[发明专利]一种多射流有体式三牙轮钻头

说明书

技术领域

本发明涉及到一种用于石油、天然气、地质、矿山、水文以及地热资源钻井用的有体式三牙轮钻头，具体的涉及采用钻进液作为循环介质的多射流有体式三牙轮钻头。

技术背景

根据钻井工程的实际需要，钻地三牙轮钻头的直径一般为98.425mm(37/8)～914.4mm(36)。每一种直径的三牙轮钻头又分为几十种不同的型号，以适应不同地层及不同钻井工艺的需要。

现有的钻地牙轮钻头通常包括三个牙掌2和三个牙轮4，也称为三牙轮钻头。钻头上加工了三个孔，用来安装边喷嘴9。牙掌2上设有一个支撑轴颈7，牙轮上设有其中心线与锥形回转体同轴的一个内孔，每个牙掌2的轴颈7上安装一个牙轮4，牙轮4是一种锥形回转体，牙轮4中心设置一个孔，该孔与牙掌2上的轴径7形成一个轴承副，牙轮可以围绕牙掌2的轴颈中心线8旋转。

轴承副设置密封圈元件27，以防止外部杂质进入轴承副内部。轴承副通常有滑动轴承与滚动轴承两种。在牙掌轴颈7与牙轮内孔之间设置滚柱体26形成滚动轴承副。轴承副内部设置有钢球28，防止牙轮4从牙掌轴颈7上脱落。每个牙轮4上有几个齿圈，每个齿圈上布置很多切削齿5。钻井过程中，通过电机驱动转盘，转盘驱动空心管状钻杆，钻头安装在钻杆的底部，通过钻头柄部1上的螺纹与钻杆上的螺纹相连接。当启动电机后，电机带动钻杆和钻头转动。钻头转动时，带动牙轮转动，旋转的钻头沿预定的路线钻进，牙轮上的切削齿不断循环冲击破碎地下岩石形成一个直径与钻头直径相当的洞，也称为“井眼”，在井眼的底部形成一个“井底”。

按照三牙轮钻头的结构，三牙轮钻头分为无体式三牙轮钻头和有体式三牙轮钻头。

钻头直径不超过444.5mm(171/2)的三牙轮钻头(以下简称钻头)由三个牙掌和三个牙轮组成，每个牙掌有两个装配平面，两个安装平面之间的夹角为120°。牙掌上安装一个牙轮4后，形成一个分装件，把三个分装件装配在一起形成一个钻头。这种结构的钻头也称为无体式钻头。为了提高钻井速度以及避免钻头泥包，有的无体式钻头在中心部位加工一个孔，用于安装中心喷嘴11。

为了降低钻头加工成本，直径超过444.5mm(171/2)的钻头通常采取增加零部件数量、减小零件尺寸的方法。即钻头由一个钻头体3、三个牙掌2和三个牙轮4组成，钻头体3设有允许钻井液通过的内流道32，钻头体3上设有三个孔用于安装边喷嘴9，每个牙掌轴颈7上安装一个牙轮，再将牙掌焊接在钻头体3上。这种结构也称为有体式钻头。

按照牙轮切削齿结构不同，牙轮分为钢齿牙轮和镶齿牙轮，钢齿牙轮的特点是牙轮上的切削齿是在牙轮的齿圈上通过铣削加工形成的。为了提高切削齿的寿命，通常在切削齿的表面敷焊一层耐磨材料。镶齿牙轮的特点是在牙轮的齿圈上钻出一些孔，并在这些孔中镶入硬质合金齿作为切削齿。通常，钢齿牙轮钻头用于软地层钻井，镶齿牙轮钻头用于硬研磨性地层钻井。

为了把岩屑从井底排除掉，通常在钻井现场配备一套钻井液(也称为泥浆)供给设备，用泥浆泵把钻井液泵入空心管状钻杆，具有一定粘度的钻井液通过钻杆内部、钻头内流道、边喷嘴、中心喷嘴喷向井底，清洗牙轮、冷却钻头，并携带岩屑通过井眼壁与钻杆之间的环空返回到地面上。

普通的石油或天然气钻井井深为2000-4000米，超深井的井深可能达到6000-8000米，由于钻头寿命有限需要经常更换钻头，同时因为钻井工程的需要，通常钻一口井，需要起钻和下钻数十次。而起下钻需要大量的时间，精力和费用。钻头能钻得更快、寿命更长、适应更大变化范围的地层硬度，始终是钻井工程追求的目标。

钻头的钻进速度称为机械钻速。钻头水力结构的优劣是影响机械钻速和钻头寿命的重要因素。特别是当钻井液密度很高时(比如达到2.30g/cm3)且钻井深度很深时，液柱压力具有将被钻头切削齿破碎了的岩屑压实在井底的倾向，导致岩屑不能快速脱离井底而被重复破碎，既降低了破岩速度，又造成切削齿无效磨损。而当钻头钻遇粘性地层，会出现另一种强烈的倾向：岩屑不断附着在钻头的牙轮4上，最终将牙轮4包裹住，该现象称为钻头泥包。此外，由于钻井液含有大量的离子，钻头在工作过程中因摩擦生电，当钻头表面的电荷与钻井液中的离子为异性电荷时，也容易将钻井液中的物质吸附在钻头上而形成钻头泥包。当出现钻头泥包时，牙轮4上的切削齿5就不能有效地切入地层，从而极其严重地影响到钻头的机械钻速。因此，高效的钻头水力结构必须实现这样的效果：避免钻头泥包以及快速将岩屑排离井底。