雙心井下擴眼工具體的製作方法

2023-05-22 02:02:16

本發明涉及一種擴眼工具體，尤其涉及一種雙心井下擴眼工具體。

背景技術：

在近年來的石油和天然氣資源的勘探開發中，深井鑽井和超深井成為提高油氣資源開發的重要途徑之一，雙心井下擴眼工具受到人們的關注。

其一，在深井鑽井和超深井油氣鑽井中，因為上部地層複雜多樣，常常需要下技術套管進行封隔，再繼續鑽井的過程中，為了提高後續鑽井的安全性(或提高固井質量)，使用雙心工具能夠擴大井眼直徑，增加了鑽頭的選擇範圍；

其二，在套管開窗側鑽和老井的再次開發中，原有的套管內徑較小，為了提高延伸井眼的加深範圍，使用雙心鑽井工具完成大角度井的延伸和增斜，還可以固井後，使用小尺寸鑽頭完成水平井的鑽井。

在新的鑽井環境中，雙心井下擴眼工具不僅要求能夠在上部中軟地層鑽井，還要能夠中到中硬地層鑽井，包括應用於含礫的夾層中鑽井。一般「雙心鑽頭」包括領眼鑽頭(領眼切削結構)和偏心擴眼刮刀(擴眼切削結構)；領眼鑽頭和擴眼刮刀有同一旋轉軸線；「雙心鑽頭」能夠通過套管內徑，能夠鑽出比套管內徑更大直徑的新井眼。

現在常用的「雙心擴眼鑽頭」，包括領眼鑽頭和一級偏心擴眼部分；這樣的「雙心擴眼鑽頭」因為一級偏心擴眼部分較大，造成工具體的側向力大，經常使得「雙心擴眼鑽頭」的擴眼直徑減小，或擴眼率低；嚴重時「雙心擴眼鑽頭」幾乎不擴眼。影響了「雙心擴眼鑽頭」的使用壽命和使用範圍。

在深井下部使用「雙心擴眼鑽頭」遇到硬地層或硬夾層中鑽井，經常使用井下馬達來提高鑽井速度；或在老井開窗進行定向井的作業中，使用定向鑽井 系統與「雙心擴眼鑽頭」配合遇到硬地層或硬夾層中鑽井來提高鑽井速度，在這些鑽井條件下，如何提高「雙心擴眼鑽頭」的使用壽命、如何提高預期井眼直徑擴大率；如何減低綜合鑽井成本成為作業者關注的重點。

技術實現要素：
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本發明的目的就在於為了解決上述問題而提供一種雙心井下擴眼工具體。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

一種雙心井下擴眼工具體，包括領眼鑽頭和擴眼段，所述工具體的上端設置有公螺紋接頭，所述擴眼段設置在所述工具體的中段，所述領眼鑽頭設置在所述工具體的下端，所述擴眼段包括一級擴眼部分和二級擴眼部分，所述一級擴眼部分設置在所述二級擴眼部分的下端，所述領眼鑽頭、所述一級擴眼部分和所述二級擴眼部分上均設置有多個縱向延伸的刮刀，所述刮刀上均設置有混合切削元件。

具體地，所述領眼鑽頭、所述一級擴眼部分和所述二級擴眼部分的切削半徑依次增大，所述領眼鑽頭直徑和所述一級擴眼直徑均小於最大工具直徑，擴眼直徑與領眼鑽頭直徑之比為1.3～1.5，擴眼直徑與一級擴眼直徑之比為1.2～1.4。

優選地，以所述工具體工作時的旋轉中心為第一旋轉中心，以所述工具體通過直徑的中心為第二旋轉中心。所述領眼鑽頭和所述一級擴眼部分上的多個刮刀均沿所述第一旋轉中心均勻分布，所述二級擴眼部分上的多條刮刀分布於所述第一旋轉中心和所述第二旋轉中心連線的方向的±90°範圍內，所述二級擴眼部分上的多條刮刀中至少包括兩條設置有多個保徑齒的長刮刀，且所述長刮刀位於所述第一旋轉中心和所述第二旋轉中心連線的方向的±35°的範圍內。

