一種正循環和反循環兩用三牙輪鑽頭的製作方法

2023-06-09 13:04:51 1

專利名稱：一種正循環和反循環兩用三牙輪鑽頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及在油氣井工程中利用液體或者氣體作為循環介質進行正循環和反循 環鑽井時的一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，該鑽頭適合於常規的泥漿鑽井、 氣體鑽井和欠平衡鑽井。
背景技術：
隨著氣體鑽井和欠平衡鑽井的不斷完善和發展，相應的配套技術也需要改進和重 新研製，反循環鑽井技術也是一項正在發展的新技術。目前，不論是液體還是氣體作 為循環介質的正循環或者反循環鑽井時，只能在鑽頭下入井內之前選擇相應的正循環 或者反循環鑽頭，並且一旦鑽頭下入井內以後不能夠自動更換流體循環方向，除非起 鑽更換鑽頭。在可控鑽井技術出現後，其封閉的循環系統為在鑽井需要的情況下隨時 更換鑽井液的循環方向提供了技術支撐，但現在使用的鑽頭都不能實現隨鑽井需要而 自動轉換成為正循環流道或反循環流道的鑽頭。因此針對可控鑽井隨時更換鑽井流體 循環方向的需要，本發明研製和設計出了一種可自動轉換為正循環流道或反循環流道 的正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭。發明內容本發明的目的是為鑽井需要隨時改變鑽井流體循環方向而提供一種能自動從正 循環流道轉換為反循環流道，或者從反循環流道轉換為正循環流道的鑽頭。基於稀疏 相兩相流理論、摩阻理論、流體數值模擬技術，在現有三牙輪鑽頭的基礎上設計出了 一種可以實現自動切換為正循環流道或反循環流體的正循環和反循環兩用的三牙輪 鑽頭。本發明的技術方案本發明提出一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，主要由三牙輪鑽頭本體、轉 換接頭、反循環引流罩、噴嘴流道閥和反循環流道閥等組成。所述三牙輪鑽頭本體由常規三牙輪鑽頭改造而來，噴嘴、牙輪及其牙齒尺寸和形狀都沒有發生改變，但將常 規鑽頭原來的公接頭設計為了母螺紋接頭，噴嘴外部設計了一個通道，用來安裝噴嘴 流道閥，其作用在於正循環鑽井時開啟噴嘴流道，而反循環鑽井時關閉噴嘴流道。在 鑽頭內部設計出了一個反循環流道，並在其上面設計了一個反循環流道閥，其作用在 於正循環鑽井時，自動關閉反循環流道，反循環鑽井時，自動開啟反循環流道。本發明所述反循環引流罩上的三個凸鍵安裝在三牙輪鑽頭本體上的三個鍵槽內， 其作用在於保證反循環引流罩沿鍵槽上行和下行及其定位，而且反循環引流罩和三牙 輪鑽頭上部有一個密封腔，密封腔與鑽頭內的主流道相通，密封腔的內外壓差推動反 循環引流罩沿鍵槽上行和下行。反循環引流罩上行時形成正循環鑽頭流道，可以實現 正循環鑽井。反循環引流罩下行時，形成反循環鑽井流道結構，可以實現反循環鑽井。 反循環引流罩的上行和下行使得噴嘴流道閥處於開啟和關閉狀態，同時與之相反，分別使反循環流道閥關閉和開啟狀態，可以自動切換為正循環鑽井或反循環鑽井。反循 環引流罩在鑽井磨損後可以更換新反循環引流罩，而三牙輪鑽頭本體可以繼續使用， 有利於減小鑽井成本。本發明所述反循環引流罩上有三個引流擋板，引流擋板頂部內面為楔形形狀，在 反循環引流罩上行或下行時，楔形結構將推動噴嘴流道閥關閉噴嘴流道。通過流體數 值模擬技術，優化出了引流擋板的外形，引流擋板的作用是將反循環流體引入井底， 在反循環鑽井時更加有效地使流體將井底巖屑攜入反循環流道，增加反循環鑽井的攜 巖能力。在正循環鑽井時，引流擋板隨反循環引流罩上行，此時引流擋板對流體不起 作用，鑽頭轉變為常規的正循環三牙輪鑽頭。