一种深水钻井用钻头设备及钻井方法
阅读说明：本技术 一种深水钻井用钻头设备及钻井方法 (Drill bit equipment for deepwater drilling and drilling method ) 是由 陈彬 张伟国 刘保波 李彬 严德 刘坤翔 温贵凡 陈俊勇 李旭东 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及海洋钻井领域,公开一种深水钻井用钻头设备及钻井方法。所述深水钻井用钻头设备包括钻进部、钻身部和喷射通道,钻进部包括钻头体以及螺旋分布于钻头体上的多个刀翼；钻身部与钻进部连接；喷射通道包括钻井液流道、第一喷射孔和第二喷射孔,钻井液流道贯穿钻身部,并伸入钻进部内,第一喷射孔设置于钻进部上,并与钻井液流道连通,第二喷射孔设置于钻身部上,并与钻井液流道连通。本发明有利于提高表层钻井机械钻速,提高深水表层作业效率,避免了牙轮钻头损坏失效风险,克服牙轮钻头轴承寿命限制,在满足作业安全前提下可以增加二开钻进深度。此外,可以更好控制二开井眼轨迹,环空容积变小,减少固井水泥量,降低作业成本。(The invention relates to the field of marine drilling, and discloses drill bit equipment for deepwater drilling and a drilling method. The drill bit equipment for deepwater drilling comprises a drilling part, a drilling body part and an injection channel, wherein the drilling part comprises a drill bit body and a plurality of blades spirally distributed on the drill bit body; the drilling body part is connected with the drilling part; the injection passage comprises a drilling fluid flow passage, a first injection hole and a second injection hole, the drilling fluid flow passage penetrates through the drilling body part and extends into the drilling part, the first injection hole is arranged on the drilling part and is communicated with the drilling fluid flow passage, and the second injection hole is arranged on the drilling body part and is communicated with the drilling fluid flow passage. The invention is beneficial to improving the drilling speed of surface drilling machinery, improving the deep water surface operation efficiency, avoiding the damage failure risk of the roller bit, overcoming the limitation of the bearing service life of the roller bit and increasing the secondary drilling depth on the premise of meeting the operation safety. In addition, the track of the two open holes can be better controlled, the volume of the annular space is reduced, the cement amount for well cementation is reduced, and the operation cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及海洋钻井领域，尤其涉及一种深水钻井用钻头设备及钻井方法。
背景技术
深水钻井表层导管下入技术是深水钻井工程施工的关键环节，是挑战深水作业难度的核心技术。表层导管是深水油气井施工过程中安装的第一层结构导管，它为海底水下井口、套管悬挂、水下防喷器系统和水下生产系统提供结构支撑。深水钻井表层导管施工具有作业风险高、控制难度大等特点，如果安装方式选择不正确、控制措施采取不当，容易导致导管下入不到位、井口偏角过大、井口下沉甚至井报废等严重后果，造成重大经济损失。