具體地，以所述工具體工作時的旋轉方向為前，所述領眼鑽頭和所述一級 擴眼部分上的刮刀上的混合切削元件包括前排齒和後排齒，其中前排齒包括圓片剪切齒和脊形剪切齒，後排齒包括圓片剪切齒、脊形剪切齒和球面圓柱齒，所述領眼鑽頭和所述一級擴眼部分上的刮刀的上端均設置有保徑齒和保徑塊，所述二級擴眼部分上的刮刀的混合切削元件包括交錯設置的圓片剪切齒和錐形圓柱齒，所述二級擴眼部分上的刮刀的上部設置有保徑齒和保徑塊。

具體地，以所述工具體工作時的旋轉中心為第一旋轉中心，以所述工具體通過直徑的中心為第二旋轉中心。所述領眼鑽頭上的多個刮刀沿所述第一旋轉中心均勻分布，所述一級擴眼部分上的多個刮刀處於力平衡狀態，所述二級擴眼部分的刮刀位於所述第一旋轉中心與所述第二旋轉中心連線方向的±90°範圍內，所述二級擴眼部分上的多條刮刀中至少包括兩條設置有多個保徑齒和有保徑塊的長刮刀，且所述長刮刀位於所述第一旋轉中心和所述第二旋轉中心連線方向的±35°的範圍內。

具體地，所述二級擴眼部分上的刮刀上的混合切削元件包括圓片剪切齒和錐形圓柱齒；所述一級擴眼部分上的刮刀上的混合切削元件包括圓片剪切齒和脊形剪切齒；所述領眼鑽頭刮刀上的混合切削元件包括前排齒和後排齒，其中前排齒包括圓片剪切齒和脊形剪切齒，其中後排齒包括錐形圓柱齒和球頭圓柱齒。

本發明的有益效果在於：

本發明一種雙心井下擴眼工具體將多種切削齒混合搭配，具有以下優點：

1、領眼鑽頭、一級擴眼部分、二級擴眼部分三段式結構，減小了二級擴眼部分的切削麵積和切削體積，降低了其扭矩波動、提高了工具的安全性、降低了擴眼部分的側向力，提高了擴眼速率。

2、領眼鑽頭採用刮刀式雙排齒布齒結構，提高了鑽頭的固齒質量；同一刮 刀的前、後排齒布置，提高了鑽頭設計變化和選擇的能力，可以根據鑽井地層特點，選擇合適的結構；前排齒選擇圓片/脊形剪切齒混合搭配組合，改變了圓片或脊形剪切齒結構單一結構特徵，增強了鑽頭的適應能力和切削齒的耐久性。

3、擴眼部分採用兩種齒的組合布齒結構，改變了單一切削齒的破巖效果，組合齒的擴眼刮刀布齒，改善了切削齒的作用力方式，能夠有效提高破巖效率，延長切削齒的工作壽命，能夠增強工具的適應範圍，有利於延長工具壽命。

4、通過控制擴眼直徑與領眼鑽頭直徑的設計範圍，以及擴眼直徑與領眼鑽頭直徑，使得雙心井下擴眼工具能夠適應較高轉速，在嚴格控制切深的條件下，能夠提高鑽井速度，有利於提高工具的穩定性，能夠維持穩定有效的井眼直徑，延長工具壽命，提高鑽井進尺，降低鑽井成本。

