封球体5.2.1、分定压阀本体5.2.2、调压弹簧5.2.3、调压螺丝5.2.4。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，参照附图1-7，本发明提到的一种可补偿的钻井钻头装置，以包括一组主钻头装置和一组备用钻头装置为例，其技术方案是是：包括钻杆挺进体1、钻具载体2、中心耗费体3、主钻铣钻头4、备用钻头展开机构6、备用钻头转轴7、备用钻头支撑杆8、传力扭矩条9、循环液通道10、备用钻铣钻头11、钻头防扭容刀槽12、备用钻头展开活动槽14、第一钻头展开活动槽15、第一钻头展开轴16、第一支撑杆17、第一钻头展开弹簧18、第一钻头转轴19，在钻杆挺进体1的后端设有用于连接钻杆的外螺纹13，钻杆挺进体1设有中心孔，中心孔内设有钻具载体2，且钻具载体2与钻杆挺进体1之间形成循环液通道10；所述钻具载体2内设有中心承载孔，中心承载孔内设有传力扭矩条9，中心承载孔通过传力扭矩条9连接中心耗费体3；所述中心耗费体3上设有主钻头装置和备用钻头装置，前端的主钻头装置包括第一钻头展开活动槽15、第一钻头展开轴16、第一支撑杆17、第一钻头展开弹簧18、第一钻头转轴19和主钻铣钻头4，主钻铣钻头4通过第一钻头转轴19连接在中心耗费体3的中心前端，主钻铣钻头4的中部通过第一支撑杆17和第一钻头展开弹簧18连接到第一钻头展开轴16，且第一钻头展开轴16在第一钻头展开活动槽15内移动，所述主钻铣钻头4的内表面卡合在钻杆挺进体1末端设有的钻头防扭容刀槽12，提高主钻铣钻头4的扭力。

参照附图1，备用钻头装置包括备用钻头展开活动槽14、备用钻头展开机构6、备用钻头转轴7、备用钻头支撑杆8、备用钻铣钻头11，所述备用钻铣钻头11通过备用钻头支撑杆8连接备用钻头转轴7，备用钻铣钻头11的中部通过备用钻头展开机构6与备用钻头展开活动槽14配合，将备用钻头展开机构6压缩，使备用钻铣钻头11安设在中心孔的传力扭矩条9上部。

参照附图2和3，循环液通道10内设有循环定压阀5，循环定压阀5包括定压阀本体5.1和分定压阀5.2，定压阀本体5.1为圆环形结构，在定压阀本体5.1上分布有多个分定压阀5.2；其中，分定压阀5.2包括密封球体5.2.1、分定压阀本体5.2.2、调压弹簧5.2.3、调压螺丝5.2.4，分定压阀本体5.2.2设有过液腔，过液腔的入口处设有阀座，阀座处安放密封球体5.2.1，密封球体5.2.1的右端通过调压弹簧5.2.3连接，并且设有调压螺丝5.2.4，可以对分定压阀进行调压，设置开启压力。

参照附图4，主钻铣钻头4包括刀块本体4.1、支撑筒4.2、内斜刀头4.3、外斜刀头4.4、轴孔4.5、主钻头支撑杆4.6，所述刀块本体4.1采用耐磨耐高温材料制成，刀块本体4.1的上部设有上细下粗的主钻头支撑杆4.6，主钻头支撑杆4.6的上端设有轴孔4.5，所述刀块本体4.1的中部设有支撑筒4.2，用于与第一钻头展开轴16和第一支撑杆17配合。

优选的，上述刀块本体4.1的一端设有内斜刀头4.3，另一端设有外斜刀头4.4，这样，在两根刀块本体4.1组成主钻铣钻头4时，两个内斜刀头4.3形成主钻铣钻头4的最外端，两个外斜刀头4.4形成与钻杆挺进体1平行的结构。

优选的，上述刀块本体4.1为长条形的结构，表面嵌有金刚石或者其他的硬质合金，可以提高钻铣的硬度。

参照附图6，钻头承载体3包括承载体本体3.1、转轴活动槽3.2，在圆柱形的承载体本体3.1上设有多个转轴活动槽3.2和备用钻头展开活动槽14，转轴活动槽3.2为弧形槽，可以使备用钻头支撑杆沿着转轴活动槽6.2展开。

参照附图7，钻具载体2包括载体本体2.1和备用刀块展开槽2.2，在圆筒形的载体本体2.1上开设有多个备用刀块展开槽2.2，这样刀块本体可以从备用刀块展开槽展开。还有，还可以根据需要，在中心耗费体上设有断开引导线，可以使其在断开的时候，增加齐整度。