本發明將常規三牙輪鑽頭公螺紋接頭改變成了母螺紋接頭，在母接頭外部設計了 三個鍵槽，用於安裝反循環引流罩，為了使與上部常規鑽具的連接，設計了兩頭均為 公螺紋的轉換接頭，此轉換接頭安裝在本發明鑽頭的母螺紋接頭上，轉換接頭可以限 制反循環引流罩上行或下行的位移，同時，轉換接頭上部的公螺紋接頭即可與常規的 上部鑽具連接。 '本發明優點目前國內外無此正循環和反循環兩用三牙輪鑽頭，本發明一種正循環和反循環兩 用的三牙輪鑽頭同時具有常規三牙輪鑽頭鑽井的功能和反循環鑽頭鑽井的功能，並可以根據流體循環方向而自動切換為正循環流道的鑽頭或者反循環流道鑽頭，滿足複雜 工況的鑽井需要。鑽井中，可以更換損壞的反循環導流罩，比常規反循環鑽頭具有更 長的壽命。本發明為隨時切換流體循環方向的可控鑽井技術擴大應用範圍提供一種新 的裝備。


圖l是本發明正、反循環兩用三牙輪鑽頭結構視圖。圖2是本發明反循環引流罩視圖。圖3是本發明正循環鑽頭剖面流道結構圖。圖4是本發明反循環鑽頭剖面流道結構圖。
具體實施方式
本發明實施例， 一種正循環和反循環兩用三牙輪鑽頭，如附圖l、圖2、圖3、圖 4所示，主要由轉換接頭l、反循環引流罩2、三牙輪鑽頭本體3、牙輪噴嘴流道閥4、 反循環流道閥5組成。所述反循環引流罩2上，如圖2所示，設有三條互成120。凸 鍵8與三個引流擋板13構成。所述三牙輪鑽頭本體3，如圖3、圖4所示，由反循環 流道6、三個常規牙輪7、三個互成120。的鍵槽9、常規牙輪鑽頭流道IO、流道ll、 噴嘴流道12、三個互成120°密封腔流體通道22、牙輪噴嘴流道閥槽14、牙輪噴嘴 流道閥槽16組成。所述牙輪噴嘴流道閥4由噴嘴閥體15、彈簧17、螺帽18和閥杆 19組成。在附圖3和圖4中，三個互成12(T的牙輪噴嘴流道閥4安裝在牙輪噴嘴流道閥 槽14和16中，閥杆19與引流擋板13的內斜面20接觸，形成滑道。彈簧I7兩端固 定在杆19左端和螺帽18上，彈簧17始終起到拉力作用，當鑽頭由反循環流道轉換 為正循環流道時，閥體15和閥杆19被彈簧17拉出，閥體15上的閥孔與噴嘴流道12 連通，在流體壓差作用下，反循環流道閥5被關閉，形成正循環流道。在附圖2、圖3和圖4中，反循環引流罩2安裝在三牙輪鑽頭本體3上，轉換接 頭1限制反循環引流罩2上行距離和取出反循環引流罩2以及更換損害的反循環引流 罩2的作用。引流罩凸鍵8安裝在三牙輪鑽頭鍵槽9中，用於定位反循環引流罩2和 約束反循環引流罩2在反循環鑽井時的下行距離以及限制反循環引流罩2相對於鑽頭本體3的轉動。反循環引流擋板13起到反循環鑽井時將流體引入井底和推動牙輪噴 嘴流道閥杆19和噴嘴流道閥體15關閉噴嘴流道12的作用。反循環引流罩2和三牙 輪鑽頭本體3之間形成一個密封腔21，密封腔21由三個互成120。的流道22連通鑽 頭內部主流道10，使得密封腔22的壓力和鑽頭內部主流道10的壓力相等。反循環引 流罩2在密封腔10與環空之間的壓力差的作用下下行形成反循環流道6，或者上行形 成正循環流道(正循環流道由常規牙輪鑽頭流道10、流道11、噴嘴流道12構成)， 從而實現自動切換成正循環和反循環鑽頭。反循環流道閥5安裝在鑽頭內部，當鑽頭 處在正循環狀態時，反循環流道閥5關閉反循環流道6，使得流體從噴嘴12流出；相 反，當鑽頭處在反循環狀態時，反循環閥5被流體推開，開啟反循環流道6，噴嘴流 道12被噴嘴閥體15關閉。工作原理正循環鑽井時(常規鑽井)，如附圖3所示，流體從鑽杆內主流道IO 向下流動，由於在鑽頭內部流道結構突變，在流體作用下，反循環流道閥5把反循環 流道6關閉，此時，鑽頭內部是封閉的"死腔"，流體通過流道22進入密封腔21，使 密封腔21內的壓力高於其環空壓力，在此壓差作用下，反循環引流罩2被推動並上 行，此時閥杆19被彈簧17拉出，閥體15與噴嘴流道12連通，此時封閉"死腔"被 打開，形成正循環鑽井流道。