附圖說明

圖1是傳統常規雙心鑽頭的側視圖；

圖2是本發明實施例一的側視圖；

圖3是本發明所述的實施例一的雙心井下擴眼工具體的二級擴眼部分的圓片剪切齒和錐形圓柱齒在刮刀輪廓的分布示意圖；

圖4是本發明實施例一的仰視圖；

圖5是本發明實施例二的側視圖；

圖6是本發明實施例一的雙心井下擴眼工具體的的一級擴眼部分圓片剪切齒和脊形剪切齒在刮刀輪廓的分布示意圖；

圖7是本發明實施例二的一級擴眼部分和二級擴眼部分的仰視圖；

圖8是本發明實施例二的仰視圖；

圖9是本發明實施例一在套管中的示意圖；

圖10是本發明實施例一在正常鑽井中，形成預期擴眼井眼示意圖；

圖11是本發明實施例二在套管中的示意圖；

圖12是本發明實施例二在正常鑽井中，形成預期擴眼井眼示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明：

圖1是背景技術中描述的常規雙心鑽頭的示意圖，雙心鑽頭包括鑽頭體10，包括公螺紋接頭端1，鑽井中與鑽柱連接傳遞扭矩和鑽壓。鑽頭體10包括領眼鑽頭和擴眼部分，領眼鑽頭設置在鑽頭體的下端，領眼鑽頭上設置有包括多條刮刀9，刮刀9上設置有多個切削元件8和保徑段7(有扶正作用)。擴眼部分位於領眼鑽頭和公螺紋接頭的中間段；擴眼部分有多條刮刀4，偏置於鑽頭體的一側；刮刀4上有多個切削元件6和保徑塊3(有扶正作用)。

因為擴眼部分在鑽井中切除地層的體積一般比領眼鑽頭切削體積更大，而且偏置於鑽頭體的一側；這樣擴眼部分的側向力Fr往往大於領眼鑽頭的側向力Fp。通常兩個作用力的方向相反(如圖1所示)，可以簡單描述為Fr>Fp。

一種雙心井下擴眼工具體，包括領眼鑽頭和擴眼段，工具體的上端設置有公螺紋接頭，擴眼段設置在工具體的中段，領眼鑽頭設置在工具體的下端，擴眼段包括一級擴眼部分和二級擴眼部分，一級擴眼部分設置在二級擴眼部分的下端；領眼鑽頭、一級擴眼部分和二級擴眼部分上均設置有多個縱向延伸的刮刀，刮刀上均設置有混合切削元件；領眼鑽頭、一級擴眼部分和二級擴眼部分的切削半徑依次增大。

實施例一：

通過圖2、圖3、圖4描述了本發明的一個實施例。

在圖2中，顯示了雙心井下擴眼工具體的外觀結構示意圖，該工具體40包括公螺紋接頭30，其連接鑽井時連接鑽柱(未顯示)，主要作用是在工作中傳遞扭矩和鑽壓，通過設置在公螺紋接頭與擴眼段之間的卸口槽32與鑽柱的連接。如圖2、圖3和圖4所示，該工具的下端是領眼鑽頭，其直徑為DP1,擴眼部分包括一級擴眼部分有直徑D1(或YRD)和二級擴眼部分有擴眼半徑Rr1，上述直徑或半徑均從該工具體的縱軸測量，正常鑽井時，領眼鑽頭、一級擴眼部分和二級擴眼部分圍繞第一旋轉中心Oa的軸線旋轉，該工具預期擴眼直徑RRD＝2Rr1。

一級擴眼部分有直徑D1(YRD＝D1)小於最大工具直徑(MTD)；為了提高鑽井速度和限定該工具的每轉切深，增加工具的安全性，要求RRD/D1＝1.2～1.4之間。

如圖4所示，該工具體的領眼鑽頭直徑PD內設置有多個刮刀和一級擴眼部分直徑YRD有多刮刀圍繞第一旋轉中心Oa做徑向延伸呈360度分布(有刮刀P1、P2、P3、P4、P5)，一級擴眼部分是領眼鑽頭的同心擴眼段，有直徑YRD＝D1小於MTD(最大工具直徑)，二級擴眼部分至少包括兩刮刀(A2、A3和A4)有最大半徑Rr1＝1/2RRD(如圖3所示，以第一旋轉中心Oa為基準)。

