一趟钻变切削结构智能混合钻头

技术领域

本发明涉及水平井一趟钻技术领域，具体涉及一趟钻变切削结构智能混合钻头。

背景技术

随着勘探开发不断深入，非常规油气资源的战略地位日趋重要，低油价下如何经济有效地开发页岩油气等非常规油气是业界必须面临的课题。水平井钻井降本增效潜力大，途径多，其中一个重要途径就是“一趟钻”，尤其针对多井段，一趟钻降本增效效果极为明显。所谓一趟钻，是指一个钻头一次下井打完一个开次的所有进尺。钻头是制约“一趟钻”的关键因素之一。国内各页岩气、致密油气井区的水平井一趟钻整体技术水平还与国外存在较大差距，总体实现率还较低。随着油气资源特别是页岩油气开采的进行，一些地区复杂地质条件显现出来，由于各区块普遍存在坚硬、高研磨、软硬交错地层，导致钻进慢、单只钻头进尺少等难点，需频繁起下钻更换钻头，大大降低了钻井效率，增加了钻井风险。目前国内、外一趟钻使用的钻头都是PDC钻头，即使是混合钻头，其切削结构基本是固定的，并不是对所有的地层都有良好的适配性。其根本原因主要是混合切削结构与复杂地层的互作用破岩机理未彻底弄清及如何根据地层性质改变而使切削结构自适应的机制未解决。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一趟钻变切削结构智能混合钻头，能自动适应不同地层性质钻进，即根据地层自动调整切削结构，同时配合优化的钻井参数，提高机械钻速。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一趟钻变切削结构智能混合钻头，包括固定钻头本体3，所述固定钻头本体3中心处设置有轴向可伸缩旋转的钻头本体6，所述轴向可伸缩旋转的钻头本体6上等间距设置有3个PDC钻头的刀翼2，所述固定钻头本体3上等间距设置有3个牙掌5，牙掌5内侧面设置有牙轮1，所述牙掌5上设置有凹坑型槽7，凹坑型槽7上设置有牙轮1，所述PDC钻头的刀翼2与牙掌5间隔设置。

所述PDC钻头的刀翼2为弧形刀翼，两端为直线，中间为曲线，两者进行相切式的拼接。

所述三个PDC钻头的刀翼2之间的夹角为120度，每个PDC钻头的刀翼2顶部等间距分布着10个PDC齿。

所述PDC齿后倾角为10度，侧转角为10度。

所述牙掌5之间的夹角为120度，在牙掌5的斜坡面上设置有圆形凹槽7。

所述牙轮1通过旋转轴安装在牙掌5的斜坡面上，每个牙轮1共有三个锥面4，每个锥面4上面等间距分布着10个牙齿。

所述轴向可伸缩旋转钻头本体6与固定钻头本体3接触，轴向可伸缩旋转钻头本体6轴向可伸缩的长度范围为10mm-15mm，旋转角度为0到60度。

本发明的有益效果：

本发明安装在钻柱的末端，钻柱将钻压和转速传递给钻头，针对不同性质的岩石，本钻头可调整切削结构对岩石进行高效破碎。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明伸缩变化示意图。

图3是PDC切削齿结构示意图。

图4是牙轮的牙齿结构示意图。

图5是固定钻头本体结构示意图。

图6是可伸缩旋转钻头本体结构示意图。

图7是PDC齿刀翼结构示意图。

图8是牙轮结构示意图。

图9是牙掌结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-图9所示；一趟钻变切削结构智能混合钻头，包括固定钻头本体3，所述固定钻头本体3中心处设置有轴向可伸缩旋转的钻头本体6，所述轴向可伸缩旋转的钻头本体6上等间距设置有3个PDC钻头的刀翼2，所述固定钻头本体3上等间距设置有3个牙掌5，牙掌5内侧面设置有牙轮1，所述牙掌5上设置有凹坑型槽7，凹坑型槽7上设置有牙轮1。

所述PDC钻头的刀翼2为弧形刀翼，两端为直线，中间为曲线，两者进行相切式的拼接。

所述三个PDC钻头的刀翼2均布在钻头本体的上部并与其接触，PDC钻头的刀翼2之间的夹角为120度，每个PDC钻头的刀翼2上面等间距分布着10个PDC齿，PDC齿的直径为13.44mm，后倾角为10度，侧转角为10度，以便对软中硬地层都具有一定的切削能力。

所述牙掌5直径为50mm，等间距分布在钻头本体的上部并与其接触，之间的夹角为120度，在牙掌5的斜坡面上有一个直径为10mm的圆形凹槽7。

所述牙轮1，最大直径为31mm，通过旋转轴安装在牙掌5的斜坡面上，每个牙轮1共有三个锥面4，每个锥面上面等间距分布着10个牙齿，牙齿的最大直径为5mm，所述牙齿为圆锥体结构。

所述固定钻头本体3的外径104mm，内径52mm，高度为129mm。

所述轴向可伸缩旋转钻头本体6外径52mm，与固定钻头本体3接触，高度为129mm，轴向可伸缩的长度范围为10mm-15mm，旋转角度为0到60度。

本发明根据地层自动调整切削结构，同时配合优化的钻井参数，将大大提高机械钻速，不仅钻得快，而且寿命长、进尺多、可导向性好、成本低。智能混合钻头能自动适应不同地层特性钻进，如果配套自动化钻机及其它相应的钻井工艺，将使一趟钻技术迈上新台阶，钻井效率会大幅提高并减少钻井成本。本发明适用于一趟钻的智能钻头，具有重要的工程意义、应用前景，将为钻井提速、提效打下坚实的基础。

本发明的工作原理：

混合钻头安装在钻柱的末端，钻柱将钻压和转速传递给钻头，PDC刀翼2绕着可伸缩旋转钻头本体6的轴线进行旋转，牙轮1一边绕着牙掌5上的凹坑型槽7进行自转，一边绕着固定钻头本体3的轴线公转，如图2所示。当遇到软岩层时，PDC刀翼2会通过钻头末端的锥齿轮齿条传动机构来驱动可伸缩旋转钻头本体6调整其轴向高度，使图3的PDC齿轴向高度高于图4的牙轮齿，这时只有图3的PDC齿切削岩石；当遇到中硬岩层时，PDC刀翼2会通过钻头末端的锥齿轮齿条传动机构来驱动可伸缩旋转钻头本体6调整其轴向高度，使图3的PDC齿与图4的牙轮齿处于同一高度，此时两者同时对岩石进行破碎；当遇到硬岩层时，PDC刀翼2会通过钻头末端的锥齿轮齿条传动机构来驱动可伸缩旋转钻头本体6调整其轴向高度，使图3的PDC齿轴向高度低于图4的牙轮齿，这时只有图4的牙轮齿破碎岩石。