CN102913136B - 螺旋叶片旋流式流道钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油、地质钻头装置领域，特别涉及一种螺旋叶片旋流式流道钻头，包括钻头本体和设置在钻头本体上的水道及喷嘴，水道内设置有与水道焊接成一体的螺旋叶片，水道的出水口处安装有喷嘴。本发明的有益效果是：钻头喷出的水形成旋转水射流，旋转的水射流与地层岩石形成的夹角对岩石有一个剪切力，这个力在高压液体流作用下，将岩石从岩体上剥蚀下来，这样就形成了水力与机械联合破碎岩石的效果，大幅度提高了机械钻速；由于旋转射流自身形成立体的旋转拉伸力，带动井底液体形成自转，这样就将钻头牙齿破碎下来的岩屑很快清洗下来，在水压的作用下将岩屑带向地面，减少了钻头对岩屑的二次破碎，延长了钻头的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺旋叶片旋流式流道钻头，属于石油、地质钻头装置领域。
背景技术
目前钻头现用水道全为直筒式水道，在牙轮钻头上使用短喷嘴、中长喷嘴、加长喷嘴，但这都是直筒式水道，只是改变了喷射距离。并且，中长喷嘴和加长喷嘴在软至极软地层对岩石有破碎作用，而对深井较硬地层的岩石是没有破碎作用的，而且这两种喷嘴是使用硬质合金制作的，比较容易断裂，掉入井底对钻头有极大的损伤，影响钻井的正常工作。
公开号为2381764的中国专利公开了一种钻头喷嘴，这种喷嘴是实现了使液体旋转的，原因是本体漏斗形内腔液体流速快，本体与衬套围绕的环形空间内还有螺旋发生器，所以环形空间很小，内腔的高速液体流会反向将钻井液中的泥沙吸入环形空间内而将环形空间堵塞，没有伞状螺旋射流到达井底，这种设计是形不成螺旋射流的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种结构简单合理，且可提高破碎效果的螺旋叶片旋流式流道钻头。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的螺旋叶片旋流式流道钻头，包括钻头本体和设置在钻头本体上的水道及喷嘴，其特征在于：水道内设置有与水道焊接成一体的螺旋叶片，水道的出水口处安装有喷嘴。
螺旋叶片的设置使水道改变了钻头喷嘴的出水形态，使从喷嘴射出的水流是旋转的，对井底岩石形成剪切力，起到破碎岩石的作用，同时钻头喷嘴射出的旋转水流形成立体的拉伸力，从而改变了井底流场的形态，能很快将井底清理干净，减少钻头牙齿对岩屑的二次破碎，提高了钻进速度和钻头使用寿命；螺旋叶片焊接在水道内，不改变钻头设计形状，这样就保证了钻头使用的安全性，只是要求钻头排量越大越好。
所述的螺旋叶片设置为三个，三个螺旋叶片组合的中心在水道的中心线上。结构中心对称，设计合理，可提高破碎效果。
所述的螺旋叶片的材料为钨钴硬质合金，且合金成分重量配比为：碳化钨为92%，钴为8%。钨钴硬质合金可提高螺旋叶片的使用寿命。
所述的喷嘴为可换喷嘴。使用过程中采用可换喷嘴可提高工作效率，提高钻头的使用寿命。
本发明的有益效果是：
钻头喷出的水形成旋转水射流，旋转的水射流与地层岩石形成的夹角对岩石有一个剪切力，这个力在高压液体流作用下，将岩石从岩体上剥蚀下来，这样就形成了水力与机械联合破碎岩石的效果，大幅度提高了机械钻速；由于旋转射流自身形成立体的旋转拉伸力，带动井底液体形成自转，这样就将钻头牙齿破碎下来的岩屑很快清洗下来，在水压的作用下将岩屑带向地面，减少了钻头对岩屑的二次破碎，提高了钻头工作效率，同时延长了钻头的使用寿命；旋转射流质点具有三维速度，不存在等速核，最大射流速度不在射流中心，而是存在一个速度最大的环形带，对井底具有水力破岩和清洗强化作用；在相同排量下，旋转射流的总的破岩效率却比普通射流高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是水道的结构放大示意图。