如圖4和圖9所示，該工具體200在套管100中有工具通徑TD，該工具體200在套管100中能夠圍繞第二旋轉中心Ob的軸線旋轉，領眼鑽頭、一級擴眼部分和二級擴眼部分都在通徑TD內；如圖4和圖10所示，該工具體200在圍繞第一旋轉中心Oa的軸線旋轉，在鑽井中能夠形成擴眼井眼300的直徑RRD；圖4反映了領眼鑽頭直徑PD、一級擴眼直徑YRD、工具的通徑TD和擴眼直徑RRD之間的關係。

圖2和圖3顯示工具體40有二級擴眼部分，工具體40的二級擴眼部分包括多條刮刀上有圓片剪切齒42和錐形圓柱齒38，有保徑齒36和保徑塊34(有 扶正作用)，多齒形的切削結構有利於改善二級擴眼部分刮刀上切削齒的作用力方式，能夠提高刮刀上切削齒的切削效率，便於提高擴眼部分的工作壽命和提高鑽井速度。

圖2和圖4顯示該工具體的領眼鑽頭DP1和一級擴眼部分D1上有多刮刀，刮刀上有圓片剪切齒(44、46和C2)和脊形剪切齒(50、54和C1)位於刮刀的前排，後排也有圓片剪切齒和脊形剪切齒以及球面圓柱齒C4,由多種切削元件組成的混合切削結構，增強了領眼鑽頭和一級擴眼部分在硬地層鑽井和夾層中鑽井的適應能力，延長了齒和鑽頭的壽命，有利於提高鑽速和降低鑽井成本。

三段式切削結構減小了工具的側向合力。

1、增加了工具的前端側向力Fp1的值(一級擴眼側向力+領眼鑽頭側向力)>Fp；

2、減小了二級擴眼部分的切削麵積和體積，因而，降低了擴眼部分的側向力Fr1，使得Fr>Fr1；

3、為了增加擴眼刮刀的合理分布，要求工具滿足RRD/YRD＝1.2～1.4之間；使得工具更安全，更穩定。

綜合前述分析結果：使實施例一的井下擴眼工具側向力(Fr1-Fp1)<(Fr-Fp),因此改善該工具的側向力的範圍，增加了工具的穩定性。領眼鑽頭和一級擴眼部分的同心擴眼改善雙心擴眼的穩定性，改善了常規雙心鑽頭，側向力大，領眼直徑大於工具領眼直徑，領眼鑽頭在井底滑動，產生擴眼效率低或不擴眼的問題。

實施例二

圖5、圖6、圖7和圖8描述了本發明的第二個實施例。

在圖5中的工具體60的上端設置有公螺紋接頭62，並通過卸扣槽64與鑽 柱鑽柱(未顯示)連接，領眼鑽頭設置在工具體的下端，且直徑為Dp，擴眼部分包括一級擴眼部分(擴眼半徑R1，從工具體的第一旋轉中心Oa軸線測量)和二級擴眼部分(擴眼半徑Rr)，一級擴眼部分的直徑YRD小於最大工具直徑(MTD)，簡化描述為：YRD<MTD。

為了適應定向井鑽井作業，該工具有擴眼直徑RRD,要求RRD/Dp＝1.3～1.5之間，要求RRD/YRD＝1.2～1.4之間。能夠促進工具體結構協調穩定，安全和便於操作。

圖5顯示工具體60有二級擴眼部分，工具體60的二級擴眼部分包括多條刮刀，刮刀上設置有圓片剪切齒70、錐形圓柱齒68、保徑齒66和保徑塊65(有扶正作用)。多齒形的切削結構有利於改善二級擴眼部分刮刀上切削齒的作用力方式，能夠提高刮刀上切削齒的切削效率，便於提高擴眼部分的工作壽命和提高鑽井速度。

