CN105927160A

CN105927160A - 一种旋转射流pdc钻头

Info

Publication number: CN105927160A
Application number: CN201610452193.3A
Authority: CN
Inventors: 张翼; 付正兵; 刘文彬; 傅红兵; 饶豪; 杜杨
Original assignee: YICHANG SHENDA PETROMACHINE CO Ltd; Hubei Three Gorges Polytechnic
Current assignee: YICHANG SHENDA PETROMACHINE CO Ltd; Hubei Three Gorges Polytechnic
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-09-07

Abstract

本发明涉及石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等领域使用的钻探用钻头，具体的讲是涉及一种旋转射流PDC钻头，包括钻头本体、刀翼、PDC切削齿，刀翼位于钻头本体冠部，PDC切削齿位于刀翼上，所述钻头本体内设有下端开口的空腔，所述空腔内从上到下依次设置有导流板、压缩腔、储存腔，所述压缩腔与贯通导流板的树枝状流道连通，所述树枝状流道的主干为两端宽中间窄的沙漏状结构，所述储存腔内设置有旋转元件，所述旋转元件由旋转元件本体和螺旋设置在旋转元件本体外围的旋转叶片组成，PDC钻头结构简单，冲击能力强，机械钻速高，避免岩屑对钻头的二次磨削，延长使用寿命，反向喷嘴接头结构，降低了钻井的能源消耗。

Description

一种旋转射流PDC钻头

技术领域

本发明涉及石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等领域使用的钻探用钻头，具体的讲是涉及一种旋转射流PDC钻头。

背景技术

在PDC钻头的工作过程中，钻井液对钻头体表面的冲洗、冷却和润滑是保证钻头正常工作的一个非常重要的条件。对PDC钻头而言，水力结构，尤其是中心喷嘴和冠部流道的设计的重要性尤为重要，由于PDC钻头相比于牙轮钻头有机械钻速高、工作寿命长、进尺多等特征，因此在石油天然气、矿山工程、建筑基础工程施工、地质、水文等领域中广泛应用。

PDC钻头的水力结构的主要功能是有效地清除井底岩屑和冷却PDC切削齿，因此水力结构对钻头的破岩效率有较大影响。由于PDC钻头钻速快、产生的岩屑多,钻压过大，地层或钻屑与钻头表面形成直接接触，温度急剧升高，加速了钻头体的磨损速度，降低了钻头寿命，甚至会引起钻头泥包，钻头泥包后PDC切削齿吃入地层困难，降低钻头的机械钻速，影响工作效率。

目前，现有的定向PDC钻头主要采用轴向射流技术，轴向射流在工作中存在一些缺陷，一是从中心喷嘴产生的钻井液射流对井底岩屑会产生一个持续的压力，压力作用在岩屑上，岩屑会在压力的作用下紧紧的贴在井底，这些附着在井底的岩屑会大大降低PDC钻头的机械钻速，从而影响破岩效率；二是岩屑会在PDC钻头的冲击与钻井液射流的冲刷下，在井底与PDC钻头表面来回运动，并在往返过程中对钻头产生二次磨损，加速了PDC钻头的磨损速度，降低了PDC钻头寿命。

当前也有少量将旋转射流技术与PDC钻头结合应用的先例，如专利号201320031588.8一种旋转射流PDC钻头，但该专利介绍的PDC钻头主要是对喷嘴处的流道增加螺旋叶片的方式来获得旋转射流，并没有对PDC钻头的水力结构进行优化，仅仅依靠螺旋叶片的旋转产生旋转射流，由于流道的孔径有限制，会出现水力功率不够的情形，从而井底岩屑清除不充分，岩屑重复切削的情况依然存在。而且螺旋叶片制造加工成本比较高，螺旋叶片的安装也比较困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种旋转射流PDC钻头，以克服现有PDC钻头会在岩屑作用下工作效率降低，二次磨损的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种旋转射流PDC钻头，包括钻头本体、刀翼、PDC切削齿，刀翼位于钻头本体冠部，PDC切削齿位于刀翼上，所述钻头本体内设有下端开口的空腔，所述空腔内从上到下依次设置有导流板、压缩腔、储存腔，所述压缩腔与贯通导流板的树枝状流道连通，所述树枝状流道的主干为两端宽中间窄的沙漏状结构；所述储存腔内设置有旋转元件，所述旋转元件由旋转元件本体和螺旋设置在旋转元件本体外围的旋转叶片组成

