CN104612594A - 一种串状水孔的钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串状水孔的钻头，涉及一种具有新型水力结构的钻头，包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，所述水孔至少有一个是串状水孔，所述串状水孔的出口由至少两个圆或椭圆串通形成，所述串状水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形。本发明解决钻头在快速钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。

Description

一种串状水孔的钻头

技术领域

本发明属于石油天然气、矿山工程、地热井、建筑基础工程施工、地质、水文等钻探技术领域，具体是涉及一种具有新型水力结构的钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中用于破碎岩石形成井眼的破岩工具，钻头的水力结构是决定钻头钻进性能的重要因素。钻头破岩钻进时，钻井液(流体)从钻头内流道通过钻头水孔喷射到井底，从钻头水孔喷出的钻井液主要起清洗井底，携带并运移钻头破碎岩石所形成的岩屑，冷却并清洗切削齿，以及辅助破岩等作用。在现代快速钻井技术中，需要钻头具有优良破岩切削结构的同时，还需钻头具有良好的清洗井底、运移岩屑、切削齿冷却与清洗等水力性能。常规钻头中使用的水孔大多为单个圆形孔，其直接清洗井底的能力，直接携岩运岩的能力，以及直接喷射冷却清洗切削齿的能力均较弱。其大部分区域的井底清洗，岩屑携带运移，切削齿的冷却都是利用圆形喷嘴喷射后的钻井液的漫流来完成的，漫流的水力能量远远小于直接喷射流体的水力能量，且喷射后所形成的漫流易形成涡流，涡流对钻头体和切削齿等会形成非常不利的影响，也不利于清洗和岩屑的及时快速运离。另外，现有钻头为了匹配钻头在井底破岩时的井底流场，其水孔多设置在钻头心部或设置在切削结构靠近心部的开始端附近，即所有水孔都尽量靠近钻头中心，以便于井底清洗和携岩时，形成从心部往外的钻井液(流体)漫流流场，但井底水力能量损失大，流场优化空间小，且只能集中在心部区域喷射。

近年，地热钻井发展迅速，地热钻井中常遇到高温井。很多地热井中地层温度已经达到150摄氏度或更高，钻头的工作温度甚至达到200摄氏度以上。常规圆形水孔的钻头，其水孔结构已不能满足高温井中钻头切削齿及时快速冷却、清洗的需要。高温井中，如不能及时冷却和清洗钻头及其切削齿，钻头和切削齿温度过高将会显著降低钻头的使用寿命和钻进性能。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的不足之处，提出一种串状水孔的钻头，解决钻头在快速钻井和高温井钻井中因钻头水力结构不合理而降低钻头钻进性能和使用寿命的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种串状水孔的钻头，包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，所述水孔至少有一个是串状水孔，所述串状水孔的出口由至少两个圆或椭圆串通形成，所述串状水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形。

本专利中，为了便于理解，参考图示，如图5所示d1为串状水孔的出口的宽度(因为宽度方向上形状不规则，该宽度指的是最大宽度)，d2为串状水孔的出口的长度(因为长度方向上形状不规则，该长度指的是最大长度)，如图6所示，串状水孔的进口51与钻头内流道12相连通，串状水孔的出口52与切削结构相对应；其中钻头的径向布齿覆盖区域的长度为L，串状水孔的扇形角覆盖区域长度为L1，钻头切削结构的径向外二分之一区域的长度为P，串状水孔的扇形角覆盖区域在该钻头切削结构的径向外二分之一区域的覆盖长度为P1。如图7所示，A-A是串状水孔的长度方向纵剖面，B-B是串状水孔的宽度方向纵剖面，C-C是串状水孔的横向剖面，即可知，水孔的宽度方向纵剖面与水孔的长度方向纵剖面、水孔的横向剖面相互垂直。

上述方案中，扇形或者类扇形(或者叫放射状)的内腔形状，以及串状(顾名思义，即为通常意义上的若干个圆或椭圆直接或间接连通成串，包括圆与圆相邻、椭圆与椭圆相邻，以及圆与椭圆相邻的方式)孔口的串状水孔能够更有效地利用其水力能量，并避免钻井液对切削结构、切削齿的冲蚀。

作为选择，所述串状水孔的出口的长度是宽度的1.5倍以上。

上述方案中，较大的水孔长宽比能很好地实现水孔喷射较大覆盖的范围；串状水孔上至少有两个圆或椭圆串通，较长的水孔长度便于圆(或椭圆)的设置，并能在水孔长度方向上根据钻头结构和钻头破岩工作的特性进行圆(或椭圆)的优化合理设计，在需要加强清洗、破岩任务量大、岩屑量大、岩屑易汇聚堆积、需加强冷却、以及需加强水力辅助破岩等区域，进行圆(或椭圆)的布置设计，以形成明显的多点喷射，有针对性地实现多点高速喷射；较大的水孔长宽比便于灵活设计水孔的喷射形状。因此，较大的水孔长宽比能有效利用水力能量，优化水力结构，提高钻头性能，并能实现钻头水力结构的个性化设计要求。