在圖6和圖7中描述了一級擴眼部分包括多條刮刀(包括B50、B51、B52、B53和B54)，刮刀上有圓片剪切齒76、脊形剪切齒74和保徑塊72(有扶正作用)。且多條刮刀呈力平衡結構分布：

方案1：刮刀B50和B53、刮刀B51和B54為對稱分布；方案2：刮刀B50、B52和B54為結構對稱；方案3：刮刀B50、B51、B52、B53和B54呈穩定扶正結構，保徑塊72的範圍不小200度的範圍。三種方案都能夠形成較穩定的一級擴眼部分，能夠減小擴眼部分的側向合力(使得一級擴眼部分的側向合力趨向零)。

如圖5和圖7所示，二級擴眼部分的多數刮刀都位於擴眼刮刀A2到A4一側；

如圖7和圖12所示，工具體500在地層中的正常鑽井600中，圍繞第一旋 轉中心Qa的軸線旋轉，能夠形成擴眼直徑RRD；如圖11所示，工具體500在套管400中能夠通過通徑TD，能夠圍繞第二旋轉中心Qb的軸線旋轉在套管中。

如圖7所示，二級擴眼部分的刮刀分布在半徑大於1/2YRD和半徑小於1/2RRD多刮刀上，圍繞第一旋轉中心Qa的軸線呈放射狀分布；刮刀上的切削齒包括圓片剪切齒70和錐形圓柱齒68能夠分布於Qa和Qb連線方向的±90度範圍內。在圖7中，當一級擴眼部分和二級擴眼部分的刮刀圍繞第一旋轉中心Qa的軸線旋轉能夠形成擴眼直徑RRD，它描述了該工具的領眼直徑PD、一級擴眼部分形成的直徑YRD、工具通徑TD和該工具擴眼直徑RRD之間的關係。

如圖8所示，該工具體包括領眼鑽頭(直徑PD)，一級擴眼部分有刮刀(B80、B81、B82、B83和B84)，刮刀上有切削元件包括圓片剪切齒70和錐形圓柱齒68(如圖6所示)，該工具體的一級擴眼部分(直徑YRD)；其中刮刀(B81、B82、B83和B84)有保徑塊72超過190度範圍，能夠維持穩定的一級擴眼部分工作穩定。二級擴眼部分的刮刀(A2、A3、A4)有圓片剪切齒70和錐形圓柱齒68，能夠在地層中鑽井形成擴眼直徑RRD。領眼鑽頭縱向延伸的多條刮刀，有切削齒包括圓片剪切齒C12,錐形圓柱齒C13、脊型剪切齒C14和球頭圓柱齒C11，多種齒形構成的混合切削結構增強了領眼鑽頭在硬地層鑽井和夾層中鑽井的適應能力，延長了齒和鑽頭的壽命，有利於提高鑽速和降低鑽井成本。

實例二的雙心井下擴眼工具體，同樣使用了三段組合結構，但與實例一的工作原理並不相同，具體如下：

第一，一級擴眼部分略大於領眼鑽頭直徑，有多個縱向延伸的刮刀形成了超過190度的扶正穩定結構，與常規雙心鑽頭比較，在領眼鑽頭直徑和擴眼刮刀半徑Rr完全相同的條件下，因為本發明的擴眼工具存在一級擴眼部分，減小了擴眼部分的切削體積，使得二級擴眼部分工作體積減小，使得雙心井下擴眼 工具的側向力Fr2小於常規雙心鑽頭的側向力Fr,簡化描述：Fr2<Fr。

第二，由於一級擴眼部分的存在，減小了擴眼部分(二級擴眼部分)切削體積和扭矩波動，提高了工具的安全性。在限制切深的條件下，能夠使用高轉速；要求工具滿足RRD/Dp＝1.3～1.5之間，要求RRD/YRD＝1.2～1.4之間。能夠促進工具體結構協調穩定，安全和便於操作。

