一種塑性地層鑽井鑽具結構的製作方法
2023-05-26 03:29:21
專利名稱：一種塑性地層鑽井鑽具結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在礦物勘探開發鑽井中，在塑性地層中安全鑽進的下部鑽具結構。
背景技術：
在礦物勘探和開發鑽井中，下部鑽具結構一般由鑽頭、接頭(或穩定器)、鑽鋌、(穩定器)、鑽鋌、接頭、加重鑽杆、鑽杆從下而上順次連接構成。在塑性地層鑽進中，新鑽出的井眼的直徑等於或略大於鑽頭直徑。當鑽進一段時間後，由於地層塑性以及井筒內外力學平衡關係變化，已經鑽成的井眼會縮徑，直徑變小，從而導致上提遇阻和卡鑽，嚴重時可能導致井眼報廢。所以在塑性地層鑽進中，為保證安全，一般採用切削部件可活動、通過能力強的牙輪鑽頭，與接頭、螺旋鑽鋌、接頭、加重鑽杆、鑽杆從下而上連接構成的下部鑽具結構， 採用高密度鑽井液平衡井筒壓力條件下試鑽、反覆劃眼、短起下鑽、定期擴眼、縮短裸眼段長和裸眼時間等辦法鑽井。由於不採用無活動部件、通過能力差但適合塑性地層快速鑽進的PDC鑽頭，高鑽井液密度壓持應力高，因此機械鑽速低；採取試鑽、反覆劃眼、短起下鑽、定期擴眼等工藝措施，需要花費大量作業時間，有效進尺時效低，鑽進效率低；採用牙輪鑽頭因縮徑上提遇阻時，倒劃眼沒有切削能力，難以破壞縮徑，容易卡鑽，乃至報廢井眼；縮短裸眼段長需要更多的套管層次，鑽井成本高。因此，塑性地層鑽井一直是鑽井界的難題。
實用新型內容為解決上述技術問題，本實用新型提出了一種礦物勘探開發鑽井中，在塑性地層中能安全鑽進的下部鑽具結構，本實用新型能克服常用的鑽具結構所鑽的井眼接近鑽頭尺寸，已鑽井眼的地層發生塑性變形後容易縮徑，造成阻卡的技術問題，還能解決為防止阻卡而採用高密度鑽井液、試鑽、反覆劃眼、短起下鑽、定期擴眼，遇阻卡時沒有倒劃眼能力，容易造成卡鑽和井眼報廢，不能一次鑽穿長段塑性地層的技術問題。本實用新型是通過採用下述技術方案實現的一種塑性地層鑽井鑽具結構，其特徵在於包括依次連接的雙心PDC鑽頭、螺旋鑽鋌、隨鑽震擊器、加重鑽杆和鑽杆，所述的雙心PDC鑽頭包括領眼鑽頭和擴眼刀翼，所述的領眼鑽頭和擴眼刀翼是同軸的，擴眼刀翼包括本體和切削部，切削部偏心布置在本體的側面，擴眼刀翼的軸心是所述雙心PDC鑽頭的通過軸心，偏離擴眼刀翼的本體軸心，在領眼鑽頭和擴眼刀翼的底面布置有PDC切削單元，在領眼鑽頭和擴眼刀翼的側面布置有保徑齒， 在擴眼刀翼的頂部與側面轉角部位布置喲1-2個切削齒作為倒劃眼齒。所述領眼鑽頭和擴眼刀翼是一體的。所述的領眼鑽頭和擴眼刀翼是兩個獨立的部件，領眼鑽頭和擴眼刀翼之間通過鑽杆螺紋連接。所述的領眼鑽頭和擴眼刀翼是兩個獨立的帶螺紋的部件，領眼鑽頭和擴眼刀翼之間通過有鑽杆螺紋的接頭連接。在起下鑽和劃眼時，鑽頭繞公轉軸心旋轉，其直徑為公稱(通過)直徑D ；當鑽進時， 領眼鑽頭先鑽出領眼d後，受到領眼井壁的限制，鑽頭只能繞領眼鑽頭的軸心偏心旋轉，迫使擴眼刀翼在旋轉中側向切削地層形成穩定井底，在鑽壓和轉速作用下，擴眼刀翼底部的切削齒穩定地切削地層，鑽出比公稱直徑更大的井眼Dl ；倒劃眼時，擴眼刀翼頂部的倒劃眼齒可以切削地層，破壞縮徑，使井眼恢復到公稱直徑D，保證鑽頭通過。與現有技術相比，本實用新型的有益效果表現在本實用新型使用了適合塑性地層的PDC鑽頭，鑽井速度快，所鑽出的井眼比鑽頭公稱直徑大，具有倒劃眼能力，鑽具通過能力強，阻卡和報廢機率降低，鑽井安全性和效率大大提高。