CN104033106B - 径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头 - Google Patents
径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，主要包括壳体、旋转钻头体、齿形滑环式组合密封、封口螺钉与钢珠等。在壳体末端加工入水口，在壳体上加工后向喷嘴；在旋转钻头体上加工前向喷嘴和中心喷嘴；壳体和旋转钻头体内均加工有半圆形凹槽，钢珠放置于壳体和旋转钻头体之间的凹槽内；旋转钻头体通过钢珠定位，并可绕自身轴线旋转，旋转钻头体与壳体之间采用齿形滑环式组合密封；壳体侧边开有通孔，钢珠通过通孔下入，下入钢珠后，用封口螺钉将通孔封住。本发明能够有效解决水力喷射径向侧钻微小井眼技术存在的射流钻头扩孔能力不强，破岩孔眼光滑圆整性差，水力喷射软管轨迹弯曲等问题，可广泛应用于水力喷射径向水平井技术中。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用高压射流高效破岩扩孔的钻井工具，特别是一种水力喷射径向侧钻微小井眼用旋转自进式多孔射流钻头。
背景技术
我国煤层气、页岩气、致密砂岩油气等非常规油气资源丰富，发展前景良好。非常规油气资源开发已列入国家“十二五”重要发展规划。利用水射流破岩钻径向水平井是沿井眼半径方向钻出一个或多个辐射状分布的微小井眼，充分发挥高压水射流的特点，对于改善油气藏压力分布、提高油气采收率和单井产量具有其他技术无法比拟的作用。水力喷射径向侧钻微小井眼技术是近年发展起来的具有鲜明技术特点的新方法，在非常规油气资源开采中具有广阔发展应用潜力。该技术主要分两步进行，第一步用油管下入转向器到预定井深固定，然后用连续管下入小尺寸井底动力钻具，带万向节的机械钻头通过转向器在套管开出一个直径20-30mm的圆形窗口，提出钻具；第二步通过高压软管和连续管下入射流钻头，通过转向器和已钻套管窗口，利用射流破岩作用在地层中钻进。但该技术目前仍存在许多问题亟待解决，其中重点需要解决的关键技术问题包括：(1)现有射流钻头扩孔能力不强或破岩孔眼不光滑，圆整性差；(2)射流钻头自进力不足，导致无法钻达预定位置；(3)水力喷射软管钻进轨迹弯曲，难以控制。
针对水力喷射径向侧钻微小井眼技术存在的射流钻头扩孔能力不强，破岩孔眼光滑圆整性差，射流钻头自进力不足，水力喷射软管轨迹弯曲等问题，设计一种高性能的射流钻头是解决方法之一。目前国内外已有几类射流钻头设计方案，但通过室内试验及现场应用发现，这些钻头均无法彻底解决以上关键问题，存在或扩孔能力不足，或破岩孔眼光滑性差，或整体装置长度和直径较大，无法通过转向器，或在复杂地层易遇卡、遇阻等缺点。
发明内容
为了克服现有射流钻头所存在的缺陷，本发明提出一种能够在保证破岩孔眼圆整性和软管钻进轨迹平直的基础上，增强射流钻头扩孔能力、自进能力，并有效控制整体装置尺寸大小的径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，包括壳体与旋转钻头体，在壳体末端设置有入水口，在壳体中心沿其轴向设置有贯穿的轴孔，所述旋转钻头体包括杆状体与半球体，半球体固定于杆状体的一端，杆状体插入轴孔中，在旋转钻头体的中心沿其轴向设置有水流通道，水流通道与入水口连通，在杆状体外壁与壳体内壁的周圈且对应同一截面位置处均开设有半圆形凹槽，在两半圆形凹槽内设置有定位钢珠，在壳体径向设置有与半圆形凹槽连通的通孔，在壳体末端设置有朝向侧后方的后向喷嘴，后向喷嘴连通入水口，在半球体的中心设置有中心喷嘴，中心喷嘴与水流通道同轴，在半球体上还设置有朝向侧前方且用于喷射时可带动半球体旋转的前向喷嘴，中心喷嘴与前向喷嘴均连通水流通道，所述前向喷嘴的个数少于后向喷嘴，前向喷嘴的直径小于或等于后向喷嘴。
优选的，所述后向喷嘴的直径为1～5mm，后向喷嘴共设置3～8个，后向喷嘴与壳体中心轴线夹角为10～50°。
优选的，所述后向喷嘴在壳体周边均匀分布，后向喷嘴的出水口均位于壳体的同一横截面上。