深水钻井表层导管常采用喷射法下入，该方法可以一趟钻完成导管喷射下入和二开井眼钻进作业，且导管无需固井作业，可以节省作业时间和作业费用，但是常规采用牙轮钻头有以下弊端：随着井深增加，岩石压实程度变好，抗压强度逐渐增加，牙轮钻头机械钻速明显降低，增加钻压时存在损坏牙轮钻头风险，且牙轮钻头轴承有使用寿命限制；当实际钻进过程中井眼轨迹与设计出现背离时，小井眼的定向井工具相对于大尺寸的井眼进行纠斜操作时，作用并不明显，并且对于马达而言，纠斜操作需要滑动钻进，钻头机械钻速也会明显降低，从而带来时效降低和井轨迹偏离的双重后果。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种深水钻井用钻头设备及钻井方法，能够有利于提高表层钻井机械钻速，提高深水表层作业效率，避免了牙轮钻头损坏失效风险，克服牙轮钻头轴承寿命限制，降低作业成本。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种深水钻井用钻头设备，包括：
钻进部，包括钻头体以及螺旋分布于所述钻头体上的多个刀翼；
钻身部，与所述钻进部连接；
喷射通道，包括钻井液流道、第一喷射孔和第二喷射孔，所述钻井液流道贯穿所述钻身部，并伸入所述钻进部内，所述第一喷射孔设置于所述钻进部上，并与所述钻井液流道连通，所述第二喷射孔设置于所述钻身部上，并与所述钻井液流道连通。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，每个所述刀翼上均垂直设置有多个切削齿，所述切削齿由聚晶金刚石制备而成。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，所述刀翼上设置有保护槽，所述保护槽的槽底上设置有防撞凸条。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，相邻两个所述刀翼之间的所述钻头体上设置有倾斜流道，所述第一喷射孔的一端与所述钻井液流道连通，所述第一喷射孔的另一端贯穿所述倾斜流道外，所述第一喷射孔的另一端设置有钻头喷嘴。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，所述钻身部上设置有凸台，所述第二喷射孔的一端与所述钻井液流道连通，所述第二喷射孔的另一端贯穿所述凸台外，所述第二喷射孔的另一端设置有旁通喷嘴。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，还包括与所述钻身部连接的连接部，所述连接部上设置有外螺纹。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，所述刀翼设置有五个。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，相邻两个所述刀翼之间的所述钻头体上设置有排屑槽。
作为本发明的深水钻井用钻头设备的优选方案，所述排屑槽的槽底上设置有多个凹槽。
一种钻井方法，采用上述的深水钻井用钻头设备进行导管喷射及二开井眼钻进作业，包括以下步骤：
喷射钻进时，井口送入随钻工具、深水钻井用钻头设备和钻杆，下放至导管中，锁紧，连接下入喷射钻进钻具组合，连接低压井口及继续钻进工具，下钻至指定位置，喷射钻进至指定位置，按照设计静置吸附，解锁送入工具，准备继续二开钻进；继续二开钻进时，按照井口工程师指令解锁送入工具，开泵开顶驱继续常规钻进至设计深度。
本发明的有益效果为：
本发明提供的深水钻井用钻头设备及钻井方法，钻井液通过喷射通道的钻井液流道进入第一喷射孔和第二喷射孔，分别由钻进部和钻身部的喷嘴喷出，对地层进行喷射破岩，同时通过螺旋分布于钻头体上的多个刀翼上的切削齿对地层进行切削破岩，实现钻进作业。本发明采用一种全新设计的聚晶金刚石复合片(Polycrystalline DiamondCompact，简称PDC)钻头，适用于深水浅层一开喷射作业和二开常规开路钻进作业，采用PDC钻头代替牙轮，有利于提高表层钻井机械钻速，提高深水表层作业效率，避免了牙轮钻头损坏失效风险，克服牙轮钻头轴承寿命限制，在满足作业安全前提下可以增加二开钻进深度，PDC钻头可以重复使用。此外，可以更好控制二开井眼轨迹，环空容积变小，降低减少固井水泥量，降低作业成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明
具体实施方式
提供的深水钻井用钻头设备的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的深水钻井用钻头设备的剖视示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的深水钻井用钻头设备的俯视示意图。
图中：
1-钻进部；2-钻身部；3-喷射通道；4-钻头喷嘴；5-旁通喷嘴；6-连接部；
11-钻头体；12-刀翼；
121-切削齿；122-保护槽；123-倾斜流道；124-排屑槽；
1221-防撞凸条；
21-凸台；
