[发明专利]一种防岩爆及防卡钻的气体钻井钻头

说明书

本发明提供了一种防岩爆及防卡钻的气体钻井钻头，涉及石油及天然气勘探技术领域。该防岩爆及防卡钻的气体钻井钻头包括螺纹上接头（1）和安装在螺纹上接头（1）上的钻头体（6），钻头体（6）上设有多个主刀翼（7），其底部还设有多个副刀翼（8），主刀翼（7）远离螺纹上接头（1）一端和所述副刀翼（8）上均设有多个PDC切削齿（9），主刀翼（7）靠近螺纹上接头（1）一端上还设有多个倒划眼切削齿（3），主刀翼（7）侧面设有具有一定角度的弧形刀翼斜面（12）以及能够自然刮切的弧形凹槽（4）。本发明能够保证钻头在钻井过程中遇到井壁岩爆或井壁坍塌时将大岩石块连续磨削，并排出岩屑，防止卡钻。

技术领域

本发明涉及石油及天然气勘探技术领域，具体涉及一种防岩爆及防卡钻的气体钻井钻头。

背景技术

钻头是钻井作业过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的重要工具，随着开采深度的加深，地温、地层孔隙压力和地应力增大，地质构造越来越复杂，井下复杂情况越来越多，突发性井壁失稳就是安全隐患之一。井壁坍塌是钻井施工过程井壁失稳的一种情况，对钻井工程有着很大影响。相关资料显示，世界石油工业每年因井壁失稳带来的损失超过6 亿美元。钻井施工过程中有着十分复杂多变的地质结构，井壁失稳还可能诱发各类井下事故，严重危害到钻井工程的安全性和效率，这也是钻井行业中面临的世界性难题，国内外在此方面进行了大量攻关，取得了一定的效果。通常所说的岩爆(rockburst) 是地下工程中的井壁失稳的另一种特殊现象，处于高应力或极限平衡状态的岩体，在开挖活动的扰动下，其内部储存的应变能瞬间释放，围岩突然、猛烈的向开挖空间弹射、抛掷、喷出的一种动态力学现象。当气体钻井钻遇大尺寸裂缝( 宽度大于500mm) 或成组大尺寸裂缝网络时且当裂缝与实时井底之间有一定距离时，由于裂缝与井筒之间岩石墙的极低渗透性，裂缝内高压气体不会通过岩石墙明显泄压，从而造成了裂缝内的圈闭高压；当实时钻进井底足够接近裂缝时，裂缝与井筒之间岩石墙强度不足以抵抗高压差所形成的破坏力，岩石墙瞬间崩裂、破碎，大量坍塌碎屑和释放的高压气体喷入井内，称之为气体钻井的突发性井壁失稳现象。它是一种伴有强烈震动声响和冲击的物理爆炸现象，使井筒充满高压天然气和岩屑抛出物，不仅破坏井筒完整性，同时气固多相流可能引起地面排砂管线冲蚀泄漏，导致正常钻井中断，影响勘探开发周期。岩爆后的岩屑上返后进入钻头水眼进而进入到钻柱内，堵住钻头水眼，并且上返的大块岩屑重力较大很快沉入井底，随着大块岩屑集聚的越来越多，很快堵住了井底及井底上部位置，钻柱内部泵入的气流无法进行循环，严重导致井底卡钻，一口井出现岩爆，瞬间爆开的岩石形成大量碎屑，常规钻头的流道较多，而且流道孔径较小，大量碎屑必然进入钻头流道，很快堵死流道内孔，经过抢救无效后，并且钻柱环空的岩屑在上返过程上返的大块岩屑重力较大很快沉入井底，随着大块岩屑集聚的越来越多，很快堵住了井底及井底上部位置，即井眼和环空被堵住，大颗粒岩屑压力高，岩屑到处飞腾，多了就冲到地面，少了就掉入环空卡钻，如果井底发生坍塌，也需要解卡的专用钻头，因此，需要寻找一种专用解卡的气体钻头解决大排量岩屑对钻头和环空的堵塞问题，目前用于气体钻井的钻头有如下几种：1.专利CN110374517A公开了一种新型防堵PDC钻头，内锥和外锥都有一定高度，改善了冠部轮廓，PDC钻头切削齿的复合片进行了优选，PDC钻头采用均匀磨损设计原则，PDC钻头的切削齿的侧转角采用了随着螺旋线角度而变化的设计，该钻头主要针对常规气体钻井的使用，主要是减少钻头的磨损和增强钻头使用功能，但是PDC钻头流道出口上布置了6个可换活喷嘴，喷嘴为非对称布置，对于较大的钻屑岩块，不能提供可靠的解堵效果；2.专利CN201420561870.1公开了一种气体钻井钻头及气体钻井系统，所述钻头内部形成有储气腔，钻头本体的一端固定设置有至少两个牙座，牙座上可旋转地设置有牙轮，在钻头本体设有牙座的底端中心处设有中心喷嘴孔，所述中心喷嘴孔连通至所述储气腔。在钻头本体设有所述牙座的底端、且在相邻的两个牙座之间还开设有侧喷嘴孔。通过本专利提供的气体钻井钻头及气体钻井系统，从中心喷嘴孔和侧喷嘴孔同时喷出气流，消除钻头的中心位置处的滞留的岩屑，彻底消除岩屑，避免造成岩屑沉降和堆积的现象，从而避免了造成卡钻的情况，有利于进行钻井。该牙轮钻头对于常规气体钻井中的岩屑可以有效进行清除，但是对于井底发生岩爆或井壁坍塌所产生的大量高速的岩屑难以进行顺利清除，且该专利的牙轮钻头喷嘴孔径仍然和常规喷嘴内孔孔径相当，总之内孔较小，不利于岩爆及井壁坍塌产生的大块岩屑的清除，对于进入到牙轮内孔的大块岩屑无法通过小孔径的气流进行解除；3.专利CN201520956036.7公开了一种气体钻井钻头初次破岩岩屑的制取装置，气体可以从注气口进入，流经流道，从出气口流出，冲击和冷却牙轮钻头，并将岩屑及时从牙轮钻头底部带走；电动机可以为钻杆的转动提供动能，通过钻杆带动牙轮钻头转动；锥形底面可以防止大的岩屑颗粒堆积，分离器可以将气体和岩屑颗粒进行分离。开启电动机，通过绞车将加重块下放，使转动的牙轮钻头接触岩块开始破岩，破碎的岩石在气流的冲击下，离开牙轮钻头底部，随着气流运动，最后进入分离器，进行分离，从而得到气体钻井钻头初次破岩的岩屑，结构简单、操作方便、制取岩屑效率高，制取的岩屑能够满足实验研究的要求，其主要是气体钻头岩屑制取的一种方法，使用的牙轮钻头仍是处于常规钻井用的气体钻头，无法满足井下岩爆及井壁坍塌事故的处理。