CN104763349B - 一种钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，钻头本体的内腔沿轴线设有水流通道，水流通道下部设有分流区，分流区下部均匀安装有风琴管式自振空化喷嘴，分流区上方设有风琴管结构，风琴管结构自上而下依次设有呈阶梯圆柱孔状的喷嘴进水腔、喷嘴谐振腔和喷嘴出水口，喷嘴进水腔的孔径大于水流通道的孔径且大于喷嘴谐振腔的孔径，喷嘴谐振腔的孔径大于喷嘴出水口的孔径，喷嘴进水腔的上端进水口与水流通道相通，喷嘴出水口与分流区的中心相通。风琴管式自振空化喷嘴沿自身轴线自上而下依次设有脉冲谐振腔进水孔、脉冲谐振腔扰动区、脉冲谐振腔碰撞区和脉冲谐振腔分离区，脉冲谐振腔分离区的下端设有脉冲谐振腔出水口。该钻头可以提高清洗井底的效果和水力破岩的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻井用钻头，特别涉及一种钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，属于石油钻井设备技术领域。
背景技术
钻头是钻井破碎岩石的主要工具，从出现至今，针对不同的地层及岩性，已发展成不同的类型和系列。通常在选择钻头的时候，在考虑工程、地质条件的同时，兼顾经济效益方面因素，主要从以下两个方面：(1)同一只钻头，取得更多的进尺；(2)同样的时间，获得更快的机械钻速。对于同一只钻头取得进尺的多少，主要与地质条件、钻头制作材料及工程技术参数有关；在地质条件、钻头制作材料及工程参数一定的条件下，同样时间取得更高的机械钻速，与钻头的结构布局有很大关系。
聚晶金刚石复合片钻头即Polycrystalline Diamond Compact bit钻头，简称PDC钻头，针对相应的岩性特点，主要是在刀翼数量与布局、复合片强度与布齿、倾角大小、剖面布局、冠面类型及喷嘴流道设计等方面进一步优化。近年来，随着材料的改良和设计软件的进步，各厂家在取得进尺更多、机械钻速更快或两者兼顾的目标下，钻头结构设计基本达到最优化。但从钻头腔体内部进一步优化和改进，却很少涉及。
目前几乎所有常见的聚晶金刚石复合片钻头内腔仅仅是用作流体的通道，其它功能没有得到充分开发和拓展。由于常规内腔的聚晶金刚石复合片钻头，在水力学方面，绝大多数都是在井底产生正压力场，限制了机械钻速的进一步提高。虽然近年来水力脉冲空化射流接头、风琴管式自振空化喷嘴或两者耦合作用的方式开始应用，但脉冲效果没有达到最大化，一方面限制了机械钻速的进一步提高，另一方面也易受到安全和工程条件的制约。
常规聚晶金刚石复合片钻头的不足之处分析如下：
1、常规聚晶金刚石复合片钻头与普通喷嘴组合，钻井液通过钻具内水眼、钻头内腔后，从喷嘴流出时，由于流体没有经过扰动，在井底产连续射流，这种连续射流虽然在一定程度上有助于水力破岩和清洗井底，但使岩屑翻滚和运移的程度有限，易造成重复切削；连续射流，还在井底产生相对的正压力场，对井底岩石有一定的压制作用，这都限制了机械钻速的提高。
2、采用脉冲空化射流工具与钻头配合时，工具自身的长度加上钻头的高度，往往空化发生位置离喷嘴0.5m左右，任何空化射流的有效喷距是一定的，如果有效喷距小于空化发生位置与钻头水眼之间的距离，则喷嘴处产生的脉冲射流被削弱，产生水力破岩和清洁井底的效果也被削弱，提高机械钻速的程度就受到限制。
3、由于风琴管式自振空化喷嘴的设计受到钻头水眼大小及自身强度要求的限制，产生的脉冲效果达不到最大化，另外，在井深以后，随着井底围压的增加，也会削弱风琴管式自振空化喷嘴的实际效果，这都使得产生水力破岩和清洁井底的效果被削弱，提高机械钻速的程度也受到限制。
4、钻井安全的原则之一是尽量简化钻具，即钻具组合中的接头等应尽可能少，使用脉冲空化射流接头时，就增加了井下安全隐患；另外，现在大力推广单弯螺杆连续导向钻进技术，在需要控制及调整井身轨迹时，由于脉冲空化射流接头的接入，加大了工程控制及调整井身轨迹的难度。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，可以提高清洗井底的效果和水力破岩的能力。
