CN106246107A - 一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，设置有喷头壳体，在喷头壳体上设置前向喷嘴、后向喷嘴和螺旋形状导流槽特殊形状导流槽；螺旋形状导流槽特殊形状导流槽位于前向喷嘴与后向喷嘴之间；壳体内部设置流体激振装置；喷头壳体与流体激振装置之间通过螺纹连接；喷头壳体前端安装四个伸出的复合破岩喷嘴，复合破岩喷嘴与喷头壳体通过螺纹连接。本发明在不损失前向喷嘴水力能量的情况下，最大限度地增加后向喷嘴的射流速度以提高喷头的自进力；前向中心喷嘴采用直旋混合射流，能够形成较大的冲击面积，在破岩过程中能够对岩石施加正向上的冲击力和周向上的切削力，从而提高破岩速度；本发明结构相对简单可靠，应用前景广阔。

Description

一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头

技术领域

本发明属于利用高压水射流快速破碎岩石的钻井工具领域，尤其涉及一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头。

背景技术

在石油勘探开发的过程当中，高压水射流破岩技术是一种高效的破岩手段，得到了广泛地应用和研究，并取得了显著的成果。水力喷射侧钻径向水平井技术起步于20世纪末，它可以提高单井油气产量，降低钻井成本，特别适合于老油田增产以及开发低渗透油田、边际油田、浅油层、稠油层和薄油层，能够横向钻开垂直油藏裂缝，达到增大油层裸露面积的目的，并可以减少或避免气锥和水锥现象的产生，从而可以极大地提高油气开采的效益，具有极高的社会经济价值和不可估量的战略意义。

水力喷射侧钻径向水平井技术已经得到了较快的发展，但是仍然存在着一系列亟待解决的问题，

目前，在径向水平井钻井技术中多采用自进式高压喷头，前向喷嘴的射流方式一般有直射流、旋转射流、直旋混合射流和磨料射流的方式。但受限于喷头体积和复杂工况的制约，喷嘴结构不可能设计得非常复杂，否则难以保证喷头的可靠性。所以在后向喷嘴分流的情况下，前向喷嘴的射流冲击力很难得到有效加强。

综上所述，现有射流喷嘴技术难点在于(1)自进式喷头在地层中前进的动力由后向喷嘴产生，但其产生的自进力有限，导致喷头在地层中的延伸能力不强，往往不能钻达预定位置。到目前为止，各种自进式喷头都仅仅依靠增加后向喷嘴的数目来提高其自进力，但必然会导致前向喷嘴的水力能量不够，破岩能力不足；(2)由于后向喷嘴的分流作用，导致喷头前向喷嘴射流的破岩能量不足，因而喷头破岩扩孔的能力差，钻进效率低下，难以形成规则的井眼，很难保证钻孔的直径和深度；(3)喷头由于自身重力作用而贴在下井壁上，导致喷头与地层之间的摩擦阻力很大，进一步影响了喷头在地层中的延伸能力；(4)喷头与井壁之间紧密接触，导致环空间隙狭小，破碎地层过程中产生的岩屑很难排除，导致地层堵塞。

发明内容

本发明的目的在于提供一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，旨在解决现有射流喷嘴技术中：(1)自进式喷头在地层中前进的动力由后向喷嘴产生，但其产生的自进力有限，导致喷头在地层中的延伸能力不强，往往不能钻达预定位置；各种自进式喷头都仅仅依靠增加后向喷嘴的数目来提高其自进力，但必然会导致前向喷嘴的水力能量不够，破岩能力不足；(2)由于后向喷嘴的分流作用，导致喷头前向喷嘴射流的破岩能量不足，因而喷头破岩扩孔的能力差，钻进效率低下，难以形成规则的井眼，很难保证钻孔的直径和深度；(3)喷头由于自身重力作用而贴在下井壁上，导致喷头与地层之间的摩擦阻力很大，进一步影响了喷头在地层中的延伸能力；(4)喷头与井壁之间紧密接触，导致环空间隙狭小，破碎地层过程中产生的岩屑很难排除，导致地层堵塞的问题。

本发明是这样实现的，一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，设置有喷头壳体，在喷头壳体上设置前向喷嘴、后向喷嘴和螺旋形状导流槽特殊形状导流槽；所述螺旋形状导流槽特殊形状导流槽位于前向喷嘴与后向喷嘴之间；壳体内部设置流体激振装置；喷头壳体(1)与流体激振装置之间通过螺纹连接；喷头壳体前端安装四个伸出的复合破岩喷嘴，所述复合破岩喷嘴与喷头壳体通过螺纹连接。

