CN101509352A - 装有柔性喷嘴的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井工程中使用的装有柔性喷嘴的钻头。它能更好地清洗和冷却钻头，清除井底岩屑，辅助破岩。其技术方案是：柔性喷嘴在钻头的喷嘴孔处与钻头相联接；柔性喷嘴上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔；柔性喷嘴由与钻头相联的接头和柔性喷管构成；柔性喷管由金属软管、或橡胶软管、或塑料软管中的一种单独组成，或由其中二至三种软管复合构成。柔性喷嘴用管壁连续的软管、或用管壁不连续的软管。本发明的柔性喷嘴能显著缩短钻头喷嘴出口与井底的距离，减小钻井液射流的能量损失；扩大射流在井底的作用区域，并在井底产生脉动效应；可调整喷嘴出口方位实现定位喷射、斜向喷射等功能；柔性喷嘴抗断裂性好，可靠性高。

Description

装有柔性喷嘴的钻头

技术领域

本发明涉及一种在石油天然气、矿山工程、基础工程施工、地质、水纹等领域钻井工程中使用的装有柔性喷嘴的钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的破岩工具。钻头在入井前一般都会装上喷嘴。喷嘴是安装在钻头上的辅助元件，在钻头的喷嘴孔处与钻头相联接，喷嘴上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔。钻头上安装喷嘴的目的在于增加钻井液的喷射速度，使其更好地清洗和冷却钻头，清除井底岩屑，并利用钻井液射流的能量辅助破碎井底岩石。

因为通过喷嘴的钻井液中通常都含有固相颗粒，而且射流速度较快，所以要求喷嘴具有较强的耐冲蚀能力。为了达到该目的，目前钻头上所使用的喷嘴均由硬质合金等高硬度、高耐磨性材料制成。为了达到增强喷嘴清洗、冷却和辅助破岩效果的目的，通常采用的技术手段有三种：第一，增加喷嘴的长度，缩短喷嘴出口到井底的距离，减小钻井液射流的能量损耗；第二，改变喷嘴的流道结构，形成高速射流或脉冲射流；第三，合理设计喷嘴的位置和射流方向，既充分利用钻井液射流的能量，又避免造成牙轮等钻头本体的冲蚀。

这三种手段虽然有效，但是也存在如下局限性：首先，高硬度喷嘴的抗断裂能力随其长度的增加而降低，如果长度过大，在受到碰撞时容易发生断裂，断裂现象一旦发生，其后果不仅仅是喷嘴失效，更严重的是掉入井底的喷嘴会损伤钻头，对钻井进程形成非常不利的影响。其次，喷嘴的长度超过一定范围时，有可能增加钻头制造的难度和喷嘴安装的难度。第三，钻头上喷嘴的位置和射流方向在设计时就已确定，喷嘴一旦安装在钻头上，其位置和射流方向就已固定，无法调节，这是喷嘴结构的刚性特点所决定的。由于这三方面局限性的存在，限制了喷嘴效能的充分发挥。

发明内容

本发明的目的是：为了使钻头上的喷嘴能够贴近井底安全、高效地工作，充分利用钻井液的射流能量，更好地清洗和冷却钻头，清除井底岩屑，辅助破碎井底岩石，特提供一种装有柔性喷嘴的钻头。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种装有柔性喷嘴的钻头，由钻头和柔性喷嘴组成，其结构特征是：柔性喷嘴在钻头的喷嘴孔处与钻头相连接；柔性喷嘴上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔；柔性喷嘴由与钻头喷嘴孔相联的接头和柔性喷管构成；柔性喷管的全部或部分是由金属软管、或橡胶软管、或塑料软管的一种单独构成，或由其中的二至三种软管复合构成。

构成柔性喷管的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管是用管壁连续的软管，或用管壁不连续的软管。构成柔性喷管的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管是单一材料的软管，或是以金属、橡胶或塑料为基体的复合材料软管。

装有柔性喷嘴的钻头，钻头上的喷嘴全是用柔性喷嘴，或部分是柔性喷嘴，部分是常规喷嘴。

柔性喷嘴的出口端安装有刚性喷嘴。

柔性喷管的外表面及流道表面、或外表面、或流道表面加覆编织网套。

装有柔性喷嘴的钻头包括各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)当构成柔性喷嘴的金属软管采用金属带螺旋卷绕而成的金属软管等具有高弹性的软管时，柔性喷管即使发生很大的变形也不易发生塑性变形和断裂，喷嘴的工作可靠性明显高于相同长度的普通喷嘴。