为解决以上技术问题，本发明的一种钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头本体，所述钻头本体的上端外周设有钻头公扣，所述钻头本体的下端安装有刀翼，所述钻头本体的内腔沿轴线设有水流通道，所述水流通道的下部设有与水流通道共轴线的分流区，所述分流区的下部圆周上均匀分布有喷孔，各所述喷孔中分别安装有喷嘴，所述喷嘴均为风琴管式自振空化喷嘴，所述风琴管式自振空化喷嘴沿自身轴线自上而下依次设有喷嘴进水腔、喷嘴谐振腔和喷嘴出水口，所述喷嘴进水腔、喷嘴谐振腔和喷嘴出水口呈阶梯圆柱孔状，所述喷嘴进水腔的孔径大于所述喷嘴谐振腔的孔径，所述喷嘴谐振腔的孔径大于所述喷嘴出水口的孔径，所述喷嘴进水腔的上端进水口与所述喷孔相通。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：直径为D的喷嘴谐振腔的入口与直径为Ds的喷嘴进水腔相连，(Ds／D)²构成喷嘴谐振腔的入口收缩截面积比；谐振腔的下部与直径为d的喷嘴出水口相连，(D／d)²构成喷嘴谐振腔的的出口收缩截面积比。出口收缩截面既是自激励机构，又是反馈机构，当稳定流体通过时，其收缩面既能使流体产生初始压力激动，又能将压力激动反馈回喷嘴谐振腔，形成反馈压力振荡。根据瞬态流理论，如果压力激动的频率与喷嘴谐振腔的固有频率匹配，反馈的压力振荡就能得到放大，从而在喷嘴谐振腔内产生流体共振，形成驻波，使连续射流变成断续涡环流，从而得到脉冲射流。把喷嘴内腔做成风琴管式，流体经过风琴管的收缩面结构，产生空化作用，由于产生空化的位置在喷嘴内，这个距离相对于传统脉冲接头接在钻头上组合的方式，与喷嘴出口的距离大大减小，因此脉冲效果的压力及状态衰减较少。脉冲射流经过风琴管式自振空化喷嘴进一步放大，可以产生更好的水力破岩和清洗井底的效果；由于钻头内腔的脉冲射流经过风琴管式自振空化喷嘴产生耦合作用进一步放大，到达井底的脉冲射流效果优于单独使用脉冲接头或者风琴管式自振空化喷嘴以及两者的组合，由于这种脉冲作用更强，可适用于更高的围压环境，即可以使用到更深的井中。
作为本发明的优选方案，所述分流区上方的所述水流通道中设有与水流通道共轴线的脉冲谐振腔结构，所述脉冲谐振腔结构自上而下依次设有脉冲谐振腔进水孔、脉冲谐振腔扰动区、脉冲谐振腔碰撞区和脉冲谐振腔分离区，所述脉冲谐振腔进水孔的上端设有上大下小的喇叭口，所述脉冲谐振腔扰动区的内径大于所述脉冲谐振腔进水孔的孔径，所述脉冲谐振腔碰撞区的上端与所述脉冲谐振腔扰动区等直径贯通，所述脉冲谐振腔分离区的孔径小于所述脉冲谐振腔碰撞区的孔径，且脉冲谐振腔分离区的上端呈圆锥状突出于所述脉冲谐振腔碰撞区的下端空腔中，所述脉冲谐振腔分离区的下端设有脉冲谐振腔出水口，所述脉冲谐振腔出水口与所述分流区的中心相通。当一股射流从脉冲谐振腔进水孔向下游脉冲谐振腔扰动区流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大，在射流层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之互相作用时，在脉冲谐振腔碰撞区产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动；若脉冲谐振腔分离区与脉冲谐振腔碰撞区的压力脉动互相为反相，就会形成“涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生”的循环过程，该过程不断的重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。
作为本发明的优选方案，所述脉冲谐振腔扰动区内径为所述脉冲谐振腔进水孔孔径的2.36倍。
作为本发明的优选方案，所述脉冲谐振腔碰撞区孔径为所述脉冲谐振腔分离区孔径的2.1倍，所述脉冲谐振腔分离区的长度为所述脉冲谐振腔分离区孔径的1.2倍。
