CN103835653B - 自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，包括：后向喷嘴、直旋射流喷嘴、岩屑磨料漏斗、前向喷嘴、稳定支件等。其基本工作原理为：射流经过钻头时，一部分由其后向喷嘴喷射提供钻头自进力并扩孔，另一部分经过其直旋射流喷嘴高速喷射，在间隙段产生射流抽吸作用，吸入岩屑磨料漏斗中的岩屑磨料进入前向喷嘴，最终形成岩屑磨料的直旋混合射流喷射破岩，提高破岩效率，破碎下来的岩屑随钻井液由环空排除，部分岩屑将由重力作用及射流抽吸作用进入岩屑磨料漏斗，为磨料射流破岩补充磨料。本发明能有效提高超短半径径向水平井的破岩效率和控制井眼轨迹。

Description

自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头

技术领域

本发明涉及到油气开采领域，尤其涉及一种自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头。

背景技术

随着油气资源勘探开发的不断深入，出现了针对低丰度油气资源开发、油田老井改造、油藏挖潜和稳产增产的高效新技术——超短半径侧钻水平井钻井技术(又称径向水平井钻井技术)，该技术是指在垂直井眼内利用连续油管及配套钻头沿径向钻出呈辐射状分布的一口或多口水平小井眼。该技术利用超高压水射流的冲蚀能量在井底破碎岩石，与此同时为钻头提供自进能力。

超短半径径向水平井钻井技术的关键部件为配套钻头或喷嘴。到目前为止，主要有三种不同设计和工作原理的结构形式，即多孔射流喷嘴、单孔旋转射流喷嘴与直旋混合射流喷嘴。目前三种结构均可通过合理设计实现自进。然而现有技术及配套工具仍然存在以下亟待解决的问题：1)水射流破岩钻进效率低；2)钻头或喷嘴结构复杂，易失效；3)环空排岩屑困难，易卡连续油管；4)井眼不规则，井眼轨迹难控制。

实践表明，在高速射流中混入一定量的固相颗粒形成磨料射流冲击破碎物料，可以显著降低物料破碎的门限压力，提高磨料的破碎效率。然而受超短半径径向水平井小井眼井径的限制及经济性考虑，循环添加磨料进行磨料射流破岩并不合理。

综合考虑以上因素，本发明人根据多年从事岩石破碎学方面的理论实践研究和喷嘴研发的经验，设计研制出了本发明的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头。

发明内容

本发明的目的是提供一种自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，尤其是一种可以克服现有技术存在的缺陷，实现结构设计简单可靠，破岩效率高，减少事故发生率，形成孔径形状规则、轨迹可控的水平井眼，达到安全高效开采油气资源的目的。

为此，本发明设计研制了一种自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头。该钻头采用一体成型加工，主要结构包括：后向喷嘴、直旋射流喷嘴、岩屑磨料漏斗、前向喷嘴、稳定支件等。其特征是：

本发明钻头设有内螺纹用于连接连续油管，钻头后端均布有数个与水平线呈一定角度的后向喷嘴，钻头中间设有螺旋切槽的直旋射流喷嘴，钻头前段设有外径大于直旋射流喷嘴的前向喷嘴以及延长段，在直旋射流喷嘴与前向喷嘴间加工有间隙段，钻头外壁均布数个稳定支件，在间隙段上方的相邻两个稳定支件之间加工成一定角度θ的漏斗形状开口称为岩屑磨料漏斗。

本发明在井底破岩时，一部分钻井液通过后向喷嘴喷出，为钻头提供自进力并扩大孔眼；另一部分钻井液通过设有螺旋切槽的直旋射流喷嘴，中间部分钻井液保持为直射流，螺旋切槽部分钻井液产生旋转射流，最终形成高速的直旋混合射流，该高速直旋混合射流在间隙段形成射流抽吸作用，吸入磨料漏斗中的岩屑并混合进入前向喷嘴及延长段，在整个间隙段、前向喷嘴及延长段中，高速的直旋射流将能量传递给岩屑磨料，使岩屑磨料也具有一定的旋转切向速度，最终形成高速的岩屑磨料直旋混合射流喷射破岩，提高了破岩效率；破碎下来的岩屑随钻井液由环空排除，部分岩屑将由重力作用及射流抽吸作用进入岩屑磨料漏斗，为磨料射流破岩提供磨料；稳定支件起稳定器的作用，稳定支件可以使后向喷嘴与所钻孔眼壁面保持一段距离，防止由后向喷嘴喷射时钻头径向跳钻，使所钻孔眼轨迹规则。

上述后向喷嘴严格定位于相邻两个稳定支件间的中线上，后向喷嘴、稳定支件及岩屑磨料漏斗数目可以为多组。

本发明的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头与现有技术相比具备的优点和特点：

本发明提出的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头具有独创性，在不添加磨料的条件下，利用钻井破岩的废物——破碎的岩屑实现井下磨料直旋射流破岩过程，提高了破岩效率，节约了钻井成本，具有重要意义。