在遇到塑性地層時，可以給地層塑性變形留有一定的井眼空間，讓地層產生一定的縮徑釋放應力，而不至於發生阻卡。因此可以使用密度略低的鑽井液，減少壓持效應和三軸圍壓，提高鑽井速度。可以省去試鑽的等待時間、減少劃眼時間、延長短起下鑽和擴眼周期，從而提高進尺時效。使用PDC鑽頭，提高鑽井速度，縮短鑽井時間，也就縮短了地層塑性變形時間，在保證安全的情況下可以鑽出更長的井段，可以減少套管層次。鑽頭上有倒劃眼齒，提高遇阻時的處理能力，減少井眼報廢機率。
下面將結合說明書附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的詳細說明，其中圖1為本實用新型的結構示意圖圖2為圖1中雙心PDC鑽頭的具體結構示意圖圖中標記1、雙心PDC鑽頭；2、螺旋鑽鋌；3、隨鑽震擊器；4、加重鑽杆；5、鑽杆；6、領眼鑽頭； 7、擴眼刀翼；8、倒劃眼齒，9、實際鑽井井眼，10、通過軸心，11、井眼軸心。
具體實施方式
如圖1所示，本實施例由雙心PDC鑽頭1、螺旋鑽鋌2、隨鑽震擊器3、加重鑽杆4、 鑽杆5由下而上順次連接構成。其中的雙心PDC鑽頭1、螺旋鑽鋌2、隨鑽震擊器3、加重鑽杆4、鑽杆5都製作有標準的鑽杆螺紋，連接時按照常規的鑽具上扣方式連接。雙心PDC鑽頭1由領眼鑽頭6和擴眼刀翼7組成。領眼鑽頭6和擴眼刀翼7可以是一體的，也可以是兩個獨立結構用螺紋連接。其中的擴眼刀翼7的本體與領眼鑽頭6是同軸的，但其切削部件偏心布置在本體側面，其整體軸心是雙心PDC鑽頭1的通過軸心，偏離領眼鑽頭軸心即其本體軸心。領眼鑽頭6的直徑為d，擴眼刀翼與其本體形成的截面直徑為D，也是雙心PDC鑽頭1的通過直徑。領眼鑽頭6和擴眼刀翼7的底面布置有PDC切削單元，在其側面布置有保徑齒，在擴眼刀翼7的頂部與側面轉角部位布置廣2個切削齒作為倒劃眼齒8。如圖1所示，本實施例的安裝過程是1、將雙心PDC鑽頭1的領眼朝下豎立，上端接頭螺紋與螺旋鑽鋌2的下端螺紋連接，上扣到規定扭矩。如果雙心PDC鑽頭1和螺旋鑽鋌2的螺紋扣型不同，則增加一個配合接頭將兩者連接。2、將雙心PDC鑽頭1下放入井，按照鑽井工藝要求，下入足夠長度的螺旋鑽鋌2 ； 在螺旋鑽鋌2後面連接隨鑽震擊器3。如果兩者的螺紋扣型不同，可以增加配合接頭。3、在隨鑽震擊器3後面連接加重鑽杆4。加重鑽杆4的長度由鑽井工藝要求確定。4、在加重鑽杆後面連接鑽杆。下鑽到雙心PDC鑽頭1能夠觸及井底，然後接上方鑽杆或頂驅，完成裝配。本實施例的工作原理是在下鑽、起鑽和劃眼時，由於鑽具的彈性變形，鑽頭沿擴眼刀翼7的型心運動，其通過直徑D為擴眼刀翼7的整體外徑，也是雙心PDC鑽頭的公稱直徑。即，在不小於D的井眼裡，可以下入雙心PDC鑽頭1。當下鑽到井底，旋轉鑽具開始鑽進後，只要進尺超過領眼鑽頭6到擴眼刀翼7下端面的距離，形成新的井底，因領眼鑽頭6所鑽出的新井眼井壁，與領眼鑽頭6的側面保徑部分緊貼，產生側向力，強迫整個雙心PDC鑽頭1繞著領眼鑽頭6的軸心旋轉。而擴眼刀翼7 繞領眼鑽頭6的軸心轉動時，就對井壁進行側向切削，形成一個大於通過直徑D的井眼D1。 當形成了臺階形的新井眼後，在鑽壓作用下，領眼鑽頭6和擴眼鑽頭7的主要受力和切削部位都轉移到各自的底面的切削單元上，從而使鑽進過程接近一般的PDC鑽頭，實現快速鑽進。