脉冲谐振腔扰动区内径为脉冲谐振腔进水孔孔径的2.36倍，脉冲谐振腔碰撞区孔径为脉冲谐振腔分离区孔径的2.1倍，脉冲谐振腔分离区的长度为脉冲谐振腔分离区孔径的1.2倍。此尺寸比例下，脉冲谐振腔分离区与脉冲谐振腔碰撞区的压力脉动互为反相，会形成最佳的“涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生”的循环过程，形成最强烈的自激振荡脉冲射流。
作为本发明的优选方案，所述喷嘴进水腔的孔径为所述喷嘴谐振腔孔径的2倍，所述喷嘴谐振腔孔径为所述喷嘴出水口孔径的1.62倍，所述喷嘴谐振腔长度为所述喷嘴谐振腔孔径的1.62倍。此结构下的喷嘴谐振腔入口收缩截面积比、出口收缩截面积比及谐振腔结构比可以使压力激动的频率与喷嘴谐振腔的固有频率匹配，在喷嘴谐振腔内产生最佳的流体共振，得到强劲的脉冲射流。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。
图1为本发明钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头的结构示意图。
图2为图1中A部位的放大图。
图中：1.钻头本体；1a.钻头公扣；1b.水流通道；2.脉冲谐振腔；2a.脉冲谐振腔进水孔；2b.脉冲谐振腔扰动区；2c.脉冲谐振腔碰撞区；2d.脉冲谐振腔分离区；2e.脉冲谐振腔出水口；3.分流区；4.风琴管式自振空化喷嘴；4a.喷嘴进水腔；4b.喷嘴谐振腔；4c.喷嘴出水口；5.刀翼。
具体实施方式
如图1、图所示，本发明的钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头包括钻头本体1，钻头本体1的上端外周设有钻头公扣1a，钻头本体1的下端安装有刀翼5，钻头本体1的内腔沿轴线设有水流通道1b，水流通道1b的下部设有与水流通道共轴线的分流区3，分流区3的下部圆周上均匀分布有喷孔，各喷孔中分别安装有喷嘴，喷嘴均为风琴管式自振空化喷嘴4，风琴管式自振空化喷嘴4沿自身轴线自上而下依次设有喷嘴进水腔4a、喷嘴谐振腔4b和喷嘴出水口4c，喷嘴进水腔4a、喷嘴谐振腔4b和喷嘴出水口4c呈阶梯圆柱孔状，喷嘴进水腔4a的孔径大于喷嘴谐振腔4b的孔径，喷嘴谐振腔4b的孔径大于喷嘴出水口4c的孔径，喷嘴进水腔4a的上端进水口与喷孔相通。
分流区3上方的水流通道1b中设有与水流通道共轴线的脉冲谐振腔2，脉冲谐振腔2自上而下依次设有脉冲谐振腔进水孔2a、脉冲谐振腔扰动区2b、脉冲谐振腔碰撞区2c和脉冲谐振腔分离区2d，脉冲谐振腔进水孔2a的上端设有上大下小的喇叭口，脉冲谐振腔扰动区2b的内径大于脉冲谐振腔进水孔2a的孔径，脉冲谐振腔碰撞区2c的上端与脉冲谐振腔扰动区2b等直径贯通，脉冲谐振腔分离区2d的孔径小于脉冲谐振腔碰撞区2c的孔径，且脉冲谐振腔分离区2d的上端呈圆锥状突出于脉冲谐振腔碰撞区2c的下端空腔中，脉冲谐振腔分离区2d的下端设有脉冲谐振腔出水口2e，脉冲谐振腔出水口2e与分流区3的中心相通。
当一股射流从脉冲谐振腔进水孔2a向下游脉冲谐振腔扰动区2b流动时，射流中一定频率范围内的涡量扰动得到放大，在射流层中形成一连串离散涡环，当其到达碰撞壁并与之互相作用时，在脉冲谐振腔碰撞区2c产生压力振荡波，该波以声速向上游传播，又诱发新的涡量脉动；若脉冲谐振腔分离区2d与脉冲谐振腔碰撞区2c的压力脉动互相为反相，就会形成“涡量扰动-放大-新的涡量脉动产生”的循环过程，该过程不断的重复，就会形成强烈的自激振荡脉冲射流。
脉冲谐振腔扰动区2b内径优选为脉冲谐振腔进水孔2a孔径的2.36倍。脉冲谐振腔碰撞区2c孔径优选为脉冲谐振腔分离区2d孔径的2.1倍，脉冲谐振腔分离区2d的长度优选为脉冲谐振腔分离区孔径的1.2倍。