反循環鑽井時，如附圖4所示，流體從鑽頭環空流入， 並進入反循環流道6，在壓差作用下，反循環流道閥5被打開，流體流入鑽頭內主流 道IO，在反循環流體作用下，密封腔21內形成低壓區，在壓差作用下，反循環引流 罩2向下行，引流擋板13的內斜面20把閥杆19推入並關閉噴嘴流道12，使流體全 部進入反循環流道6和主流道10，從而實現反循環鑽井。
權利要求
1.本發明涉及一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，主要由轉換接頭(1)，反循環引流罩(2)、三牙輪鑽頭本體(3)、鑽頭上鍵槽(9)、密封腔體(21)，流道(22)、反循環流道閥(5)，反循環流道(6)、噴嘴流道閥(4)、引流擋板(13)組成。其特徵在於通過安裝在三牙輪鑽頭本體(3)上的反循環流道閥(5)和噴嘴流道閥(4)的作用，使工作中自動實現正循環鑽井或反循環鑽井。
2. 根據權利要求l所述的一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，其特徵在於轉換 接頭(1)兩端均為公接頭，鑽頭本體(3)為母接頭，且三牙輪鑽頭本體(3)的母 接頭外部設有三個均為120°的鍵槽。
3. 根據權利要求1和2所述的一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，其特徵在於 反循環引流罩(2)上設有三個互成120°的凸鍵(8)和三個互成120°的引流擋板(13)，引流擋板(13)採用優化後的結構形狀和尺寸，反循環引流罩(2)與三牙輪 鑽頭本體(3)之間構成密封腔(21),此密封腔(21)通過通道(22)與主流道(10) 連通。
4. 根據權利要求1和3所述的一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，其特徵在於反循環流道闊(5)的頂部為球形曲面，底部為平面，可繞固定軸旋轉，流體下行時， 球形曲面與底平面產生壓差，實現自動關閉反循環流道(6)，反循環流道(6)的形 狀為收縮性的光滑流道，下部入口較大，上部出口較小。
5. 根據權利要求l所述的一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，其特徵在於噴嘴 流道閥(4)由牙輪噴嘴流道閥槽(14)、閥體(15)、彈簧(17)、螺帽(18)和閥杆(19)組成，安裝在三牙輪鑽頭本體(3)上的三個噴嘴流道閥(4)互成120° 。
全文摘要
本發明涉及在正循環鑽井或反循環鑽井時採用的一種正循環和反循環兩用的三牙輪鑽頭，主要由轉換接頭、反循環引流罩、鑽頭本體、反循環流道閥、噴嘴流道閥、反循環流道及其控制反循環引流罩上行和下行的密封腔等組成。反循環鑽井時，反循環引流罩下行，同時，反循環流道閥打開，噴嘴閥關閉，引流擋板將環空流體直接引入井底，強化流體的攜巖能力。正循環鑽井時，反循環引流罩上行，同時，反循環流道閥關閉，噴嘴流道閥打開，實現正循環鑽井。在鑽井過程中，根據流體流動方向，通過反循環流道閥、噴嘴流道閥以及密封腔通道，可以實現正循環鑽井和反循環鑽井的自動切換。
文檔編號E21B10/08GK101215955SQ20081004515
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者燾 付, 孟英峰, 李永傑, 斌 楊, 林鐵軍, 練章華, 洲 肖, 黃芋森 申請人:西南石油大學