石油钻井用钻头及使用方法与流程

1.本发明涉及石油工业钻井技术领域，特别涉及一种石油钻井用钻头及使用方法。


背景技术：

2.在石油钻井行业中，钻头是钻井工作的重要部件，而pdc钻头作为一种耐磨的钻头，是石油工业中常用的钻头，一定程度上延长了使用寿命，但是，在使用过程中，当pdc钻头中的金刚石复合片磨损较大后，还是需要通过钻井机上提钻杆来更换新的pdc钻头；在钻较浅的油井时，更换钻头的时间还比较短；但是当钻几千米的深井时，更换钻头需要一根一根的将钻杆上提，现有的钻杆一般的长度为7-13米左右，8000米井深就需要1000根左右的钻杆，这样的上提和下入，会造成大量的时间消耗在起下钻杆上，进而造成钻井成本的大幅度攀升，形成高额的钻井费用，因此，降低钻井成本的方法主要有两种：一种是提高pdc钻头的钻进效率，另一种是延长pdc钻头的使用寿命。
3.在中国专利号为2021114969843，专利名称为《石油钻井用高速平衡pdc钻头》，该发明的中心钻头可以向下钻进，铣削钻头主体可以实现自转和绕着中心钻头做公转的旋转钻进功能，镗削钻头主体绕着中心钻头旋转，降低了镗削钻头主体的旋转速度，减少了外径部位的烧钻现象，提高了钻头的使用寿命。另外，中国专利号为2022103246722，专利名称为《石油钻井用水力喷射旋转组合pdc钻头》，利用钻井液喷射的能量，并在钻头本体外侧加装喷钻扩张器，从而将水力喷射转化为驱动喷钻扩张器高速旋转，进而起到了辅助钻孔的作用，能量得到了充分的利用，提高了钻井效率。还有，中国专利号为2022106756159，专利名称为《石油钻井用锤击式铣削钻头》，该发明通过动力弹簧和移动轨道配合，实现锤柄的上下移动，进而带动锤头上下锤击，通过采用向下锤击的方式来增强钻井的效率；本公司新申请的中国专利申请号为2022110439310，专利名称为《石油钻井pdc钻头及使用方法》，其技术方案是：硬质合金钻头的上侧设有钎刮载体，钎刮载体的上侧通过传动介轮连接在中心杆上，钎刮载体的外壁轴向设有刮削刀片，在钎刮载体的内部径向安装凿壁钎具；中心杆的外壁上安设钎凿动力凸块，凿壁钎具在钎凿动力凸块和钎具复位弹簧的作用下形成伸缩动作。该发明解决了钻头钻进的同时，实现对钻孔内壁的凿壁动作，钎凿形成的凹坑，改善了钻井的井壁情况，有利于后续固井工艺；但是并未解决硬质合金钻头为整体结构的问题，且不能将硬质合金钻头的直径设计的太大，其原因是：驱动硬质合金钻头的钻杆一方面难以启动钻头旋转，另一方面启动旋转后的钻头外圈的线速度过快，会导致钻头外圈的磨损快；所以，大直径的钻头虽然钻进的效率大，但是由于转动的线速度快，导致钻头外侧的磨损快，使用寿命被降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种石油钻井用钻头及使用方法，采用三层结构的钻头，可以使中心钻头外圈的两个钻头的转速降低，使钻头的中心、内层和外层的切削作用趋于平衡，进而可以将钻头的直径加大，进一步提高钻进效率，
且满足更大孔径的钻井需要；另外，三层结构的钻头内分别利用孔装固定的方式安装硬质切削合金块，使下端磨损消耗掉的钻头，由后面的硬质切削合金块补偿，这样，起到延长钻头的使用寿命，且不降低钻进效率的作用。