进一步，所述前向喷嘴位于喷头壳体中心，所述前向喷嘴采用旋转射流的喷嘴，嘴径6mm～9mm；

沿前向喷嘴的周向均匀布置四个伸出的复合破岩喷嘴；所述前向喷嘴直径大于四个复合破岩喷嘴的直径；所述后向喷嘴位于壳体后部，所述后向喷嘴为6个～12个。

进一步，所述腔内流体激振装置的后部采取内凹式并设置有加旋叶片，所述腔内流体激振装置的本体为半圆柱；所述复合破岩喷嘴上安装有紧固螺母。

进一步，所述喷头壳体上均匀分布四个螺旋形状的导流槽；螺旋形状的导流槽的入口为宽入口，所述螺旋形状的导流槽的入口位于喷头壳体后端；螺旋形状的导流槽的出口宽度小于入口。

本发明提供的一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头优点在于：(1)腔内流体激振装置的作用，高压钻井液进入喷头腔体之后，即会进入流体激振装置后部开有的凹槽，从而产生振荡回流作用；振荡回流作用使得流体在此区域内产生振荡挤压作用，然后以极高的速度从后向喷嘴喷射出去，从而在不损失前向喷嘴水力能量的情况下，最大限度地增加后向喷嘴的射流速度以提高喷头的自进力；

(2)试验表明，为了使得高压流体在射流作用下更有效地破碎岩石，流体必须进入到岩石孔隙当中。由于腔内流体激振装置的作用，喷头的自进力可以大大提高。所以，四个伸出的前向喷嘴在自进力的作用下能够楔入岩层之中，对岩层产生压碎作用并形成一定深度和范围的裂缝；同时从喷嘴中喷出的高压流体，也会在岩石中产生水楔作用，水楔楔入裂缝产生一定的渗流压力场，在裂缝尖端产生拉应力集中区，它使裂缝迅速扩展，致使岩石进一步破坏；即是说射流水楔作用对岩石裂缝的扩展及破坏是由于微裂缝较原来岩石中的裂缝有更大的渗透性，当前向喷嘴压入地层产生的裂缝再受到射流压力的冲击作用时，射流流体就会渗进裂缝中，裂纹的扩展就会越来越大，而包含裂缝的岩石抵抗载荷的能力会越来越小。当达到某一临界状态时，裂缝的扩展不再取决于射流压力的大小而成为不稳定的扩展过程，即使应力保持稳定，裂缝也会迅速地扩展。当裂缝向自由面扩展时，就会产生岩石崩裂，若裂缝向其它裂缝扩展，则引起裂缝间贯通以致于在进一步的应力条件下，造成更大的岩块剥落；

(3)旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的条件下产生具有三维速度的，射流质点沿螺旋线轨迹运动而形成的扩散式射流。这种射流与常规普通圆射流的主要不同点在于其外形呈明显扩张的喇叭状，具有较强的扩散能力和卷吸周围介质参与流动的能力，并能够形成较大的冲击面积，产生良好的雾化效果。前向中心喷嘴采用直旋混合射流，能够形成较大的冲击面积，在破岩过程中能够对岩石施加正向上的冲击力和周向上的切削力，从而提高破岩速度；

(4)喷头壳体上螺旋形导流槽的存在能够最大程度地增加钻井液的紊流度，甚至产生具有较大能量的漩涡，从而促使更多沉降在下井壁的岩屑颗粒进入液流层。壳体上的导流槽入口设计为开放式宽入口，使得破碎地层时产生的岩屑和流体能够完全进入导流槽内，往后导流槽的宽度逐渐减小，对流体及岩屑颗粒进行加速，增强破岩过程中的携岩能力。导流槽的存在能够最大程度地增加钻井液的紊流度，甚至产生具有较大能量的漩涡，从而促使更多沉降在下井壁的岩屑颗粒进入液流层；

(5)螺旋导流槽的存在，减小了喷头壳体与井壁间的接触面积，从而减小了两者之间的摩擦阻力，有利于提高喷头在地层中的延伸能力；

(6)本发明结构相对简单可靠，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明实施例提供的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头结构示意图；

图2是本发明实施例提供的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头前端示意图；

图3是本发明实施例提供的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头螺旋形状

引流槽示意图；

图4是本发明实施例提供的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头复合破岩

喷嘴示意图；

图5是本发明实施例提供的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头腔内流体激振装置示意图；

图中：1、喷头壳体；2、螺旋形状导流槽；3、腔内流体激振装置；4、加旋叶片；5、前向复合破岩喷嘴；6、后向喷嘴；7、前向主喷嘴；8、紧固螺母。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作详细描述。

按照图1～图5所示，本发明实施例提供的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，设置有喷头壳体1，在喷头壳体1上设置前向喷嘴7、后向喷嘴6和螺旋形状导流槽特殊形状导流槽2；所述螺旋形状导流槽特殊形状导流槽2位于前向喷嘴7与后向喷嘴6之间；壳体内部设置流体激振装置3；喷头壳体1与流体激振装置3之间通过螺纹连接；喷头壳体1前端安装四个伸出的复合破岩喷嘴5，所述复合破岩喷嘴与喷头壳体通过螺纹连接。