作为选择，所述切削结构为固定切削结构，所述串状水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致。

上述方案中，固定切削结构通常指PDC切削结构、孕镶金刚石切削结构等，串状水孔的长度方向顺着钻头切削结构的布齿排布方向，能够提高钻头岩屑运移效率和自洁能力，将水力能量直接用于切削齿的清洗和冷却、岩屑运移。

作为选择，所述串状水孔的扇形角覆盖区域达到切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上。

上述方案中，特定的串状水孔径向覆盖区域，更优化串状水孔直接喷射清洗、冷却切削齿的区域。

作为选择，所述串状水孔的扇形角覆盖区域覆盖80％以上的钻头切削结构的径向外二分之一区域。

上述方案中，这有利于破岩任务量大的钻头径向外二分之一区域切削齿冷却与清洗。

上述方案中，串状水孔内腔的某横向剖面的长度为该横向剖面的最大尺寸，横向剖面的宽度为垂直于该剖面长度方向上的最大尺寸。串状水孔的出口宽度小于串状水孔内横向剖面中的最大宽度，即串状水孔的出口宽度相对其内腔宽度收缩，其在不减少串状水孔径向喷射覆盖范围的同时，提高串状水孔出口处的喷射速度，有利于提高钻头清洗井底、运移岩屑和直接冷却切削结构的效果。

作为选择，所述串状水孔的出口宽度小于串状水孔内横向剖面中的最大宽度。

作为选择，所述串状水孔的宽度方向的纵剖面形状为口小底大的反扇形或者类反扇形。

上述方案中，该内腔结构形式可增加水孔射流等速核的长度，对井底的清洗、冷却效果更好，且便于胎体钻头的加工制造。

作为选择，所述串状水孔出口的圆或椭圆之间首尾相交连通形成串状。

上述方案中，圆(或椭圆)与圆(或椭圆)依次相交连通形成串状，能保证水孔宽度，加大钻头水孔的过流面积，提高水力能量的利用效率的同时，易于钻头水孔的加工，特别是钢体式(钻头本体一般有两种，一种是通过粉末冶金方法制造成型的胎体式，另一种是通过机加工而成的钢体式)钻头的加工成型。另外，串状水孔出口的圆(或椭圆)与圆(或椭圆)依次相交连通形成串状，能形成连续的多点高速喷射带，实现较长范围的高速喷射覆盖。

作为选择，所述串状水孔出口的圆或椭圆之间通过直线或曲线连接串通形成串状。

上述方案中，串状水孔所覆盖的全部区域都能进行直接喷射，拓宽水孔直接喷射清洗与冷却范围的同时，利用串状水孔圆形(或椭圆形)水孔较大较集中的直接喷射，在钻头刀翼鼻尖部、布齿密度高的区域、破岩工作量大的区域等需要较强直接喷射的区域进行加强喷射，实现清洗、携岩、冷却的优化。该方案还能根据钻头结构和井底流场的需要，在加大钻头喷射覆盖范围的前提下，进行钻头水力结构的合理匹配，实现大喷射覆盖的多点局部加强喷射。

作为选择，所述串状水孔出口的圆或椭圆的尺寸不相同。

上述方案中，圆或椭圆的尺寸不相同，指的是圆与圆尺寸不同，或椭圆与椭圆尺寸不同，而圆与椭圆本身尺寸就不同。针对不同地层、钻井条件完成钻头水力结构的个性化设计，满足钻头径向区域内的各种流量、流速分配，提高钻头与地层的水力匹配性。

作为选择，所述串状水孔的长度方向的纵剖面的扇形夹角为5～120°。

上述方案中，更优化串状水孔径向覆盖区域，有利于水孔大覆盖直接清洗井底、切削齿，提高钻头岩屑运移效率。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

(1)串状水孔能减少水力能量的损失，减少井底漫流区域，减少或避免形成涡流及因涡流产生的危害；同时还能提高钻头的水力利用率，提高钻头的清洗、携岩、冷却能力。

(2)本发明的串状水孔能实现多点加强、集中喷射，在钻头需要加强清洗、携岩、冷却的区域进行喷射覆盖中的局部加强喷射，能科学合理地优化钻头水力结构和流场。

(3)本发明能根据钻头结构、针对不同地层、不同钻井条件完成钻头水力结构的个性化设计，满足钻头的流量、流速分配，提高钻头与地层的水力匹配性。

(4)本发明的串状水孔可灵活设计圆形(或椭圆形)水孔出口，打破普通单一、单个圆形水孔的局限，增加钻头水孔及水力结构的设计灵活度。

附图说明

图1为本发明钻头示意图；

图2为图1钻头的俯视图；

图3为串状水孔出口的圆与圆依次相交连通钻头示意图；

图4为图3钻头的俯视图；

图5为串状水孔出口横向剖面的长度、宽度示意图；

图6为串状水孔径向覆盖区域示意图；

图7为串状水孔示意图；

图8为图7串状水孔的俯视图；

图9为螺旋串状水孔示意图；

附图中标记相应零部件名称：1-钻头体、12-钻头内流道、2-固定刀翼、3-排屑槽、4-切削齿、5-水孔、51-水孔进口、52-水孔出口、55-水孔轴线。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