(2)钻头上的柔性喷嘴具有明显大于普通喷嘴的长度尺寸，喷嘴出口至井底表面的距离更短，在相同喷嘴直径和流量条件下，能够对井底岩石提供更强大的冲击力。

(3)当喷嘴长度较大时，喷嘴的柔性喷管将随钻头的运动而发生偏摆振动，特别是当构成柔性喷嘴的金属软管采用金属带螺旋卷绕而成的金属软管等具有强弹性的软管时，这种偏摆振动幅度更大。喷嘴的偏摆振动能够扩大钻井液射流在井底的作用区域，并在井底产生脉动效应，增强喷嘴工作效能。

(4)当构成柔性喷嘴的金属软管采用波纹金属软管等具有强塑性性质的软管时，喷嘴就可具备出口方位可调节的特性，使用这种柔性喷嘴可以增加喷嘴应用的灵活性，易于实现定位喷射、斜向喷射等功能。

(5)柔性喷嘴的喷管强度低，即便断裂、脱落，也不会损伤钻头。

附图说明

图1为本发明装有柔性喷嘴的钻头的整体结构示意图。图中：1.钻头，2.柔性喷嘴。

图2为本发明的柔性喷嘴的柔性喷管是由两层软管复合构成的剖面示意图。图中：3.接头，4.柔性喷管，5.钻井液喷射孔。

图3为图2的柔性喷管的局部剖视放大图。

图4为本发明的柔性喷嘴的柔性喷管是由三层软管复合构成的剖面示意图。

图5为图4的柔性喷管的局部剖视放大图。

图6为本发明的柔性喷嘴的柔性段是由一层软管构成的剖面示意图。

图7为图6的柔性喷管的局部剖视放大图。

图8为本发明的柔性喷嘴的出口端安装有刚性喷嘴的结构示意图。图中：6.刚性喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

钻头1上装有柔性喷嘴2。除柔性喷嘴2以外，钻头1的其它组成部件与现有钻头的组成部件相同。钻头1可以是各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。柔性喷嘴2由与钻头1相联的接头3和柔性喷管4组成，其上设有将钻头1内流道与钻头1外空间相连通的钻井液喷射孔5。柔性喷管4的全部或部分由金属软管、或橡胶软管、或塑料软管的一种单独构成，或由二至三种软管复合构成。

实施例1：

柔性喷嘴2安装在钻头1上。柔性喷嘴2由与钻头1相联的接头3和柔性喷管4组成，柔性喷管4与接头3相连，接头3与钻头1的喷嘴孔相连。柔性喷嘴2为管形结构，其上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔5。柔性喷管4由橡胶软管和金属带螺旋卷绕而成的管壁不连续的金属软管复合构成。金属带螺旋卷绕而成的金属软管具有强弹性，所以柔性喷管4也具有强弹性。当钻头上的柔性喷嘴2在工作过程中受到碰撞时，即使发生很大的变形也不易发生塑性变形和断裂。所以，即使喷嘴体长度较大，也能具备明显高于刚性加长喷嘴的工作可靠性。高可靠性使得柔性喷嘴2具有明显大于普通喷嘴的长度尺寸，喷嘴出口至井底表面的距离更短，在相同喷嘴直径和流量条件下，能够对井底岩石提供更强大的冲击力。因为柔性喷管4具有强弹性，在钻头钻进过程中，柔性喷嘴2将随钻头的运动而发生偏摆振动。喷嘴的偏摆振动能够扩大钻井液射流在井底的作用区域，并在井底产生脉动效应，增强喷嘴工作效能。

装有这种柔性喷嘴2的钻头1或钻井工具可以是各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。

实施例2：

柔性喷嘴2安装在钻头1上。柔性喷嘴2由接头3和柔性喷管4组成，柔性喷管4与接头3相连，接头3与钻头1的喷嘴孔相连。柔性喷嘴2为管形结构，其上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔5。柔性喷管4由橡胶软管、波纹金属软管和金属丝或金属带编织的网套复合构成。波纹金属软管是一种管壁连续的薄壁管，具有强塑性，所以柔性喷管4也具有强塑性。这样，喷嘴就具备出口方位可调节的特性。这种柔性喷嘴2在受到碰撞时会发生弹性或塑性变形，而不易发生断裂，所以，同样能够保证喷嘴体长度较大时的高可靠性。高可靠性使得柔性喷嘴2具有明显大于普通喷嘴的长度尺寸，喷嘴出口至井底表面的距离更短，在相同喷嘴直径和流量条件下，能够对井底岩石提供更强大的冲击力。由于柔性喷管4具有强塑性，因此，在实际操作时，可先安装柔性喷嘴2再根据需要调整柔性喷嘴2的出口方位，以实现定位喷射、斜向喷射等功能，达到更好的喷射效果。