喷嘴进水腔4a的孔径优选为喷嘴谐振腔孔径的2倍，喷嘴谐振腔孔径优选为喷嘴出水口孔径的1.62倍，喷嘴谐振腔4b长度优选为喷嘴谐振腔孔径的1.62倍。此结构下的喷嘴谐振腔入口收缩截面积比、出口收缩截面积比及谐振腔结构比可以使压力激动的频率与喷嘴谐振腔的固有频率匹配，在喷嘴谐振腔内产生最佳的流体共振，得到强劲的脉冲射流。
直径为D的 喷嘴谐振腔4b的入口与直径为Ds的喷嘴进水腔4a相连，(Ds／D)²构成喷嘴谐振腔4b的入口收缩截面积比；谐振腔的下部与直径为d的喷嘴出水口4c相连，(D／d)²构成喷嘴谐振腔4b的的出口收缩截面积比。出口收缩截面既是自激励机构，又是反馈机构，当稳定流体通过时，其收缩面既能使流体产生初始压力激动，又能将压力激动反馈回喷嘴谐振腔4b，形成反馈压力振荡。根据瞬态流理论，如果压力激动的频率与喷嘴谐振腔4b的固有频率匹配，反馈的压力振荡就能得到放大，从而在喷嘴谐振腔4b内产生流体共振，形成驻波，使连续射流变成断续涡环流，从而得到脉冲射流。把喷嘴内腔做成风琴管式，流体经过风琴管的收缩面结构，产生空化作用，由于产生空化的位置在喷嘴内，这个距离相对于传统脉冲接头接在钻头上组合的方式，与喷嘴出口的距离大大减小，因此脉冲效果的压力及状态衰减较少。
脉冲射流经过风琴管式自振空化喷嘴4进一步放大，可以产生更好的水力破岩和清洗井底的效果；由于钻头内腔的脉冲射流经过风琴管式自振空化喷嘴4产生耦合作用进一步放大，到达井底的脉冲射流效果优于单独使用脉冲接头或者风琴管式自振空化喷嘴以及两者的组合，由于这种脉冲作用更强，可适用于更高的围压环境，即可以使用到更深的井中。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。
Claims (4)
1.一种钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，包括钻头本体，所述钻头本体的上端外周设有钻头公扣，所述钻头本体的下端安装有刀翼，所述钻头本体的内腔沿轴线设有水流通道，所述水流通道的下部设有与水流通道共轴线的分流区，所述分流区的下部圆周上均匀分布有喷孔，各所述喷孔中分别安装有喷嘴，其特征在于：所述喷嘴均为风琴管式自振空化喷嘴，所述风琴管式自振空化喷嘴沿自身轴线自上而下依次设有喷嘴进水腔、喷嘴谐振腔和喷嘴出水口，所述喷嘴进水腔、喷嘴谐振腔和喷嘴出水口呈阶梯圆柱孔状，所述喷嘴进水腔的孔径大于所述喷嘴谐振腔的孔径，所述喷嘴谐振腔的孔径大于所述喷嘴出水口的孔径，所述喷嘴进水腔的上端进水口与所述喷孔相通；所述分流区上方的所述水流通道中设有与水流通道共轴线的脉冲谐振腔结构，所述脉冲谐振腔结构自上而下依次设有脉冲谐振腔进水孔、脉冲谐振腔扰动区、脉冲谐振腔碰撞区和脉冲谐振腔分离区，所述脉冲谐振腔进水孔的上端设有上大下小的喇叭口，所述脉冲谐振腔扰动区的内径大于所述脉冲谐振腔进水孔的孔径，所述脉冲谐振腔碰撞区的上端与所述脉冲谐振腔扰动区等直径贯通，所述脉冲谐振腔分离区的孔径小于所述脉冲谐振腔碰撞区的孔径，且脉冲谐振腔分离区的上端呈圆锥状突出于所述脉冲谐振腔碰撞区的下端空腔中，所述脉冲谐振腔分离区的下端设有脉冲谐振腔出水口，所述脉冲谐振腔出水口与所述分流区的中心相通。
2.根据权利要求1所述的钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述脉冲谐振腔扰动区内径为所述脉冲谐振腔进水孔孔径的2.36倍。
3.根据权利要求1所述的钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述脉冲谐振腔碰撞区孔径为所述脉冲谐振腔分离区孔径的2.1倍，所述脉冲谐振腔分离区的长度为所述脉冲谐振腔分离区孔径的1.2倍。
4.根据权利要求1所述的钻井用强化脉冲聚晶金刚石复合片钻头，其特征在于：所述喷嘴进水腔的孔径为所述喷嘴谐振腔孔径的2倍，所述喷嘴谐振腔孔径为所述喷嘴出水口孔径的1.62倍，所述喷嘴谐振腔长度为所述喷嘴谐振腔孔径的1.62倍。
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