5.本发明提到的一种石油钻井用钻头，其技术方案是：包括中心钻杆和中心钻头，所述中心钻杆的中心设有钻井液通道，中心钻杆的下端设有中心钻头，所述中心钻头内设有钻井液循环孔，中心钻头的外壁嵌有硬质切削合金块，其中，在中心钻头的外圈设有内层钻头，所述内层钻头的上端与内部旋转连接套活动连接，所述内部旋转连接套的上端与内部旋转套活动连接，所述内部旋转套与中心钻杆的外壁之间设有内层上部轴承组、内层介轮支架、内层传动介轮、内部下部轴承组，所述内层介轮支架上安装多个内层传动介轮，内层传动介轮的两端分别安装内层上部轴承组和内部下部轴承组，所述中心钻杆通过内层传动介轮带动内部旋转套减速旋转，内部旋转套通过内部旋转连接套带动下端连接的内层钻头减速旋转实现钻进动作；所述内层钻头的外圈设有外层钻头，所述外层钻头的上端与外部旋转连接套活动连接，所述外部旋转连接套的上端内壁与中心钻杆之间设有上动密封和外层上部轴承组，外层钻头的上端内壁与内部旋转连接套之间安装外层传动介轮、外层介轮支架、外层下部轴承组，所述外层介轮支架上安装多个外层传动介轮，外层介轮支架的下侧设有外层下部轴承组，所述内部旋转连接套通过外层传动介轮带动外层钻头减速旋转实现钻进动作。
6.优选的，上述中心钻杆包括钻杆连接头、外层上部第一轴承安装部、内层上部第一轴承安装部、内层第一连接齿轮、内层下部第一轴承安装部、定位密封环安装部、轴承定位环安装槽、齿轮定位环安装槽和钻杆主体，所述钻杆主体的顶部设有钻杆连接头，钻杆连接头的下侧设有圆柱形结构的外层上部第一轴承安装部，外层上部第一轴承安装部的下侧设有圆柱形结构的内层上部第一轴承安装部，内层上部第一轴承安装部的下侧设有内层第一连接齿轮，用于与内层传动介轮啮合，内层第一连接齿轮的下侧设有圆柱形的内层下部第一轴承安装部，内层下部第一轴承安装部的下侧设有定位密封环安装部；所述内层上部第一轴承安装部与内层第一连接齿轮之间设有轴承定位环安装槽，所述内层第一连接齿轮与内层下部第一轴承安装部之间设有齿轮定位环安装槽。
7.优选的，上述中心钻头内腔设有的钻井液循环孔连通到中心钻杆的内腔；所述中心钻头的外壁分布有斜向设置的合金块安装孔，在合金块安装孔内分别嵌有硬质切削合金块，中心钻头的下端为锥体结构。
8.优选的，上述的内层钻头为圆筒形结构，在内层钻头的上端内侧设有第一内螺纹，内层钻头的中部外壁设有均匀分布的斜向设置的内层合金块安装孔，内层钻头的底部为内部为空腔的锥台结构，且内层钻头的内腔安设中心钻杆带动旋转的中心钻头。
9.优选的，上述的外层钻头为圆筒形结构，在外层钻头的上端内侧设有第二内螺纹，用于与外部旋转连接套的下端连接；所述第二内螺纹的下侧设有外层传扭齿轮，用于与多个外层传动介轮啮合；所述外层传扭齿轮的下侧设有外层下部轴承安装部，用于安装外层下部轴承组；所述外层下部轴承安装部的下侧为外层钻头主体，所述外层钻头主体的中部为圆筒形结构，下端为内部为空腔的第二锥台结构，在外层钻头主体的外壁均匀分布有外层合金块安装孔，用于安装硬质切削合金块，所述外层钻头主体的内腔安装内部旋转连接套连接的内层钻头。
10.优选的，上述的内部旋转套包括内层上部第二轴承安装部、轴承定位环第二安装槽、内层第二连接齿轮、内层下部第二轴承安装部、内层下部螺纹和内部旋转套主体，所述内部旋转套主体的内腔依次设有内层上部第二轴承安装部、轴承定位环第二安装槽、内层第二连接齿轮、内层下部第二轴承安装部、内层下部螺纹，所述内层第二连接齿轮与中心钻杆的内层第一连接齿轮之间设有多个啮合连接的内层传动介轮，中心钻杆在内层传动介轮的作用下，实现内部旋转套的减速旋转；所述内层下部螺纹与下端的内部旋转连接套螺纹连接，带动内部旋转连接套下端连接的内层钻头减速旋转。