本发明设计研制的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头。主要具有以下优点：

1、一体成型加工，结构简单，保证工具的可靠性；

2、由于具有稳定支件，起到了稳定器的作用，井眼规则，轨迹可控；

3、由于具备了磨料射流的特点，则可实现高效破岩，实现较快的钻进速度；

4、由于磨料由钻井废弃物——岩屑持续供给，减少岩屑卡连续油管等事故，节约了钻井成本。

附图说明

图1为本发明专利的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头的三维示意图；

图2为本发明专利的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头的左视图、A-A剖面图和局部视图；

附图标号说明：

1、后向喷嘴2、直旋射流喷嘴3、间隙段4、前向喷嘴5、延长段

6、稳定支件7、岩屑磨料漏斗8、内螺纹9、螺旋切槽

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现结合说明书附图对本发明做进一步描述：

图1为本发明专利的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头的三维示意图，该钻头为一体成型设计，多道工序完成，在图1中可以看出，钻头内部无零件配合，增强钻头工作的可靠性。

图2为本发明专利的自进式循环自混磨料射流钻头的左视图、A-A剖面图和局部视图，在图2中，本发明钻头设有内螺纹8用于连接连续油管，钻头后端均布有数个与水平线呈一定角度的后向喷嘴1，钻头中间设有螺旋切槽9的直旋射流喷嘴2，钻头前段设有外径大于直旋射流喷嘴的前向喷嘴4以及延长段5，在直旋射流喷嘴2与前向喷嘴4间加工有间隙段3，钻头外壁均布数个稳定支件6，在间隙段3上方的相邻两个稳定支件6之间加工成一定角度θ的漏斗形状开口称为岩屑磨料漏斗7。

当使用本发明在井底破岩钻进时，一部分钻井液通过后向喷嘴1喷出，为钻头提供自进力并扩大孔眼；另一部分钻井液通过设有螺旋切槽9的直旋射流喷嘴2，中间部分钻井液保持为直射流，流经螺旋切槽9部分钻井液产生旋转射流，最终形成高速的直旋混合射流，该高速直旋混合射流在间隙段3形成射流抽吸作用，吸入岩屑磨料漏斗7中的岩屑并混合进入前向喷嘴4及延长段5，在整个间隙段3、前向喷嘴4及延长段5中，高速的直旋射流将能量传递给岩屑磨料，使岩屑磨料也具有一定的旋转切向速度，最终形成高速的岩屑磨料直旋混合射流喷射破岩，提高了破岩效率；破碎下来的岩屑随钻井液由环空排除，部分岩屑将由重力作用及射流抽吸作用进入岩屑磨料漏斗7，为磨料射流破岩提供磨料；稳定支件6起稳定器的作用，稳定支件6可以使后向喷嘴与所钻孔眼壁面保持一段距离，防止由后向喷嘴1喷射时钻头径向跳钻，使所钻孔眼轨迹规则。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，主要包括：后向喷嘴、直旋射流喷嘴、岩屑磨料漏斗、前向喷嘴、稳定支件；其特征在于，所述钻头为一体成型设计，钻头设有内螺纹用于连接连续油管，钻头后端均布有数个与水平线呈一定角度的后向喷嘴，钻头中间设有具有螺旋切槽的直旋射流喷嘴，钻头前端设有外径大于直旋射流喷嘴外径的前向喷嘴以及延长段，在直旋射流喷嘴与前向喷嘴间加工有间隙段，钻头外壁均布数个稳定支件，在间隙段上方的相邻两个稳定支件之间加工成一定角度θ的岩屑磨料漏斗。

2.如权利要求1所述的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，其特征在于，当所述自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头在井底破岩时，一部分钻井液通过后向喷嘴为钻头提供自进力并扩孔；另一部分钻井液通过设有螺旋切槽的直旋射流喷嘴，中间部分钻井液保持为直射流，螺旋切槽部分钻井液产生旋转射流，最终形成高速的直旋混合射流，该高速直旋混合射流在间隙段形成射流抽吸作用，吸入岩屑磨料漏斗中的岩屑并混合进入前向喷嘴及延长段，在整个间隙段、前向喷嘴及延长段中，高速的直旋射流将能量传递给岩屑磨料，使岩屑磨料也具有一定的旋转切向速度，最终形成高速的岩屑磨料直旋混合射流喷射破岩；破碎下来的岩屑随钻井液由环空排除，部分岩屑将由重力作用及射流抽吸作用进入岩屑磨料漏斗，为磨料射流破岩提供磨料；稳定支件起稳定器的作用，稳定支件可以使后向喷嘴与所钻孔眼壁面保持一段距离，防止由后向喷嘴喷射时钻头径向跳钻。

3.如权利要求1所述的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，其特征在于，直旋射流喷嘴的螺旋切槽可为左旋，也可以为右旋，螺距可为固定螺距，也可以为渐变螺距，切槽形状可以为矩形、梯形及圆形。

4.如权利要求1所述的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，其特征在于，岩屑磨料漏斗的角度θ在15～120度之间。

5.如权利要求1所述的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，其特征在于，稳定支件可以为直式也可以为螺旋式。

6.如权利要求1所述的自进式岩屑磨料直旋混合射流钻头，其特征在于，后向喷嘴、稳定支件及岩屑磨料漏斗数目均在3～12个之间，且均为周向均布。