进一步地，还包括位于空腔开口端的中心处设有通孔的反向喷嘴接头，所述反向喷嘴接头上设置有反向喷嘴流道，所述反向喷嘴流道与所述反向喷嘴接头的通孔连通。

进一步地，所述钻头本体采用平底型PDC钻头。

进一步地，所述旋转叶片的数量为2个或4个。

进一步地，所述储存腔内壁与反向喷嘴接头的连接位置处设有密封圈。

进一步地，所述反向喷嘴流道的数量为2个或4个。

进一步地，所述反向喷嘴流道的轴线与所述反向喷嘴接头的中心轴线夹角为15°～30°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过旋转元件和导流板产生的高压旋转射流能以很高的流速冲刷岩层，能够有效地清除井底岩屑，减少附着岩屑的存在，达到提高PDC钻头机械钻速的作用；

2.高压旋转射流的喷射方向与刀翼上PDC齿的布齿走向大致相同，高压旋转的钻井液在井底和钻头本体之间往返，返回的钻井液能够对PDC切削齿进行有效的清洗和冷却，降低PDC切削齿重复切削岩石的可能性，延长PDC钻头的使用寿命；

3.在解决上述技术问题之外，本发明设置反向喷嘴流道，通过钻井液射流在反冲力作用下，通过反向喷嘴流道处的喷嘴反向喷出，辅助驱动PDC钻头前进，降低钻井作业中的能源消耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种旋转射流PDC钻头的结构示意图；

图2为本发明一种旋转射流PDC钻头的俯视图；

图3为本发明一种旋转射流PDC钻头的正视图；

图4为图3中的A-A剖视图；

图5为本发明一种旋转射流PDC钻头的旋转元件示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1-2所示，本发明的一种旋转射流PDC钻头包括钻头本体1、刀翼2、PDC切削齿3、喷嘴、流道、排屑槽6以及反向喷嘴接头7，刀翼2设置在钻头本体1冠部，PDC切削齿3排列设置在刀翼2上，流道5贯通钻头本体1及反向喷嘴接头7，通过钻头本体1带动刀翼2旋转，PDC切削齿3切削岩层，再配合经过流道的高压射流的冲刷残余岩屑，最终完成整个钻井动作。

下面详细介绍本发明的结构与原理。

如图1-4所示，本发明提供一种旋转射流PDC钻头(PDC即Polycrystalline DiamondCompact bit，聚晶金刚石复合片)，其包括钻头本体1和多个刀翼2，钻头本体1内设有沿轴向贯穿的通孔，所述钻头本体1内部设有储存腔12，所述储存腔12内设有旋转元件121，钻头本体1内部还设有压缩腔13，所述压缩腔13位于储存腔12上方，所述压缩腔13与位于钻头本体1内部的导流板14连通，所述导流板14内部设置有树枝状的流道141，其中树枝状流道141主干截面呈沙漏状，所述树枝状流道141与钻头本体1的多个出水口15连通，出水口15位置处设置有喷嘴；其中，所述钻头本体1尾部设置有反向喷嘴接头7，两者固定连接，所述钻头本体1和所述反向喷嘴接头7之间设置有密封圈，所述反向喷嘴接头7上也设有沿轴向贯穿的通孔71，所述反向喷嘴接头7还设有多个反向喷嘴流道72，所述通孔71和所述反向喷嘴流道72连通，所述反向喷嘴流道72出水口处也设有喷嘴。