11.优选的，上述的内部旋转连接套包括上凸出接头、定位密封环安装槽、外层第一连接齿轮、外层下部第一轴承安装部、下连接外螺纹和连接套本体，所述连接套本体的上端为上凸出接头，用于连接内部旋转套的下端；所述上凸出接头的内壁设有定位密封环安装槽，用于安装定位密封环；所述上凸出接头的下侧为外层第一连接齿轮，用于与多个外层传动介轮啮合；外层第一连接齿轮的下侧为外层下部第一轴承安装部，用于安装外层下部轴承组；在连接套本体的下端设有下连接外螺纹，用于连接内层钻头。
12.优选的，上述外部旋转连接套包括外层上部第二轴承安装部、外部旋转连接套主体、外层钻头连接螺纹，所述外部旋转连接套主体的上端设有外层上部第二轴承安装部，在外层上部第二轴承安装部与中心钻杆的外层上部第一轴承安装部之间安装上动密封和外层上部轴承组；所述外部旋转连接套主体的下端设有外层钻头连接螺纹。
13.优选的，上述内层上部轴承组的下侧安设轴承定位环，所述内层介轮支架的下侧安设齿轮定位环。
14.本发明提到的石油钻井用钻头的使用方法，包括以下过程：首先，组装石油钻井用钻头，在中心钻杆上安装上动密封和外层上部轴承组，再在中心钻杆与内部旋转套之间依次安装内层上部轴承组、轴承定位环、内层介轮支架和多个内层传动介轮，内层介轮支架的下侧安装齿轮定位环，齿轮定位环的下侧安装内部下部轴承组；然后，将内部旋转连接套安装在内部旋转套的下端，内部旋转连接套的下端连接内层钻头，并位于中心钻头的外圈；之后，在内部旋转连接套的外侧安装外层传动介轮、外层介轮支架和外层下部轴承组，再将外部旋转连接套安装在内部旋转套的外圈，在外部旋转连接套的下端连接外层钻头的上端，使外层钻头位于内层钻头的外圈，形成三层结构的钻头，且中心钻头、内层钻头和外层钻头均嵌有硬质切削合金块；其次，将石油钻井用钻头连接到钻杆的下端进行钻井，中心钻杆在上方的钻杆的带动下旋转，带动中心钻杆下端的中心钻头同步旋转进行钻进动作；另外，中心钻杆的上侧通过多个内层传动介轮啮合连接在内部旋转套上，带动内部旋转套做减速旋转，内部旋转套带动下方的内部旋转连接套和内层钻头旋转，使内层钻头的转速低于中心钻头的转速；所述内部旋转连接套的上侧通过多个外层传动介轮啮合连接在外层钻头上部的外层传扭齿轮上，带动外层钻头做减速旋转，使外层钻头的转速低于内层钻头的转速，形成中心钻头在中心高速旋转，内层钻头在中心钻头的外圈进行减速旋转，外层钻头在内层钻头的外圈进一步减速旋转，实现三层钻进动作。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：本发明的中心钻杆在钻杆的带动下旋转，带动中心钻杆下端的中心钻头同步旋转进行钻进动作；中心钻杆的上侧通过多个内层传动介轮啮合连接在内部旋转套，带动内部
旋转套做减速旋转，进而使内部旋转套带动下方的内部旋转连接套和内层钻头旋转，内层钻头的转速低于中心钻头的转速；另外，内部旋转连接套的上侧通过多个外层传动介轮啮合连接在外层钻头的上部，带动外层钻头做减速旋转，使外层钻头的转速低于内层钻头的转速，形成中心钻头在中心高速旋转，内层钻头在中心钻头的外圈进行减速旋转，外层钻头在内层钻头的外圈进一步减速旋转，实现三层钻进动作；总之，本发明采用三层结构的钻头，可以使中心钻头外圈的两个钻头的转速降低，使钻头的中心、内层和外层的切削作用趋于平衡，进而可以将钻头的直径加大，进一步提高钻进效率，且满足更大孔径的钻井需要；另外，三层结构的钻头内分别利用孔装固定的方式安装硬质切削合金块，使下端磨损消耗掉的钻头，由后面的硬质切削合金块补偿，这样，起到延长钻头的使用寿命，且不降低钻进效率的作用。