进一步，所述前向喷嘴7位于喷头壳体1中心，所述前向喷嘴7采用旋转射流的喷嘴，嘴径6mm～9mm；

沿前向喷嘴7的周向均匀布置四个伸出的复合破岩喷嘴5；所述前向喷嘴7直径大于四个复合破岩喷嘴5的直径；所述后向喷嘴6位于壳体后部，所述后向喷嘴6为6个～12个。

进一步，所述腔内流体激振装置3的后部采取内凹式并设置有加旋叶片4，所述腔内流体激振装置3的本体为半圆柱。所述复合破岩喷嘴上安装有紧固螺母8。

进一步，所述喷头壳体1上均匀分布四个螺旋形状的导流槽2；螺旋形状的导流槽2的入口为宽入口，所述螺旋形状的导流槽2的入口位于喷头壳体1后端；螺旋形状的导流槽2的出口宽度小于入口。

下面结合工作原理对本发明的结构进一步描述。

在径向水平井钻井过程中，高压钻井液进入喷头腔体之后，即会进入流体激振装置后部开有的凹槽，从而产生振荡回流作用；振荡回流作用使得流体在此区域内产生振荡挤压作用，然后以极高的速度从后向喷嘴喷射出去，从而在不损失前向喷嘴水力能量的情况下，最大限度地增加后向喷嘴的射流速度以提高喷头的自进力。前向喷嘴少于后向喷嘴的数目，保证产生向前推进的合力，确保喷头顺利钻进。

由于腔内流体激振装置的作用，喷头的自进力可以大大提高。所以，四个伸出的前向喷嘴在自进力的作用下能够楔入岩层之中，对岩层产生压碎作用并形成一定深度和范围的裂缝；同时从喷嘴中喷出的高压流体，也会在岩石中产生水楔作用，水楔楔入裂缝产生一定的渗流压力场，在裂缝尖端产生拉应力集中区，它使裂缝迅速扩展，致使岩石进一步破坏；

射流水楔作用对岩石裂缝的扩展及破坏是由于微裂缝较原来岩石中的裂缝有更大的渗透性，当前向喷嘴压入地层产生的裂缝再受到射流压力的冲击作用时，射流流体就会渗进裂缝中，裂纹的扩展就会越来越大，而包含裂缝的岩石抵抗载荷的能力会越来越小。

当达到某一临界状态时，裂缝的扩展不再取决于射流压力的大小而成为不稳定的扩展过程，即使应力保持稳定，裂缝也会迅速地扩展。当裂缝向自由面扩展时，就会产生岩石崩裂，若裂缝向其它裂缝扩展，则引起裂缝间贯通以致于在进一步的应力条件下，造成更大的岩块剥落。螺旋形导流槽的存在能够最大程度地增加钻井液的紊流度，甚至产生具有较大能量的漩涡，从而促使更多沉降在下井壁的岩屑颗粒进入液流层。

壳体上的导流槽入口设计为开放式宽入口，使得破碎地层时产生的岩屑和流体能够完全进入导流槽内，往后导流槽的宽度逐渐减小，对流体及岩屑颗粒进行加速，增强破岩过程中的携岩能力。导流槽的存在能够最大程度地增加钻井液的紊流度，甚至产生具有较大能量的漩涡，从而促使更多沉降在下井壁的岩屑颗粒进入液流层。

螺旋导流槽的存在，减小了喷头壳体与井壁间的接触面积，从而减小了两者之间的摩擦阻力，有利于提高喷头在地层中的延伸能力。

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 (4)

1.一种径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，设置有喷头壳体，其特征在于，在喷头壳体上设置前向喷嘴、后向喷嘴和螺旋形状导流槽特殊形状导流槽；所述螺旋形状导流槽特殊形状导流槽位于前向喷嘴与后向喷嘴之间；壳体内部设置流体激振装置；喷头壳体与流体激振装置之间通过螺纹连接；喷头壳体前端安装四个伸出的复合破岩喷嘴，所述复合破岩喷嘴与喷头壳体通过螺纹连接。

2.如权利要求1所述的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，其特征在于，所述前向喷嘴位于喷头壳体中心，所述前向喷嘴采用旋转射流的喷嘴，嘴径6mm～9mm；

沿前向喷嘴的周向均匀布置四个伸出的复合破岩喷嘴；所述前向喷嘴直径大于四个复合破岩喷嘴的直径；所述后向喷嘴位于壳体后部，所述后向喷嘴为6个～12个。

3.如权利要求1所述的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，其特征在于，所述腔内流体激振装置的后部采取内凹式并设置有加旋叶片，所述腔内流体激振装置的本体为半圆柱；所述复合破岩喷嘴上安装有紧固螺母。

4.如权利要求1所述的径向水平井用自进式复合破岩高压喷头，其特征在于，所述喷头壳体上均匀分布四个螺旋形状的导流槽；螺旋形状的导流槽的入口为宽入口，所述螺旋形状的导流槽的入口位于喷头壳体后端；螺旋形状的导流槽的出口宽度小于入口。