基本例：如图1、图2、图6所示，一种串状水孔的钻头，包括钻头本体1，设于钻头本体1上的切削结构2，切削结构2上设置有切削齿4，切削结构2之间设置有排屑槽3和流道12，流道12上设置有水孔5，该水孔5至少有一个为串状水孔，所述串状水孔是指该水孔长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形(或者叫放射状形状，参见图6即为长度方向的纵剖面)，且水孔的出口为串状(由至少两个圆或椭圆串通形成，顾名思义，即为通常意义上的若干个圆或椭圆直接或间接连通成串，包括圆与圆相邻、椭圆与椭圆相邻，以及圆与椭圆相邻的方式，参见图2)。该串状水孔可以在钻头本体上直接加工，亦可以作为一个整体件，加工好后通过焊接或者其他方式固定在钻头本体1上。该串状水孔除了运用于常规的固定切削结构钻头，非固定切削结构(如牙轮切削结构等)等外，也可以运用于其他多种切削结构钻头，比如牙轮-PDC复合钻头，盘刀-PDC混合钻头等等。

作为基本例的选择例1，串状水孔的出口的长度d2是宽度d1的1.5倍以上，即d2/d1≥1.5，如图5、8所示。

作为基本例的选择例2，切削结构2为固定切削结构(如PDC切削结构、孕镶金刚石切削结构等)，串状水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致，串状水孔的长度方向顺着钻头切削结构的布齿排布方向，参见图2所示的箭头方向，分别表示两者的方向/走向。例如，固定切削结构按照螺旋布齿或圆弧布齿等，串状水孔的长度方向则顺着螺旋或圆弧设置，如图9所示。若为非固定切削结构(如牙轮切削结构等)，水孔的长度方向与切削结构的轮廓或钻头的径向一致。

作为基本例的选择例3，串状水孔的扇形角覆盖区域达到切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上，即L1/L≥0.6，如图6。

作为基本例的选择例4，串状水孔的扇形角覆盖区域覆盖80％以上的钻头切削结构的径向外二分之一区域，即P1/P≥0.8，如图6。

作为基本例的选择例5，串状水孔的出口宽度小于串状水孔内横向剖面中的最大宽度(串状水孔的某横向剖面的长度为该横向剖面的最大尺寸，横向剖面的宽度为垂直于该剖面长度方向上的最大尺寸)，如图7、8、9所示。

作为基本例的选择例6，串状水孔的宽度方向的纵剖面为口小底大的反扇形或者类反扇形，如图7、8、9所示。

作为基本例的选择例7，串状水孔出口的圆或椭圆之间首尾相交连通形成串状，如图3、4所示。

作为基本例的选择例8，串状水孔出口的圆或椭圆之间通过直线或曲线连接串通形成串状，如图1、2、5、7、8、9所示。

作为基本例的选择例9，串状水孔出口的圆或椭圆的尺寸不相同，如图5所示。

作为基本例的选择例10，串状水孔的长度方向的纵剖面扇形夹角a为5～120°，如图6所示。

作为基本例的选择例11，所述串状水孔的数量大于钻头水孔总数量的二分之一，乃至全部水孔均为串状水孔，如图1、2所示。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。比如，如图3、4还可视为选择例4和选择例7的组合，图7、8、9也还可视为选择例3和选择例9的组合，等等，在此不做穷举，本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串状水孔的钻头，包括钻头本体，设于钻头本体上的切削结构，切削结构上设置有切削齿，切削结构之间设置有排屑槽和流道，流道上设置有水孔，其特征在于：所述水孔至少有一个是串状水孔，所述串状水孔的出口由至少两个圆或椭圆串通形成，所述串状水孔的长度方向的纵剖面形状为口大底小的扇形或者类扇形。

2.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔的出口的长度是宽度的1.5倍以上。

3.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述切削结构为固定切削结构，所述串状水孔的长度方向与固定切削结构的布齿排布方向的走向一致。

4.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔的扇形角覆盖区域达到切削结构径向布齿覆盖区域的60％以上。

5.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔的扇形角覆盖区域覆盖80％以上的钻头切削结构的径向外二分之一区域。

6.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔的出口宽度小于串状水孔内横向剖面中的最大宽度。

7.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔的宽度方向的纵剖面形状为口小底大的反扇形或者类反扇形。

8.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔出口的圆或椭圆之间首尾相交连通形成串状，或者，所述串状水孔出口的圆或椭圆之间通过直线或曲线连接串通形成串状。

9.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔出口的圆或椭圆的尺寸不相同。

10.如权利要求1所述的串状水孔的钻头，其特征在于：所述串状水孔的长度方向的纵剖面的扇形夹角为5～120°。