图3是螺旋叶片组合的结构示意图。
图中：1、钻头本体2、水道3、螺旋叶片4、喷嘴5、螺旋射流水柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
如图1～图3所示，本发明所述的螺旋叶片旋流式流道钻头，包括钻头本体1和设置在钻头本体1上的水道2及喷嘴4，水道2内设置有与水道2焊接成一体的螺旋叶片3，水道2的出水口处安装有喷嘴4。螺旋叶片3设置为三个，三个螺旋叶片组合的中心在水道2的中心线上。
螺旋叶片3是用硬质合金粉末来整体压铸成型的。具体过程为：将碳化钨和钴两种粉末混合24小时，其中，碳化钨占两种粉末总重量的92%，钴占两种粉末总重量的8%，然后放入石墨磨具中，在热压炉内将温度加升至1280℃同时加压至0.4Kg/cm2，保温6分钟出炉，放入保温材料中缓冷，再将压铸好的螺旋叶片3用铸造碳化钨烧结在钻头事先加工好的水道2中，并在水道2的出水口处安装好喷嘴4。
使用时，将钻头本体1放入需要破碎的岩层，从喷嘴4中即可喷出螺旋射流水柱5。
（一）将按照上述方法制得的钻头进行室内破岩试验：
（1）人造砂岩试样冲蚀实验
以425#型号水泥与石英砂（30-60目）的重量比为1∶3的比例，制备了砂岩试样，石英砂颗粒硬度很大，岩样抗压强度为45MPa。设定排量为160L/min，喷距为28mm，固定泵压为7MPa，分别用本钻头和传统钻头冲蚀试样4分钟。本钻头的喷嘴压降为9.0MPa，传统钻头射流喷嘴压降为7.0MPa。冲蚀效果的对比见表1所示。
表1
由人造砂岩试样的冲蚀效果对比可以看出：在相同排量下，本钻头的冲击面积约为传统钻头的3倍，破碎坑体积约为传统钻头的5倍，破碎坑深度约为传统钻头的1/2。这说明，本钻头破碎时产生的旋转射流的穿透力比传统钻头产生的直筒式射流若，但总的破岩效率却比传统钻头高很多。
（2）天然砂岩试样冲蚀实验
在抗压强度为16MPa的天然砂岩试样上，设定排量为160L/min，喷距为28mm，固定泵压为7MPa，分别用本钻头和传统钻头冲蚀试样15秒。冲蚀效果的对比见表2所示。
表2
本钻头产生的旋转射流与传统钻头产生的直筒式射流相比，冲蚀天然砂岩的破碎效果与冲蚀人造砂岩试样的破碎效果有着相似的规律，即旋转射流破碎坑的面积和体积比直筒式射流破碎坑的面积和体积大得多，但旋转射流的穿透深度比直筒式射流的小。这说明旋转射流是侧向剪切力，对岩石有明显的剥蚀效果，而普通射流只有垂直于岩石的冲击力，没有剥蚀效果。
Claims (2)
1.一种螺旋叶片旋流式流道钻头，包括钻头本体(1)和设置在钻头本体(1)上的水道(2)及喷嘴(4)，其特征在于：水道(2)内设置有与水道(2)焊接成一体的螺旋叶片(3)，水道(2)的出水口处安装有喷嘴(4)，螺旋叶片(3)设置为三个，三个螺旋叶片组合的中心在水道(2)的中心线上，螺旋叶片(3)的材料为钨钴硬质合金，且合金成分重量配比为：碳化钨为92％，钴为8％，钻头喷出的水形成旋转水射流，旋转射流质点具有三维速度，不存在等速核，最大射流速度不在射流中心，而是存在一个速度最大的环形带。
2.根据权利要求1所述的螺旋叶片旋流式流道钻头，其特征在于：喷嘴(4)为可换喷嘴。
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