CN105649537A - 带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力喷射径向水平井钻井用的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其包括钻头本体、旋转壳体、及定位螺母。钻头本体后端为中空的变径圆柱体，前端为带混合腔的中心喷嘴。后端中空圆柱体上加工一级后向喷嘴，前端中空圆柱体上加工有多个前向孔眼，其内部装有导流阀；中心喷嘴与钻头本体流道同轴，外部带有螺纹，通过定位螺母对旋转壳体进行定位。旋转壳体前端布置着朝向侧前方的前向喷嘴，旋转壳体外壁加工有螺旋切削翼肋，硬质合金切削齿固设与切削翼肋表面，切削翼肋之间的导流槽中加工有二级后向喷嘴。本发明能够解决水力喷射径向水平井钻进过程中机械钻速较低，井径较小，井眼不规则等问题。

Description

带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头

技术领域

本发明涉及水力喷射径向水平井钻井用的钻头装置领域，尤其是涉及一种带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头。

背景技术

随着油气资源勘探开发的不断深入，许多油田步入开发中后期，同时油气资源类型也逐步由常规向非常规转变，油气勘探开发领域逐渐扩展到低孔、低渗、复杂小断块、稠油油藏以及局部剩余油藏以及煤层气、页岩气、致密砂岩气等非常规油藏。水力喷射径向水平井技术利用高压水射流在垂直井眼中的某一个或多个层位钻出一个或多个水平分支井眼，实现“一井多层、一层多眼”开采，从而达到增加油气通道，增大原井眼泄流半径，改善液流方向，提高油气采收率的目的。该技术可以有效的提高单井产量，降低生产成本，同时在非常规油气开采中也极具发展前景。

在目的层快速有效的钻出一定直径和长度的径向井眼是水力喷射径向水平井钻井的核心问题，该技术的核心部件为配套的自进式射流钻头。目前，该技术采用的钻头结构形式主要有多孔射流钻头、旋转射流钻头以及不同设计方式的直旋混合射流钻头，这些结构形式的钻头虽然能够实现在储层中进行钻进，但仍存在着如下亟需解决的重要问题：(1)射流能量利用不足，岩石破碎效率低，机械钻速较低；(2)井径较小，井眼不规则，井眼轨迹无法控制；(3)水平井眼延伸距离短，无法达到设计长度。

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的主要目的是提供一种带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头。

发明内容

本发明提出一种带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，解决了现有技术射流钻头存在的缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其包括钻头本体、旋转壳体、以及定位螺母，其中：

所述钻头本体后端为中空的变径圆柱体，前端为带混合腔的中心喷嘴，所述变径圆柱体后端面加工有螺纹，所述变径圆柱体的端面设有与旋转壳体配合形成密封的环形凸起，所述变径圆柱体包括后端中空圆柱体和前端中空圆柱体，后端中空圆柱体上加工有一级后向喷嘴，前端中空圆柱体上加工有多个前向孔眼，前端中空圆柱体的内部装有导流阀，所述中心喷嘴与钻头本体的流道同轴，所述中心喷嘴的外部带有螺纹，并伸出旋转壳体；

所述旋转壳体的前端布置着朝向侧前方的前向喷嘴，所述旋转壳体外壁加工有切削翼肋，所述切削翼肋的表面布置有硬质合金切削齿，切削翼肋之间的导流槽中加工有二级后向喷嘴，所述旋转壳体的后端设有与其环形凸起配合形成密封的环状凹槽。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：(1)中心喷嘴产生的直旋混合射流兼具直射流和旋转射流的优点，能够形成深度较大，直径较大的井眼；前向喷嘴产生的射流具有三维速度，能够使旋转壳体自转，利于井眼规则。

(2)切削翼肋起到稳定支撑作用，利于井身轨迹的控制，旋转后其上的硬质合金切削齿能够切屑井筒周围岩石，利于井径扩大和井眼规则，减少钻头的摩擦阻力。

(3)两级后向喷嘴为钻头提供自进力，利于提高井眼的延伸长度。

(4)本发明结构简单，组成部件少，保证工具的可靠性。

本发明进一步的改进如下：

进一步地，所述一级后向喷嘴的直径为2-6mm，数量为3-6个，各一级后向喷嘴轴线与钻头本体轴线的夹角为10-40°，各一级后向喷嘴的出水口位于后端中空圆柱体的同一横截面上。

进一步地，所述二级后向喷嘴的直径为2-6mm，数量为3-6个，各二级后向喷嘴轴线与旋转壳体轴线的夹角为10-40°，各二级后向喷嘴与旋转壳体轴线的夹角小于一级后向喷嘴与钻头本体轴线的夹角，二级后向喷嘴的出水口位于旋转壳体的同一横截面上。