优选的，所述前向喷嘴的直径为1～5mm，前向喷嘴共设置3～8个，前向喷嘴的开设方位确定如下：以中心喷嘴的轴线为基准，先偏转一定角度，此角度大小设定为α，此时的位置定义为虚线一，并将虚线一与中心喷嘴的轴线所处的平面定义为平面一，将与平面一垂直且交线为虚线一的平面定义为平面二，然后将虚线一在平面二内再偏转一定的角度，此角度大小设定为β，偏转后的位置定义为虚线二，前向喷嘴沿虚线二或平行于虚线二的的方位在半球体上开设；所述α为15～50°，所述β为15～50°；所述多个前向喷嘴的开设方位确定时，虚线一在设定的平面二内均朝向同一侧偏转。
优选的，所述前向喷嘴在半球体上均匀分布，前向喷嘴的出水口均位于半球体的同一横截面上。
优选的，在通孔的入口处设置有封口螺钉。
优选的，在壳体与杆状体之间设置有齿形滑环式组合密封。
优选的，所述中心喷嘴的直径大于前向喷嘴。
本发明的有益技术效果是：
(1)前向喷嘴按一定方位角度在钻头体上开设，能够使得钻头体在高压水射流的作用下绕自身旋转，有利于提高破岩孔眼圆整性，增强扩孔能力，同时将原来为阻力的反喷力转化为有效提升射流钻头自进力的手段。另外，射流钻头旋转后，能够提高钻头稳定性，保证钻进轨迹平直。
(2)射流钻头旋转后，使前向喷嘴间歇性冲击岩石，具有脉冲射流特性，可以提高破岩速度。
(3)采用钢珠悬挂方式作为使射流钻头旋转及轴向定位手段，并采用齿形滑环式密封方式，极大缩短了整体装置的长度和直径，并保证了密封效果。
(4)本发明结构简洁，组成部件少，工作可靠，特别适用于小井眼钻进。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1是本发明一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头的结构原理示意图；
图2是本发明一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头的立体结构示意图，主要示出前向喷嘴的布置；
图3是本发明一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头的壳体示意图。
图中：1-壳体，2-旋转钻头体，201-杆状体，202-半球体，3-入水口，4-水流通道，5-定位钢珠，6-通孔，7-封口螺钉，8-后向喷嘴，9-中心喷嘴，10-前向喷嘴，11-齿形滑环式组合密封。
具体实施方式
结合附图，一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，包括壳体1与旋转钻头体2，壳体1为柱形结构，在壳体1的末端设置有入水口3，在壳体1的中心沿其轴向设置有贯穿的轴孔，所述旋转钻头体2包括杆状体201与半球体202，半球体202固定于杆状体201的一端，二者为一体式连接，杆状体201插入轴孔中。在旋转钻头体2的中心沿其轴向设置有水流通道4，水流通道4的一端与入水口3连通。在杆状体201外壁与壳体1内壁的周圈且对应同一截面位置处均开设有半圆形凹槽，在两半圆形凹槽内设置有定位钢珠5，旋转钻头体2通过定位钢珠5定位，并可绕自身轴线旋转。在壳体1径向设置有与半圆形凹槽连通的通孔6，在通孔6的入口处设置有封口螺钉7，定位钢珠5通过通孔6下入，下入一圈定位钢珠5后，用封口螺钉7将通孔封住。在壳体1末端设置有朝向侧后方的后向喷嘴8，后向喷嘴8连通入水口3，后向喷嘴8的直径设置为1～5mm，共设置3个，后向喷嘴8与壳体1中心轴线夹角为10～50°。在半球体202的中心设置有中心喷嘴9，中心喷嘴9与水流通道4同轴。在半球体上还设置有朝向侧前方且用于喷射时可带动半球体旋转的前向喷嘴10，中心喷嘴9与前向喷嘴10均连通水流通道。所述前向喷嘴10的直径为1～5mm，前向喷嘴10共设置3个。前向喷嘴10的个数少于后向喷嘴8，前向喷嘴10的直径小于或等于后向喷嘴8，中心喷嘴9的直径大于前向喷嘴10。
前向喷嘴10的开设方位确定如下：以中心喷嘴9的轴线为基准，先偏转一定角度，此角度大小设定为α，此时的位置定义为虚线一，并将虚线一与中心喷嘴的轴线所处的平面定义为平面一，将与平面一垂直且交线为虚线一的平面定义为平面二，然后将虚线一在平面二内再偏转一定的角度，此角度大小设定为β，偏转后的位置定义为虚线二，前向喷嘴沿虚线二或平行于虚线二的的方位在半球体上开设。并且所述多个前向喷嘴10的开设方位确定时，虚线一在设定的平面二内均朝向同一侧偏转。上述α优选为15～50°，β优选为15～50°。