附图说明
16.图1是本发明的整体结构示意图；图2是中心钻杆和中心钻头的结构示意图；图3是内层钻头的结构示意图；图4是外层钻头的结构示意图；图5是内部旋转套的结构示意图；图6是内部旋转连接套的结构示意图；图7是外部旋转连接套的结构示意图；图8是图1的a-a的局部截面示意图；图9是图1的底部的仰视方向的示意图；上图中：中心钻杆1、上动密封2、外层上部轴承组3、内层上部轴承组4、内层介轮支架5、内层传动介轮6、外部旋转连接套7、内部下部轴承组8、外层传动介轮9、外层介轮支架10、外层下部轴承组11、外层钻头12、内层钻头13、中心钻头14、内部旋转连接套15、定位密封环16、齿轮定位环17、轴承定位环18、内部旋转套19、硬质切削合金块20、钻杆连接头1.1、外层上部第一轴承安装部1.2、内层上部第一轴承安装部1.3、内层第一连接齿轮1.4、内层下部第一轴承安装部1.5、定位密封环安装部1.6、轴承定位环安装槽1.7、齿轮定位环安装槽1.8、钻杆主体1.9、钻井液通道1.10、外层上部第二轴承安装部7.1、外部旋转连接套主体7.2、外层钻头连接螺纹7.3、第二内螺纹12.1、外层传扭齿轮12.2、外层下部轴承安装部12.3、外层钻头主体12.4、外层合金块安装孔12.4.1、第一内螺纹13.1、内层合金块安装孔13.2、锥台结构13.3、钻井液循环孔14.1、合金块安装孔14.2、上凸出接头15.1、定位密封环安装槽15.2、外层第一连接齿轮15.3、外层下部第一轴承安装部15.4、下连接外螺纹15.5、连接套本体15.6、内层上部第二轴承安装部19.1、轴承定位环第二安装槽19.2、内层第二连接齿轮19.3、内层下部第二轴承安装部19.4、内层下部螺纹19.5、内部旋转套主体19.6。
具体实施方式
17.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
18.实施例1，参照图1-图9，本发明提到的一种石油钻井用钻头，包括中心钻杆1和中
心钻头14，所述中心钻杆1的中心设有钻井液通道1.10，中心钻杆1的下端设有中心钻头14，所述中心钻头14内设有钻井液循环孔14.1，中心钻头14的外壁嵌有硬质切削合金块20，其中，在中心钻头14的外圈设有内层钻头13，所述内层钻头13的上端与内部旋转连接套15活动连接，所述内部旋转连接套15的上端与内部旋转套19活动连接，所述内部旋转套19与中心钻杆1的外壁之间设有内层上部轴承组4、内层介轮支架5、内层传动介轮6、内部下部轴承组8，所述内层介轮支架5上安装多个内层传动介轮6，内层传动介轮6的两端分别安装内层上部轴承组4和内部下部轴承组8，所述中心钻杆1通过内层传动介轮6带动内部旋转套19减速旋转，内部旋转套19通过内部旋转连接套15带动下端连接的内层钻头13减速旋转实现钻进动作；所述内层钻头13的外圈设有外层钻头12，所述外层钻头12的上端与外部旋转连接套7活动连接，所述外部旋转连接套7的上端内壁与中心钻杆1之间设有上动密封2和外层上部轴承组3，外层钻头12的上端内壁与内部旋转连接套15之间安装外层传动介轮9、外层介轮支架10、外层下部轴承组11，所述外层介轮支架10上安装多个外层传动介轮9，外层介轮支架10的下侧设有外层下部轴承组11，所述内部旋转连接套15通过外层传动介轮9带动外层钻头12减速旋转实现钻进动作。