进一步地，所述前向喷嘴的直径为2-6mm，数量为3-5个，前向喷嘴的直径小于或等于后向喷嘴的直径，前向喷嘴的个数小于二级后向喷嘴的个数。

进一步地，所有前向喷嘴的出口均布于旋转壳体前端面离开中心一定距离的圆周上。

进一步地，所述中心喷嘴的直径大于前向喷嘴的直径。

进一步地，所述切削翼肋的数量为4-6个，所述切削翼肋的螺旋升角为18-30°。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头的结构原理示意图；

图2是带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头的钻头本体的三维示意图；

图3是带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头的旋转壳体的三维示意图；

图4是带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头分流阀的三维示意图；

图5是带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头分流阀后端示意图；

图6是带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头分流阀导流叶片俯视图。

其中：1-钻头本体，2-旋转壳体，3-定位螺母，11-一级后向喷嘴，12-环形凸起，13-前向孔眼，14-分流阀，15-导流叶片，16-旁通导流孔，17-中心喷嘴，18-齿形滑环式组合密封，19-中心导流孔，21-切削翼肋，22-硬质合金切削齿，23-二级后向喷嘴，24-前向喷嘴，25-中心孔眼，26-环形凹槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，、其包括钻头本体1，旋转壳体2，定位螺母3。

钻头本体1为中空的变径圆柱体，所述钻头本体的前端为带混合腔的中心喷嘴17。变径圆柱体后端面加工有螺纹，与高压软管连接，所述变径圆柱体的端面设有环形凸起12，与旋转壳体2的环形凹槽26配合形成密封。所述变径圆柱体包括后端中空圆柱体和前端中空圆柱体，后端中空圆柱体上加工有与钻头本体1轴线成10-40°的4个一级后向喷嘴11，直径为2-6mm，各一级后向喷嘴11的出水口位于后端中空圆柱体的同一横截面上，射流从一级后向喷嘴11喷出为钻头提供自进力并扩大井眼。前端中空圆柱体内部装有导流阀14，导流阀14后端布置有中心导流孔19和旁通导流孔16，导流阀14前端为导流叶片15，导流叶片15采用切向导流方式，高压流体经过导流14阀进入带混合腔的中心喷嘴17，形成直旋混合射流，利于形成深度较大，尺寸较大的井眼；前端中空圆柱体上加工有41个前向孔眼13，为钻井液提供进入旋转壳体2的流道，其外径能够与旋转壳体2配合形成密封。中心喷嘴17与钻头本体1的流道同轴，中心喷嘴17的外部带有螺纹，前端中空圆柱体外径能与旋转壳体中心孔眼25配合并伸出旋转壳体1，通过定位螺母3与齿形滑环式组合密封18对旋转壳体1进行密封、定位。

旋转壳体2前端中心存在中心孔眼25，其内径大小恰好能与中心喷嘴17配合，允许中心喷嘴17伸出旋转壳体2前端。旋转壳体2前端布置着3个朝向侧前方的前向喷嘴24，直径为2-6mm，高压射流经过前向喷嘴24形成的射流具有三维速度，射流在切向上的速度分量利于破岩，同时射流反冲力作用于旋转壳体，使旋转壳体自转。旋转壳体1外壁加工4个螺旋升角为18-30°的切削翼肋21，切削翼肋21的表面布置有硬质合金切削齿22，旋转壳体1自转，使切削翼肋21上的硬质合金切削齿22不断的切削井壁岩石，从而扩大井眼直径，同时形成更加规则的井眼。切削翼肋21之间的导流槽中加工有与钻头轴线呈10-40°的4个二级后向喷嘴23，直径为2-6mm，直径小于或等于一级后向喷嘴11，二级后向喷嘴23与旋转壳体2轴线的夹角小于一级后向喷嘴11与钻头本体1轴线的夹角，二级后向喷嘴23的出水口位于旋转壳体2的同一横截面上。旋转壳体2后端存在环状凹槽26，与其钻头本体1的环状凸起12配合形成密封。

前向喷嘴24轴线的确定方向如下：以中心喷嘴17的轴线为基准线，将其偏转一定的角度α，此时喷嘴轴线位置定义为虚线一，虚线一与旋转壳体2前端面的交点定义为点一，中心喷嘴17轴线与旋转壳体2前端面的交点与点一的连线定义为虚线二，中心喷嘴17的轴线与虚线一构成的平面定义为平面一。平面一绕虚线二旋转一定的角度β形成的平面为平面二，此时虚线一在平面二上的投影即为前向喷嘴24的轴线方向。上述α优选为15-40°，β优选为15-40°。所有前向喷嘴24的出口均布于旋转壳体1前端面离开中心一定距离的圆周上。所述中心喷嘴(17)的直径大于前向喷嘴(24)的直径。所述切削翼肋(21)的数量为4-6个，所述切削翼肋的螺旋升角为18-30°。