31-钻井液流道；32-第一喷射孔；33-第二喷射孔。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，本实施例提供一种深水钻井用钻头设备，适用于深水钻井浅层喷射和钻进作业，该深水钻井用钻头设备包括钻进部1、钻身部2和喷射通道3。其中，钻进部1包括钻头体11以及螺旋分布于钻头体11上的多个刀翼12。钻身部2与钻进部1连接。喷射通道3包括钻井液流道31、第一喷射孔32和第二喷射孔33，钻井液流道31贯穿钻身部2，并伸入钻进部1内，第一喷射孔32设置于钻进部1上，并与钻井液流道31连通，第二喷射孔33设置于钻身部2上，并与钻井液流道31连通。
钻井液通过喷射通道3的钻井液流道31进入第一喷射孔32和第二喷射孔33，分别由钻进部1和钻身部2喷出，对岩土进行喷淋，通过螺旋分布于钻头体11上的多个刀翼12对岩土进行刮削，实现钻进作业。
可选地，每个刀翼12上均垂直设置有多个切削齿121，切削齿121由聚晶金刚石制备而成。采用一种全新设计的聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC)钻头，适用于深水浅层一开喷射作业和二开常规开路钻进作业，采用PDC钻头代替牙轮，有利于提高表层钻井机械钻速，提高深水表层作业效率，避免了牙轮钻头损坏失效风险，PDC钻头可重复使用，克服牙轮钻头轴承寿命限制，降低作业成本。
可选地，刀翼12上设置有保护槽122，保护槽122的槽底上设置有防撞凸条1221。相比传统常规钻进PDC钻头而言，全新设计的PDC钻头具有更短的冠部(即钻进部1)设计，可以满足在深水浅层快速钻进的目的，同时，钻头侧面设计保护槽122，其直径略小于正常外径，防撞凸条1221可以更好地保护钻头，减少钻头在导管间隙晃动造成的碰撞损坏的风险。
为满足钻进时水力破岩要求，可选地，相邻两个刀翼12之间的钻头体11上设置有倾斜流道123，第一喷射孔32的一端与钻井液流道31连通，第一喷射孔32的另一端贯穿倾斜流道123外，第一喷射孔32的另一端设置有钻头喷嘴4。为提高钻进时水力破岩性能，可选地，钻身部2上设置有凸台21，第二喷射孔33的一端与钻井液流道31连通，第二喷射孔33的另一端贯穿凸台21外，第二喷射孔33的另一端设置有旁通喷嘴5。
充分考虑钻头机械破岩和导管环空处水力破岩能力，在传统PDC钻头流道设计位于钻头顶面的基础上，在保径上方的钻头本体上设计增加侧面三个对称结构的旁通水力通道，可以安装喷嘴水眼，并提供约喷射水马力的9.8％进行水力破岩，从而完成喷射作业目的，并防止导管内岩屑堆积堵塞管内环空造成喷射失败。
为方便与其他工具相连接，可选地，该深水钻井用钻头设备还包括与钻身部2连接的连接部6，连接部6上设置有外螺纹。在本实施例中，刀翼12可以设置有五个。在其他实施例中，刀翼12还可以根据工况需求设置为其他个数。
为方便岩屑顺利排出，可选地，相邻两个刀翼12之间的钻头体11上设置有排屑槽124。可选地，排屑槽124的槽底上设置有多个凹槽。这些凹槽可吸附钻井液，使钻身与外界间形成疏水层，防止岩屑附着在钻头表面从而降低钻头排屑效率，此外在低温钻进时可以防止钻头表面结冰发生卡钻现象。
针对目前使用26in牙轮+36in导管、17.5in牙轮+30in导管进行浅层喷射和钻进的两种作业方式存在的弊端，本次发明针对性的提出了一种适用于深水浅层喷射和钻井作业的全新设计17.5in人工金刚石(PDC)钻头，并结合深水井最常用的36in导管，创新采用17.5in PDC+36in导管喷射和钻进组合方式，亦可采用17.5in PDC+30in导管喷射和钻进组合方式作业。
本实施例提供的深水钻井用钻头设备，采用一种全新设计的聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact，简称PDC)钻头，适用于深水浅层一开喷射作业和二开常规开路钻进作业，采用PDC钻头代替牙轮，有利于提高表层钻井机械钻速，提高深水表层作业效率，避免了牙轮钻头损坏失效风险，PDC钻头可重复使用，克服牙轮钻头轴承寿命限制，降低作业成本，采用更小尺寸的PDC钻头，可以带来更大钻井速度，提高钻井时效，可以更好控制二开井眼轨迹，环空容积变小，降低固井水泥量，满足作业安全前提下可以实现表层更深下深。
本实施例还提供一种钻井方法，采用上述的深水钻井用钻头设备进行导管喷射及二开井眼钻进作业，包括以下步骤：喷射钻进时，井口送入随钻工具、深水钻井用钻头设备和钻杆，下放至导管中，锁紧，连接下入喷射钻进钻具组合，连接低压井口及继续钻进工具，下钻至指定位置，喷射钻进至指定位置，按照设计静置吸附，解锁送入工具，准备继续二开钻进；继续二开钻进时，按照井口工程师指令解锁送入工具，开泵开顶驱继续常规钻进至设计深度。本实施例提供的钻井方法有利于提高表层钻井机械钻速，提高深水表层作业效率，避免了牙轮钻头损坏失效风险，克服牙轮钻头轴承寿命限制，降低作业成本，提高钻井时效，可以更好控制二开井眼轨迹，环空容积变小，降低固井水泥量，满足作业安全前提下可以实现表层更深下深。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
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