而鑽出的井眼直徑大於雙心PDC鑽頭1的通過直徑D，保證井眼與鑽具、鑽頭的間隙較大。在塑性地層被鑽開後，因原有的應力，會造成井壁發生塑性變形，發生井眼縮徑。 縮徑速度與地層泊松比、應力大小、井眼尺寸、鑽井液密度有關。縮徑量大小與縮徑速度和變形時間有關。如果用常規方式鑽進，井眼擴大量小、尺寸與鑽頭接近，在很短的時間裡，縮徑量就可以達到井眼擴大量，使鑽頭起出困難，發生遇阻和卡鑽。因此在鑽遇塑性地層時， 要鑽進一定進尺，上提鑽具，等待一段時間，下放鑽具試探，估計地層的變形速度；每次鑽進一小段時間就需要上提鑽具進行劃眼或擴眼。這些措施都需要犧牲鑽井時間，降低鑽井時效。另外，因為PDC鑽頭的通過能力較差，一般在塑性地層不使用PDC鑽頭。而牙輪鑽頭在塑性地層中的機械鑽速低。由於鑽井速度慢、時效低，在厚層塑性地層鑽井時，安全難保證， 往往需要更多的套管層次。用本實用新型鑽進時，所鑽出的井眼Dl遠大於鑽頭的通過直徑D， (Dl=D+l/2(D-d))，鑽開塑性地層後，雖然井壁仍然發生塑性變形，發生井眼縮徑，但保證安全起下鑽的允許縮徑量要大得多，所以可以用來安全鑽進的時間就長得多，不需要試鑽，劃眼和擴眼周期延長，使用PDC鑽頭可以大大提高機械鑽速。從而提高鑽井時效和安全性，在塑性地層厚度很大時還可以減少套管層次。
權利要求1.一種塑性地層鑽井鑽具結構，其特徵在於包括依次連接的雙心PDC鑽頭、螺旋鑽鋌、隨鑽震擊器、加重鑽杆和鑽杆，所述的雙心PDC鑽頭包括領眼鑽頭和擴眼刀翼，所述的領眼鑽頭和擴眼刀翼是同軸的，擴眼刀翼包括本體和切削部，切削部偏心布置在本體的側面，擴眼刀翼的軸心是所述雙心PDC鑽頭的通過軸心，偏離擴眼刀翼的本體軸心，在領眼鑽頭和擴眼刀翼的底面布置有PDC切削單元，在領眼鑽頭和擴眼刀翼的側面布置有保徑齒， 在擴眼刀翼的頂部與側面轉角部位布置喲1-2個切削齒作為倒劃眼齒。
2.根據權利要求1所述的塑性地層鑽井鑽具結構，其特徵在於所述領眼鑽頭和擴眼刀翼是一體的。
3.根據權利要求1所述的塑性地層鑽井鑽具結構，其特徵在於所述的領眼鑽頭和擴眼刀翼是兩個獨立的部件，領眼鑽頭和擴眼刀翼之間通過鑽杆螺紋連接。
4.根據權利要求1所述的塑性地層鑽井鑽具結構，其特徵在於所述的領眼鑽頭和擴眼刀翼是兩個獨立的帶螺紋的部件，領眼鑽頭和擴眼刀翼之間通過有鑽杆螺紋的接頭連接。
專利摘要本實用新型公開了一種塑性地層鑽井鑽具結構，包括依次連接的雙心PDC鑽頭、螺旋鑽鋌、隨鑽震擊器、加重鑽杆和鑽杆，所述的雙心PDC鑽頭包括領眼鑽頭和擴眼刀翼，所述的靈驗鑽頭和擴眼刀翼是同軸的，擴眼刀翼包括本體和切削部，切削部偏心布置在本體的側面，擴眼刀翼的軸心是所述雙心PDC鑽頭的通過軸心，偏離擴眼刀翼的本體軸心，在領眼鑽頭和擴眼刀翼的底面布置有PDC切削單元，在領眼鑽頭和擴眼刀翼的側面布置有保徑齒，在擴眼刀翼的頂部與側面轉角部位布置喲1-2個切削齒作為倒劃眼齒。本實用新型採用PDC鑽頭可以大大提高機械鑽速。從而提高鑽井時效和安全性，在塑性地層厚度很大時還可以減少套管層次。
文檔編號E21B10/627GK202325250SQ20112031833
公開日2012年7月11日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者拓伯民, 李進塘, 郭建友, 金學智 申請人:中國石油集團川慶鑽探工程有限公司