具体地，本发明采用平底型PDC钻头，刀翼为3个，各刀翼上设置单排PDC切削齿3，钻头本体1呈圆柱体，其内部设有下方开口的空腔，钻头本体1内部设有储存腔12，储存腔12内设有旋转元件121，如图4所示，旋转元件121的安装可以有几种方法，简单的可以直接放入钻头本体1内部的储存腔12，通过高压钻井液带动旋转元件121旋转，本实施例是在旋转元件121下端面中心固定连接一根轴，轴穿过通孔71与电机相连，电机启动旋转元件121旋转；如图5所示，旋转元件121由旋转元件本体和螺旋设置在旋转元件本体外围的旋转叶片组成，两个相邻旋转叶片之间组成流槽，本实施例流槽头数为4头，钻头本体1内部还设有压缩腔13，高压钻井液进入钻头后，旋转元件121旋转，高压钻井液会被旋转元件121的螺旋叶片分成几股涌流，每股涌流沿着流槽流动，再通过两边逐渐收窄的压缩腔13进入位于钻头本体1内部的导流板14，导流板14内部设有树枝状流道141，树枝状流道141分别与多个设置在钻头本体1上的出水口连通，出水口处设有喷嘴，其中，高压旋转的钻井液射流在进入导流板14树枝状流道141后，在树枝状流道141主干流动时，主干部位呈沙漏状，高压旋转的钻井液射流在通过沙漏最窄处，动态压力达到最大，静态压力达到最小，高压旋转的钻井液的流速会随着涌流的横截面积变化的关系而上升，整个钻井液涌流都要在同一时间内经历流道缩小的过程，从而压力也在同一时间减小，进而钻井液涌流会在沙漏的两端产生压力差，这个压力差会对钻井液射流提供一个吸力，使钻井液射流可以以一个更高的流速从出水口射出，如图2，本实施例优选的出水口：轴向出水口4个，横向出水口3个；钻头本体1的尾部设有内螺纹，反向喷嘴接头7上设有外螺纹，两者通过螺纹固定连接，为了防止泄露，钻头本体内壁还设有环槽，环槽上安装有O型密封圈，反向喷嘴接头7内也设有沿轴向贯穿的通孔71，通孔71为钻头的进水口，反向喷嘴接头7设置有反向喷嘴流道72，通孔71和所述反向喷嘴流道72连通，反向喷嘴流道72出水口处设有喷嘴4，其中，由于前文所述的高压旋转的钻井液射流具有3个方向的速度，分别是轴向速度、径向速度和切向速度，径向速度和切向速度产生的反冲力会相互抵消，轴向速度产生的反冲力可以根据反喷原理的相关公式得到，如动量方程根据反冲力，再结合流量、钻速要求，计算出系统阻力，从而得到喷嘴的运动方程，公式比较繁琐，在这里只列出运动方程的变形式：

\frac{m}{2} {(x v)}^{2} = \frac{n Q u}{n + 1} (c o s θ - \frac{2}{n}) (\frac{x^{2}}{2} - \frac{{l_{0}}^{2}}{2}) - \frac{m g}{2} f_{1} l_{0} (x^{2} - {l_{0}}^{2}) - \frac{m g}{6} f_{2} (2 x^{3} - 3 l_{0} x^{2} + {l_{0}}^{3})

f₁f₂为钻头、喷嘴、钻井材质三者之间的滑动摩擦系数；

v为钻头的钻进速度；

Q为流经喷嘴的液体流量，u为流经喷头的液体的速度；

θ为喷嘴轴线与反向喷嘴接头轴线的夹角；

n为正面喷嘴的数量，x为需要反向喷嘴流道的数量；

根据上面公式可以确定反向喷嘴流道72的数量和角度，本实施例最优选的反向喷嘴流道72为4个，反向喷嘴流道72的轴线与通孔71的轴线之间夹角为20°，通过这些布置在反向喷嘴流道72出水口处的喷嘴4，利用反喷原理提供动力，辅助驱动PDC钻头前进，降低钻井作业中的能源消耗。

本发明未详述部分为现有技术。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种旋转射流PDC钻头，包括钻头本体、刀翼、PDC切削齿，刀翼位于钻头本体冠部，PDC切削齿位于刀翼上，其特征在于：所述钻头本体内设有下端开口的空腔，所述空腔内从上到下依次设置有导流板、压缩腔、储存腔，所述压缩腔与贯通导流板的树枝状流道连通，所述树枝状流道的主干为两端宽中间窄的沙漏状结构；所述储存腔内设置有旋转元件，所述旋转元件由旋转元件本体和螺旋设置在旋转元件本体外围的旋转叶片组成。

2.根据权利要求1所述的一种旋转射流PDC钻头，其特征在于：还包括位于空腔开口端的中心处设有通孔的反向喷嘴接头，所述反向喷嘴接头上设置有反向喷嘴流道，所述反向喷嘴流道与所述反向喷嘴接头的通孔连通。

3.根据权利要求1所述的一种旋转射流PDC钻头，其特征在于：所述钻头本体采用平底型PDC钻头。

4.根据权利要求1所述的一种旋转射流PDC钻头，其特征在于：所述旋转叶片的数量为2个或4个。

5.根据权利要求2所述的一种旋转射流PDC钻头，其特征在于：所述储存腔内壁与反向喷嘴接头的连接位置处设有密封圈。

6.根据权利要求2所述的一种旋转射流PDC钻头，其特征在于：所述反向喷嘴流道的数量为2个或4个。

7.根据权利要求2所述的一种旋转射流PDC钻头，其特征在于：所述反向喷嘴流道的轴线与所述反向喷嘴接头的中心轴线夹角为15°～30°。