作为本发明的一种优选方式，所述后向喷嘴8在壳体1周边均匀分布，后向喷嘴8的出水口均位于壳体1的同一横截面上。所述前向喷嘴10在半球体202上均匀分布，前向喷嘴10的出水口均位于半球体202的同一横截面上。
更进一步的，在壳体1与杆状体201之间设置有齿形滑环式组合密封11，壳体1与旋转钻头体2之间采用齿形滑环式组合密封11进行密封。
本发明的工作过程及原理大致如下：
在水力喷射径向侧钻微小井眼作业过程中，高压钻井液经过入水口3进入壳体1和旋转钻头体2内部的水流通道4，分别由后向喷嘴8、前向喷嘴10和中心喷嘴9喷出。由于前向喷嘴10的数目小于后向喷嘴8的数目，前向喷嘴10的直径小于或等于后向喷嘴8的直径，使向后喷射的力量大于向前喷射的力量，从而产生向前推进的合力，推动射流钻头在地层中快速前进。中心喷嘴9孔眼直径略大于前向喷嘴10，能够具有较大的破岩能力。前向喷嘴10与旋转钻头体2的轴线存在旋转偏角，按一定方位布设，能够为旋转钻头体提供扭矩，使钻头绕自身轴线旋转，增强了射流作用面积，有利于形成较大孔眼，并使得破岩孔眼光滑圆整。采用定位钢珠5悬挂的方式取代了常规设计中的轴承，可达到轴向定位和减小摩擦系数的作用，大大减小了整体装置的直径和长度。采用齿形滑环式密封方式进行密封，使得密封具有自补偿性能，因而具有良好的密封性和使用寿命。同时，钻头旋转降低了前向喷嘴10的反喷力，将原为阻力的反喷力变为有效提高射流钻头自进能力的手段。此外，射流钻头旋转还能增强钻头的稳定性，保证钻进轨迹平直；而且由于钻头的旋转，使得前向喷嘴10喷出的射流间歇性冲击岩石，具有脉冲射流的特性，能够提高破岩速度。
上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，其特征在于：包括壳体与旋转钻头体，在壳体末端设置有入水口，在壳体中心沿其轴向设置有贯穿的轴孔，所述旋转钻头体包括杆状体与半球体，半球体固定于杆状体的一端，杆状体插入轴孔中，在旋转钻头体的中心沿其轴向设置有水流通道，水流通道与入水口连通，在杆状体外壁与壳体内壁的周圈且对应同一截面位置处均开设有半圆形凹槽，在两半圆形凹槽内设置有定位钢珠，在壳体径向设置有与半圆形凹槽连通的通孔，在壳体末端设置有朝向侧后方的后向喷嘴，后向喷嘴连通入水口，在半球体的中心设置有中心喷嘴，中心喷嘴与水流通道同轴，在半球体上还设置有朝向侧前方且用于喷射时可带动半球体旋转的前向喷嘴，中心喷嘴与前向喷嘴均连通水流通道，所述前向喷嘴的个数少于后向喷嘴，前向喷嘴的直径小于或等于后向喷嘴；所述前向喷嘴的直径为1～5mm，前向喷嘴共设置3～8个，前向喷嘴的开设方位确定如下：以中心喷嘴的轴线为基准，先偏转一定角度，此角度大小设定为α，此时的位置定义为虚线一，并将虚线一与中心喷嘴的轴线所处的平面定义为平面一，将与平面一垂直且交线为虚线一的平面定义为平面二，然后将虚线一在平面二内再偏转一定的角度，此角度大小设定为β，偏转后的位置定义为虚线二，前向喷嘴沿虚线二或平行于虚线二的的方位在半球体上开设；所述α为15～50°，所述β为15～50°；所有前向喷嘴的开设方位确定时，虚线一在设定的平面二内均朝向同一侧偏转。
2.根据权利要求1所述的一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，其特征在于：所述后向喷嘴的直径为1～5mm，后向喷嘴共设置3～8个，后向喷嘴与壳体中心轴线夹角为10～50°。
3.根据权利要求2所述的一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，其特征在于：所述后向喷嘴在壳体周边均匀分布，后向喷嘴的出水口均位于壳体的同一横截面上。
4.根据权利要求1所述的一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，其特征在于：所述前向喷嘴在半球体上均匀分布，前向喷嘴的出水口均位于半球体的同一横截面上。
5.根据权利要求1所述的一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，其特征在于：在通孔的入口处设置有封口螺钉。
6.根据权利要求1所述的一种径向侧钻旋转自进式多孔射流钻头，其特征在于：在壳体与杆状体之间设置有齿形滑环式组合密封。
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