另外，本发明提到的一种可补偿的钻井钻头装置的零部件的加工要求，具体如下：

①钻杆挺进体经过热处理后，通过车铣加工出符合图纸要求的零件；②钻具载体热处理后通过车铣、钻攻等工艺加工出符合图纸要求的零件；③中心耗费体：该零件采用的材质为共析钢，对该零件的加工，首先要退火，加工出符合图纸要求的零件，然后在进行调质，使之符合图纸的要求；④钻铣刀块的加工，是一个硬质合金加工的过程，其方法是：成型后，通过烧结金刚石制得；⑤循环定压阀：加工出各个零件后，按要求进行调压，使其符合工艺要求。

本发明提到的一种可补偿的钻井钻头装置的使用方法，其技术方案是包括以下步骤：

一、可补偿的钻井钻头装置的组装：①先将可移动补偿件组装好，即，在中心耗费体3装上主钻头装置和备用钻头装置，形成一个整体A，等待下一步组装工序；②将传力扭矩条9通过螺钉连接，将其组装在钻具载体2内腔，并将它们焊接在一起；用试压机，将循环定压阀5的压力调好，然后，将循环定压阀5焊接在钻具载体2外壁上，形成一个整体B；③将整体B装入钻杆挺进体1内，并焊接牢固形成一个整体C；将整体A装入整体C中，通过调试，在主钻头装置中的刀块本体4.1变成主钻铣钻头4，这样，就完成了装置的组装；

二、正常钻井时，将可补偿的钻井钻头装置通过钻杆下入井下进行钻井作业，正常钻井时，利用被钻体与钻杆的压力，使主钻铣钻头4定位在钻杆挺进体1的端部的钻头防扭容刀槽12内，利用钻杆挺进体1及传力扭矩条9作为主钻铣钻头4的施力体，这样钻杆挺进体1的旋转就会对主钻铣钻头4形成强力扭矩，利用主钻铣钻头4进行钻铣，利用通过循环定压阀5的液体进行循环，将钻屑以泥浆的形式洗出至地面；

三、主动补偿钻头操作：当出现钻井效率下降或者主钻头装置完全失效时，也就是工作的主钻铣钻头4磨完了，这时，上提钻井管柱，在液体压力作用下，由于循环定压阀5具有一定的打开压力，因此，中心耗费体3将承载着备用钻头装置下移，使得备用钻头装置中的最下端的两个备用的刀块本体伸出钻杆挺进体1，此时井口操作旋转钻杆，原失效的中心耗费体3在第一钻头展开活动槽15下部断开，然后停止旋转钻杆，继续下移钻杆，整个钻杆下压使两块钻铣用的刀块本体定位在钻杆挺进体1的端部的钻头防扭容刀槽12内，变成新的钻铣钻头，从而实现连续钻井，直至多个备用钻头装置全部耗尽，再整体将钻杆和钻头装置提出井口更换。

另外，本发明的备用钻头装置的展开动作，进一步详细描述如下：

一、由于上提了一段距离的钻井管柱，使钻头底部与井底有一段补偿钻头的距离，这样，再从井口注入液体打压时，由于钻具载体2与钻杆挺进体1为固定连接，中心耗费体3会向下移动，并且失效的主钻头装置上的刀块本体将从钻杆挺进体1的钻头防扭容刀槽12脱离，此时再从井口旋转钻杆，这样失效的主钻头装置会从中心耗费体3的第一钻头展开活动槽15下部断开，停止旋转钻杆，继续下移钻杆，这样，第一个备用钻头装置会下移出来；

二、由于在钻具载体2上开设有备用刀块展开槽2.2，备用钻铣钻头11在备用钻头展开机构6的作用下，两个刀块本体分别从备用刀块展开槽2.2展开，且备用钻头转轴7会沿着备用钻头展开活动槽14滑动配合，然后，稍微上提一下钻杆，两个刀块本体的端部触碰到一起，再下放钻杆使刀块本体卡合在钻杆挺进体1末端的钻头防扭容刀槽12，形成新的钻铣钻头，完成备用钻头装置的补偿切换。

本发明的有益效果是：本发明设计多个备用钻头装置与主钻头装置一次性安装到钻杆下入井下进行钻井作业，在主钻头装置失效时，可以上提了一段距离的钻井管柱，使钻头底部与井底有一段补偿钻头的距离，从井口打入液体使中心耗费体会向下移动，将备用钻头装置移出，从而形成新的钻铣钻头，避免了一次或者多次的上提钻杆更换钻头的作业，从而大幅的降低了作业时间，提高了有效钻井的效率；同时也减低了作业费用，提高了钻井的经济效益，降低了钻井成本。

实施例2，本发明与实施例1不同之处是：

备用钻头装置设有两组，依次组装在中心耗费体3上，这样，可以在主钻头装置和第一备用钻头装置钻铣失效报废后，再继续启用第二备用钻头装置，结构与第一备用钻头装置一样，只需要加长中心耗费体3的长度即可。

与实施例1相比，其优点是，又减少了一次上提钻杆和下放钻杆的时间，如果在5000米以上的深井，可以节省一周甚至两个周的时间，这对于要钻深井而言，大量节省了钻井时间，提高了钻井效率。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。