第三，常規雙心鑽頭鑽井中，往往領眼段鑽頭形成的領眼段井眼直徑會增大；這樣常規雙心鑽頭，因為扶正，產生位移，使得擴眼井眼直徑會低於預期的擴眼直徑，本發明的工具因為存在一級擴眼部分，一級擴眼部分直徑略大於領眼鑽頭直徑，克服了常規雙心鑽頭在井眼中的位移，使用本發明的雙心擴眼工具，能夠有效解決擴眼率低的問題，能夠維持穩定的擴眼直徑。

第四，領眼鑽頭選用的切削齒包括圓片剪切齒C12,錐形圓柱齒C13、脊型剪切齒C14和球頭圓柱齒C11，多種齒形構成的混合切削結構增強了領眼鑽頭在硬地層鑽井和夾層中鑽井的適應能力，延長了領眼鑽頭的壽命，提高了進尺，能夠降低鑽井成本。採用非平衡的設計，使得領眼鑽頭合力增加Fp<Fp2

綜上所述，一級擴眼部分處於力平衡狀態，通過改善鑽頭設計【因為Fp<Fp2,Fr2<Fr,所以有(Fr2-Fp2)<(Fr-Fp)】，使得工具的受力平衡得到改善，增強了工具的穩定性。因為有一級擴眼部分直徑大於領眼直徑，側向力減小；克服了常規雙心鑽頭領眼鑽頭擴眼直徑增大，領眼鑽頭無法居中，產生的擴眼效率低或無法擴眼的問題。

圖9是本發明實施例一的工具體200在套管100中的示意圖；圖10是本發明實施例一的工具體200在正常鑽井300中，形成預期擴眼井眼示意圖；圖11是本發明實施例二的工具體500在套管400中的示意圖；圖12是本發明實施例二的工具體500在正常鑽井600中，形成預期擴眼井眼示意圖。通過圖9和圖 11，能夠清楚的看到實施例一和實施例二的工具體均都能夠順利通過套管的內徑；通過圖10和圖12，能夠清楚的看到，在一級擴眼部分直徑略大於領眼鑽頭直徑的硬地層或夾層中鑽井，實例中的井下雙心擴眼工具都能夠實現預期的的擴眼井眼直徑。

本發明中的金剛石鑽頭中的圓片剪切齒和脊形剪切齒，以及錐形圓柱齒和球頭圓柱齒都有金剛石層，金剛石層存在多晶超研磨材料；多晶超研磨材料包括人造金剛石和天然金剛石顆粒、人造金剛石和天然金剛石單晶和微粒的混合，含有立方氮化硼等多晶超研磨材料；各種切削齒包括多晶超研磨材料和硬質合金基體在高溫/高壓(「HTHP」)的工藝過程中使用的催化劑材料，能夠形成希望的多晶超研磨材料的脊形形齒和多晶超研磨材料的圓片剪切齒，同樣能夠形成錐形圓柱齒和球頭圓柱齒。

在上述形成多晶超研磨材料的高溫/高壓(「HTHP」)的工藝過程，在可加熱的高溫/高壓的壓力機中完成。一般高溫達1420℃的溫度條件下，高壓大約在5.5GPa～7.8GPa之間的高壓力條件下；儘管高溫/高壓(HTHP)工藝的準確操作參數將根據正在使用的各種材料的具體成分和數量而發生變化。在高溫/高壓的壓力機中的壓力可以在設定的具體恆定的高溫/高壓(「HTHP」)條件下，維持大約在50秒～21分鐘的時間內，能夠形成多晶超研磨材料的錐形齒和多晶超研磨材料的圓片剪切齒。

上述實施例只是本發明的較佳實施例，並不是對本發明技術方案的限制，只要是不經過創造性勞動即可在上述實施例的基礎上實現的技術方案，均應視為落入本發明專利的權利保護範圍內。