19.参照图2，本发明提到的中心钻杆1包括钻杆连接头1.1、外层上部第一轴承安装部1.2、内层上部第一轴承安装部1.3、内层第一连接齿轮1.4、内层下部第一轴承安装部1.5、定位密封环安装部1.6、轴承定位环安装槽1.7、齿轮定位环安装槽1.8和钻杆主体1.9，所述钻杆主体1.9的顶部设有钻杆连接头1.1，钻杆连接头1.1的下侧设有圆柱形结构的外层上部第一轴承安装部1.2，外层上部第一轴承安装部1.2的下侧设有圆柱形结构的内层上部第一轴承安装部1.3，内层上部第一轴承安装部1.3的下侧设有内层第一连接齿轮1.4，用于与内层传动介轮6啮合，内层第一连接齿轮1.4的下侧设有圆柱形的内层下部第一轴承安装部1.5，内层下部第一轴承安装部1.5的下侧设有定位密封环安装部1.6；所述内层上部第一轴承安装部1.3与内层第一连接齿轮1.4之间设有轴承定位环安装槽1.7，所述内层第一连接齿轮1.4与内层下部第一轴承安装部1.5之间设有齿轮定位环安装槽1.8。
20.其中，上述中心钻头14内腔设有的钻井液循环孔14.1连通到中心钻杆1的内腔的钻井液通道1.10；所述中心钻头14的外壁分布有斜向设置的合金块安装孔14.2，在合金块安装孔14.2内分别嵌有硬质切削合金块20，中心钻头14的下端为锥体结构。
21.参照图3，本发明提到的内层钻头13为圆筒形结构，在内层钻头13的上端内侧设有第一内螺纹13.1，内层钻头13的中部外壁设有均匀分布的斜向设置的内层合金块安装孔13.2，内层合金块安装孔13.2内分别嵌有硬质切削合金块20，内层钻头13的底部为内部为空腔的锥台结构13.3，且内层钻头13的内腔安设中心钻杆1带动旋转的中心钻头14。
22.参照图4，本发明提到的外层钻头12为圆筒形结构，在外层钻头12的上端内侧设有第二内螺纹12.1，用于与外部旋转连接套7的下端连接；所述第二内螺纹12.1的下侧设有外层传扭齿轮12.2，用于与多个外层传动介轮9啮合；所述外层传扭齿轮12.2的下侧设有外层下部轴承安装部12.3，用于安装外层下部轴承组11；所述外层下部轴承安装部12.3的下侧为外层钻头主体12.4，所述外层钻头主体12.4的中部为圆筒形结构，下端为内部为空腔的第二锥台结构，在外层钻头主体12.4的外壁均匀分布有外层合金块安装孔12.4.1，用于安装硬质切削合金块20，所述外层钻头主体12.4的内腔安装内部旋转连接套15连接的内层钻头13。
23.参照图5和图8，本发明提到的内部旋转套19包括内层上部第二轴承安装部19.1、轴承定位环第二安装槽19.2、内层第二连接齿轮19.3、内层下部第二轴承安装部19.4、内层下部螺纹19.5和内部旋转套主体19.6，所述内部旋转套主体19.6的内腔依次设有内层上部第二轴承安装部19.1、轴承定位环第二安装槽19.2、内层第二连接齿轮19.3、内层下部第二轴承安装部19.4、内层下部螺纹19.5，所述内层第二连接齿轮19.3与中心钻杆1的内层第一连接齿轮1.4之间设有多个啮合连接的内层传动介轮6，中心钻杆1在内层传动介轮6的作用下，实现内部旋转套19的减速旋转；所述内层下部螺纹19.5与下端的内部旋转连接套15螺纹连接，带动内部旋转连接套15下端连接的内层钻头13减速旋转。