装有这种柔性喷嘴2的钻头1或钻井工具可以是各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。

实施例3：

柔性喷嘴2安装在钻头1上。柔性喷嘴2由与钻头1相联的接头3和柔性喷管4组成，柔性喷管4与接头3相连，接头3与钻头1的喷嘴孔相连。柔性喷嘴2为管形结构，其上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔5。柔性喷管4由以橡胶或塑料为基体的金属丝强化复合材料软管构成。这种复合材料软管具有强弹性，所以柔性喷管4也具有强弹性。当钻头上的柔性喷嘴2在工作过程中受到碰撞时，即使发生很大的变形也不易发生塑性变形和断裂。所以，即使喷嘴体长度较大，也能具备明显高于刚性加长喷嘴的工作可靠性。高可靠性使得柔性喷嘴2具有明显大于普通喷嘴的长度尺寸，喷嘴出口至井底表面的距离更短，在相同喷嘴直径和流量条件下，能够对井底岩石提供更强大的冲击力。因为柔性喷管4具有强弹性，在钻头钻进过程中，柔性喷嘴2将随钻头的运动而发生偏摆振动。喷嘴的偏摆振动能够扩大钻井液射流在井底的作用区域，并在井底产生脉动效应，增强喷嘴工作效能。

装有这种柔性喷嘴2的钻头1或钻井工具可以是各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。

实施例4：

柔性喷嘴2安装在钻头1上。柔性喷嘴2由接头3、柔性喷管4和刚性喷嘴6组成，刚性喷嘴6与柔性喷管4的下端出口相连，柔性喷管4与接头3相连，接头3与钻头1的喷嘴孔相连。柔性喷嘴2为管形结构，其上设有将钻头内流道与钻头外空间相连通的钻井液喷射孔5。柔性喷管4有一段橡胶软管或塑料软管，橡胶软管或塑料软管的出口端装有硬质合金刚性喷嘴6。硬质合金刚性喷嘴具有高耐磨性和耐冲蚀性，所以，这种柔性喷嘴的耐冲蚀能力强。

装有这种柔性喷嘴2的钻头1或钻井工具可以是各种具有破岩功能且需安装喷嘴的井下工具，特别是牙轮钻头、金刚石钻头和水力破岩工具。

图2是本发明的柔性喷嘴2的一种。柔性喷管4由塑料软管、或橡胶软管和金属软管复合构成。

图3是本发明的柔性喷嘴2的一种，是图2的柔性喷管4的局部剖视放大，是柔性喷管4的一种实施方式，柔性喷管4采用塑料软管、或橡胶软管和由金属带螺旋卷绕而成的管壁不连续的金属软管复合构成。

图4是本发明的柔性喷嘴2的一种。柔性喷管4由塑料软管或橡胶软管、金属软管和金属丝或金属带编织网复合构成。

图5是本发明的柔性喷嘴2的一种，是图4的柔性喷管4的局部剖视放大，是柔性喷管4的一种实施方式，柔性喷管4采用塑料软管或橡胶软管、波纹金属软管和金属带编织网套复合构成。

图6是本发明的柔性喷嘴2的一种。柔性喷管4由单一材料的的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管构成，或是以金属、或橡胶、或塑料为基体的复合材料软管构成。

图7是本发明的柔性喷嘴2的一种，是图6的柔性喷管4的局部剖视放大，是柔性喷管4的一种实施方式，柔性喷管4采用以橡胶或塑料为基体的金属丝强化复合材料软管。

图8是本发明的柔性喷嘴2的一种。柔性喷管4有一段橡胶软管或塑料软管，橡胶软管或塑料软管的出口端装有硬质合金刚性喷嘴6。

本发明用于钻井工程(石油天然气钻井、矿山工程、基础工程施工、地质钻井、水纹钻井等)，本发明的柔性喷嘴用于钻井钻头或其它钻井工具。

Claims (5)

1、一种装有柔性喷嘴的钻头，由钻头和柔性喷嘴组成，其特征在于：柔性喷嘴(2)在钻头(1)的喷嘴孔处与钻头(1)相联接；柔性喷嘴(2)上设有将钻头(1)内流道与钻头(1)外空间相连通的钻井液喷射孔(5)；柔性喷嘴(2)由与钻头喷嘴孔相联的接头(3)和柔性喷管(4)构成；柔性喷管(4)的全部或部分是由金属软管、或橡胶软管、或塑料软管中的一种单独构成，或由其中二至三种软管复合构成。

2、根据权利要求1所述的装有柔性喷嘴的钻头，其特征在于：构成柔性喷管(4)的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管用管壁连续的软管，或用管壁不连续的软管。

3、根据权利要求1所述的装有柔性喷嘴的钻头，其特征在于：构成柔性喷管(4)的金属软管、或橡胶软管、或塑料软管是单一材料的软管，或是以金属、或橡胶、或塑料为基体的复合材料软管。

4.根据权利要求1所述的装有柔性喷嘴的钻头，其特征在于：柔性喷管(4)的出口端安装有刚性喷嘴(6)。

5、根据权利要求1所述的装有柔性喷嘴的钻头，其特征在于：柔性喷管(4)的外表面或流道表面加覆编织网套。

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