本发明的工作过程和工作原理大致如下：

在水力喷射径向水平井钻井作业过程中，高压流体由高压软管进入钻头本体1中空的变径圆柱体，分别由一级后向喷嘴11和前向孔眼13以及中心喷嘴17喷出。一级后向喷嘴11喷射出的流体为钻头提供自进力，推动射流钻头在地层中钻进。中心喷嘴17喷射出的流体在分流阀14的中心导流孔19和旁通导流孔16以及切向导流叶片15的作用下，形成直旋混合射流，直旋混合射流兼具直射流和旋转射流的优点，可以形成较大的孔眼直径和深度。前向孔眼13喷射出的流体进入旋转壳体2的内部，进入旋转壳体2流体分别由二级后向喷嘴23和前向孔眼24喷出。二级后向喷嘴23喷射出的流体为钻头提供自进力，同时扩大井眼直径。前向孔眼24喷射出的流体具有的切向速度利于破岩，提高机械钻速；同时射流反冲力能够为旋转壳体2提供扭矩，使得旋转壳体2绕自身轴线旋转，从而使布置与旋转壳体2外壁的切削翼肋21旋转，布置与切削翼肋21上的硬质合金切削齿22不断切削井壁岩石，从而扩大井眼直径，同时形成更加规则圆滑的井眼。此外旋转壳体2的旋转还能增加钻头的稳定性，保证井身轨迹的可控性。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：(1)中心喷嘴17产生的直旋混合射流兼具直射流和旋转射流的优点，能够形成深度较大，直径较大的井眼；前向喷嘴产生的射流具有三维速度，能够使旋转壳体自转，利于井眼规则。

(2)切削翼肋21起到稳定支撑作用，利于井身轨迹的控制，旋转后其上的硬质合金切削齿能够切屑井筒周围岩石，利于井径扩大和井眼规则，减少钻头的摩擦阻力。

(3)两级后向喷嘴为钻头提供自进力，利于提高井眼的延伸长度。

(4)本发明结构简单，组成部件少，保证工具的可靠性。

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的内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围的内。

Claims (7)

1.一种带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其包括钻头本体(1)、旋转壳体(2)、以及定位螺母(3)，其特征在于：

所述钻头本体为中空的变径圆柱体，所述钻头本体的前端为带混合腔的中心喷嘴(17)，所述变径圆柱体后端面加工有螺纹，所述变径圆柱体的端面设有与旋转壳体配合形成密封的环形凸起(12)，所述变径圆柱体包括后端中空圆柱体和前端中空圆柱体，后端中空圆柱体上加工有一级后向喷嘴(11)，前端中空圆柱体上加工有多个前向孔眼(13)，前端中空圆柱体的内部装有导流阀(14)，所述中心喷嘴与钻头本体的流道同轴，所述中心喷嘴的外部带有螺纹，并伸出旋转壳体；

所述旋转壳体的前端布置着朝向侧前方的前向喷嘴(24)，所述旋转壳体外壁加工有切削翼肋(21)，所述切削翼肋的表面布置有硬质合金切削齿(22)，切削翼肋之间的导流槽中加工有二级后向喷嘴(23)，所述旋转壳体的后端设有与其环形凸起(12)配合形成密封的环状凹槽(26)。

2.如权利要求1所述的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其特征在于：所述一级后向喷嘴(11)的直径为2-6mm，数量为3-6个，各一级后向喷嘴轴线与钻头本体(1)轴线的夹角为10-40°，各一级后向喷嘴的出水口位于后端中空圆柱体的同一横截面上。

3.如权利要求1所述的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其特征在于：所述二级后向喷嘴(23)的直径为2-6mm，数量为3-6个，各二级后向喷嘴(23)轴线与旋转壳体(2)轴线的夹角为10-40°，各二级后向喷嘴(23)与旋转壳体(2)轴线的夹角小于一级后向喷嘴与钻头本体轴线的夹角，二级后向喷嘴(23)的出水口位于旋转壳体(2)的同一横截面上。

4.如权利要求1所述的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其特征在于：所述前向喷嘴(24)的直径为2-6mm，数量为3-5个，前向喷嘴(24)的直径小于或等于后向喷嘴的直径，前向喷嘴(24)的个数小于二级后向喷嘴的个数。

5.如权利要求4所述的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其特征在于：所有前向喷嘴的出口均布于旋转壳体前端面离开中心一定距离的圆周上。

6.如权利要求1所述的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其特征在于：所述中心喷嘴(17)的直径大于前向喷嘴(24)的直径。

7.如权利要求1所述的带切削翼肋的旋转自进式混合射流钻头，其特征在于：所述切削翼肋(21)的数量为4-6个，所述切削翼肋的螺旋升角为18-30°。