[0001] 本发明涉及石油行业井下钻井用钻头结构的改进，特别涉及基于 气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头。

[0002] 目前采用的欠平衡钻井方式有空气钻井、雾化钻井、泡沫钻井、 充气钻井等。其中空气钻井主要是应用大功率压风机向井底输送循环 高压或大排量空气流，以空气作为循环介质携带出岩屑。气体欠平衡 钻井技术利用气体作为钻井循环介质不仅成本较低并且可以大大节 省钻井费用。由于钻井介质是循环气体而非钻井循环液，因此气体钻 井不仅可以防止钻井液泄露而污染油层，而且还可以防止井漏、井喷 等这些钻井事故的发生，有效防止钻井过程中对产层的伤害,缩短钻 井周期，延长钻具寿命。但是实现并保持欠平衡钻井需要配备专用注 汽设备、井控设备、产出流体地面处理设备、随钻测量仪器设备、固 控设备等，并且这种方法适用的井型也有一定限制。气体欠平衡钻井 有时也容易发生井壁失稳、井斜过大、钻具失效、井下爆炸、地层出 水等问题。在起下钻过程中很难维持欠平衡状态，因此应选择质量好 并能适应井下环境满足作业要求的钻头实现一个钻头钻完一个目的 层且力求实现连续钻井，达到提高钻井效率的目的。

[0003] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了基于气体欠平衡钻 井的自驱可造斜钻头，通过采用均布伸缩爪、丝杠传动实现钻头的井 下作业适应性和实时变向的目的，可以满足在欠平衡钻井技术下的作 业要求，同时具有一定的越障解卡能力，结构简单紧凑，便于操作和 控制。

[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

[0005] 基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，包括滚珠丝杠1，滚珠 丝杠1的杠身固定复位弹簧2的一端，复位弹簧2的另一端连接变向 伸缩爪3的底部，变向伸缩爪3套装在滚珠丝杠1上，滚珠丝杠1顶 部连接钻头主体4。

[0006] 所述的变向伸缩爪3包括柱体31，柱体31的圆周方向均匀分布 伸缩锚爪32，组成，伸缩锚爪32的顶部均设置有楔角33。

[0007] 所述的钻头主体4采用PDC钻头。

[0008] 本发明的有益效果：

[0009] 具有一定的越障解卡能力，结构简单紧凑，便于操作和控制；钻 头与变向伸缩爪之间通过滚珠丝杠传递运动，可以快速实现钻头的连 续钻进；省去了旋转钻井中钻杆在转盘中的旋转运动，大大提高了钻 井效率；省去了井下导向工具，节约了钻井成本；采用连续柔管或钢 丝绳的钻井方式可以有效保护地层，防止井喷井漏事故的产生，有效 减少地层伤害。附图说明

[0010] 图1为本发明三维模型。

[0011] 图2为本发明运动原理图

[0012] 图3为本发明变向钻井运动原理图

[0013] 为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：

[0014] 参照图1所示，基于气体欠平衡钻井的自驱可造斜钻头，包括滚 珠丝杠1，滚珠丝杠1的杠身固定复位弹簧2的一端，复位弹簧2的 另一端连接变向伸缩爪3的底部，变向伸缩爪3套装在滚珠丝杠1上， 滚珠丝杠1顶部连接钻头主体4。

[0015] 所述的变向伸缩爪3包括柱体31，柱体31的圆周方向均匀分布 伸缩锚爪32，组成，伸缩锚爪32的顶部均设置有楔角33，当锚爪在 液压力的作用下撑开在井壁上时，通过顶部的楔角可以进一步楔进井 壁，为钻头提供更大的推进力；同时伸缩爪具有一定的单向通过性， 可以防止钻头在作业时由于反向运动而失效的现象产生。

[0016] 所述的钻头主体4采用普通的PDC钻头，PDC钻头主要由钻头体、 切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成，在我国得到了广泛的应用，在 软-中硬岩层中钻进时，钻进效率远高于孕镶钻头及牙轮钻头，创造 良好的经济效益。

[0017] 本发明的工作原理：

[0018] 如图2所示，图(a)为钻头入井之后的初始工作状态,此时沿周向 分布的变向伸缩爪3撑开并以一定的抓臂力紧密贴合井壁。此时变向 伸缩爪3与井壁5保持相对静止，滚珠丝杠1在电机的带动下开始旋 转运动并带动钻头主体进行旋转运动。此时钻头主体处于工作状态， 并将自身的旋转运动转化为沿井眼方向的运动；伴随着丝杠的运动， 复位弹簧被压缩并储存弹性势能，如图(b)所示；通过地面控制使 六个变向伸缩爪收缩并在复位弹簧的作用下回到入井时的初始位置。 当伸缩爪恢复到相对于丝杠的初始位置时控制其撑开恢复工作状态， 此时钻头已经沿井眼方向工作了一段距离，如图(c)所示，此时与 图(a)中的状态相同。如此重复进行，实现钻头沿井眼方向的钻进 进。

[0019] 参照图3所示，对比常规的井下钻头和传统的钻井作业方式，针 对水平井和分支井等变向井的井下作业方式，在垂直段，沿周向分布 变向伸缩爪撑开并以一定的抓臂力紧密贴合井壁，滚珠丝杠在电机的 带动下开始旋转运动并带动钻头主体进行旋转运动，实现竖直段的钻 进。进入造斜段，由地面控制系统发出指令，改变轴向六个变向伸缩 爪的伸展长度，使钻头的钻进方向与竖直段的轴线方向形成一定的偏 心，此时钻头的回转轴线发生一定角度的偏转，使得它与井眼轴线产 生一定的夹角，如图中(b)所示。当进入水平段时，再次改变六个 变向伸缩爪沿径向的伸缩长度，使其在水平段的运动轨迹与井眼轴线 重合，即可满足作业要求，从而实现按预定方向的钻进。