24.参照图6，本发明提到的内部旋转连接套15包括上凸出接头15.1、定位密封环安装槽15.2、外层第一连接齿轮15.3、外层下部第一轴承安装部15.4、下连接外螺纹15.5和连接套本体15.6，所述连接套本体15.6的上端为上凸出接头15.1，用于连接内部旋转套19的下端；所述上凸出接头15.1的内壁设有定位密封环安装槽15.2，用于安装定位密封环16；所述上凸出接头15.1的下侧为外层第一连接齿轮15.3，用于与多个外层传动介轮9啮合；外层第一连接齿轮15.3的下侧为外层下部第一轴承安装部15.4，用于安装外层下部轴承组11；在连接套本体15.6的下端设有下连接外螺纹15.5，用于连接内层钻头13。
25.参照图7，本发明提到的外部旋转连接套7包括外层上部第二轴承安装部7.1、外部旋转连接套主体7.2、外层钻头连接螺纹7.3，所述外部旋转连接套主体7.2的上端设有外层上部第二轴承安装部7.1，在外层上部第二轴承安装部7.1与中心钻杆1的外层上部第一轴承安装部1.2之间安装上动密封2和外层上部轴承组3；所述外部旋转连接套主体7.2的下端设有外层钻头连接螺纹7.3。
26.另外，上述内层上部轴承组4的下侧安设轴承定位环18，起到支撑和定位内层上部轴承组4的作用，所述内层介轮支架5的下侧安设齿轮定位环17，起到定位内层介轮支架5的作用；本发明提到的硬质切削合金块20可以采用金刚石复合片制成，当然，也可以采用其他硬质合金制成。
27.本发明提到的石油钻井用钻头的使用方法，包括以下过程：首先，组装石油钻井用钻头，在中心钻杆1上安装上动密封2和外层上部轴承组3，再在中心钻杆1与内部旋转套19之间依次安装内层上部轴承组4、轴承定位环18、内层介轮支架5和多个内层传动介轮6，内层介轮支架5的下侧安装齿轮定位环17，齿轮定位环17的下侧安装内部下部轴承组8；然后，将内部旋转连接套15安装在内部旋转套19的下端，内部旋转连接套15的下端连接内层钻头13，并位于中心钻头14的外圈；之后，在内部旋转连接套15的外侧安装外层传动介轮9、外层介轮支架10和外层下部轴承组11，再将外部旋转连接套7安装在内部旋转套19的外圈，在外部旋转连接套7的下端连接外层钻头12的上端，使外层钻头12位于内层钻头13的外圈，形成三层结构的钻头，且中心钻头14、内层钻头13和外层钻头12均嵌有硬质切削合金块20；其次，将石油钻井用钻头连接到钻杆的下端进行钻井，中心钻杆1在上方的钻杆的带动下旋转，带动中心钻杆1下端的中心钻头14同步旋转进行钻进动作；另外，中心钻杆1的上侧通过多个内层传动介轮6啮合连接在内部旋转套19上，带动内部旋转套19做减速旋转，内部旋转套19带动下方的内部旋转连接套15和内层钻头13旋转，使内层钻头13的转速低于中心钻头14的转速；所述内部旋转连接套15的上侧通过多个外层传动介轮9啮合连接在外
层钻头12上部的外层传扭齿轮12.2上，带动外层钻头12做减速旋转，使外层钻头12的转速低于内层钻头13的转速，形成中心钻头14在中心高速旋转，内层钻头13在中心钻头14的外圈进行减速旋转，外层钻头12在内层钻头13的外圈进一步减速旋转，实现三层钻进动作。
28.以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的相应简单修改或等同变换，尽属于本发明要求保护的范围。