CN106246110A - 流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 - Google Patents
流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106246110A CN106246110A CN201610921225.XA CN201610921225A CN106246110A CN 106246110 A CN106246110 A CN 106246110A CN 201610921225 A CN201610921225 A CN 201610921225A CN 106246110 A CN106246110 A CN 106246110A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- runner
- center
- chamber
- xia
- pen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000009987 spinning Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 13
- CVOFKRWYWCSDMA-UHFFFAOYSA-N 2-chloro-n-(2,6-diethylphenyl)-n-(methoxymethyl)acetamide;2,6-dinitro-n,n-dipropyl-4-(trifluoromethyl)aniline Chemical compound CCC1=CC=CC(CC)=C1N(COC)C(=O)CCl.CCCN(CCC)C1=C([N+]([O-])=O)C=C(C(F)(F)F)C=C1[N+]([O-])=O CVOFKRWYWCSDMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 claims 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims 1
- 210000003462 vein Anatomy 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 abstract 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 2
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 1
- 210000000867 larynx Anatomy 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 231100000241 scar Toxicity 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 210000004233 talus Anatomy 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
- E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
- E21B10/61—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids characterised by the nozzle structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
本发明公开了一种流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头。其特征在于加装了脉冲射流生成装置、中心旋喷破岩装置和负压抽汲装置。脉冲射流生成装置包括钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区，基于风琴管，通过激发液体共振产生脉冲射流，提高破岩效率；中心旋喷破岩装置包括1个中心自旋转喷嘴、下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道和刀翼，基于高压水射流，自旋转正向射流剪切拉伸破岩，侧向射流提供钻头自进力，结合下喷旁支流道，提高破岩、清岩效率；负压抽汲装置包括反向高速流道、抽汲腔、混合腔、喉道、返屑腔，基于射流泵，凭借反向流体高速特性在抽汲腔形成负压，抽汲岩屑，减小压持效应。
Description
技术领域
本发明属于油气井钻井领域，具体设计一种流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头。
背景技术
常规PDC钻井中一个很常见的问题就是机械钻速低，严重影响着钻井效率。常规的解决方法多为增大排量，改善钻井液性能等，虽然取得了一些效果，但是机械钻速提高程度有限。而影响机械钻速一个很重要的因素就是压持效应，如何减小甚至消除压持效应一直是钻井工作者和理论研究人员关注的重点。
]射流泵在采油、固井中已经得到大规模运用，其中基于射流泵的负压-抽汲理论在采油中有着很好的表现，相关理论可以应用到新型钻头设计中，以提高机械钻井的清岩效率。
脉冲射流相对常规稳态射流，凭借其非对称、非周期和非均匀性在机械钻井领域得到一定的运用，理论研究和现场实验都证明相对于常规射流，脉冲射流可大幅度提高机械钻速。
水力破岩技术在机械钻井领域已经得到大规模的应用，在现场取得良好效益，基于水射流理论的自旋转喷嘴在常规钻井，剪切拉伸破岩效率高、摩阻小、寿命长、工作平稳。
发明内容
本发明的第一目的在于利用高速脉冲射流和自旋转喷嘴提高机械钻速和破岩效率。本发明的第二目的是在于利用反向射流高速特性在钻头底部形成负压，抽汲井底岩屑，减小压持效应，提高机械钻速。
为实现第一目的，本发明的流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头设计了谐振管、下喷旁支流道和下喷中心自旋转流道，在下喷旁支流道可非均布加装6个常规脉冲喷嘴，在下喷中心自旋转流道安装了1个自旋转喷嘴。
所述的谐振管由钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口、分流区等组成，各部分设计为共轴圆柱形构造，相互对接连通，其中分流区出口与反向高速流道、下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道连通；并优化管径为：进给腔管径为钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径为流道的0.8倍，谐振管出口管径为流道的0.5倍，分流区管径为流道的2倍。
钻井液流道、进给腔是钻井液进入的通道；谐振管出口产生初始压力波动，并将初始压力波动反馈到谐振腔；当反馈的初始压力波动与谐振腔固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，获得脉冲射流；分流区与下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道、反向高速流道连通，实现流量分配。
下喷旁支流道和下喷中心自旋转流道均与分流区相连通，出口在钻头端部，下喷旁支流道可非均布安装有6个常规脉冲喷嘴，下喷中心自旋转流道安装有1个自旋转喷嘴，实现钻头底部的清岩、冷却润滑钻头和携带岩屑。
自旋转喷嘴安装在下喷中心自旋转流道，由自旋转中心轴体、正向喷嘴、侧向喷嘴、喷嘴外壳、自旋转体等部分组成。流体流经自旋转喷嘴的正向和侧向喷嘴，产生正向和侧向射流，正向射流剪切拉伸破岩、周期性冲击、扫面式破岩；侧向射流提供钻头自进力，实现自旋转体绕自旋转中心轴体的自旋转，并有扩孔的作用，提高破岩和清岩效率。
下喷旁支流道绕中心自旋转喷嘴呈圆周非均布6个，下喷流道之间相互协调，增强了水力辅助破岩效果。
为实现第二目的，本发明的流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头设计了负压抽汲装置，包括反向高速流道、负压抽汲腔、混合腔、喉道、返屑腔。
反向高速流道与分流区连通，出口在混合腔，在钻头内部均布6个，凭借反向射流高速特性，在负压抽汲腔产生负压，抽汲岩屑上返，减小压持效应，提高机械钻速。
反向高速流道与下喷旁支流道有公共流道入口，与分流区出口相连通，以减小流体流动阻力。
负压抽汲腔与钻头端部排屑槽连通，出口在混合腔，是岩屑抽汲上返的通道。为圆柱形构造，轴线与返屑腔轴线呈150°夹角，抽汲岩屑上返。
混合腔与负压抽汲腔和反向高速流道连通，出口与喉道对接连通，实现岩屑与反向高速流体的混合；高压脉冲射流经喷嘴高速喷出，压力迅速释放，在混合腔内形成负压，在负压作用下，岩屑被高速射流束抽汲形成两相高速紊流。
喉道与返屑腔对接连通，为弧形圆柱形构造，管径为返屑腔入口直径，以减小岩屑流的流动阻力。实现岩屑流由混合腔到返屑腔的过渡。
返屑腔与喉道对接连通，出口在刀翼环空，轴线与井壁呈20°夹角，与负压抽汲腔呈150°夹角，实现岩屑返排入环空。为锥度5°的渐增式锥形构造，以减低混合流对井壁的冲刷，获得良好的返排效果。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)谐振管将循环钻进的稳态流转换为脉冲射流，相对于常规射流，脉冲射流非均匀、非对称、非稳定冲击破岩，提高水力辅助破岩的能力；
(2)自旋转喷嘴区别于常规射流的冲击破岩，射流剪切拉伸破岩，效率高，功率消耗小、摩阻小、寿命长、工作平稳，可提高破岩、清岩效率；
(3)下喷旁支流道与中心自旋转喷嘴相互协调，增强水力辅助破岩效果；
(4)反向高速流道的存在，凭借反向射流的高速特性在钻头底部形成局部负压，抽汲岩屑，减小压持效应，提高机械钻速；
(5)反向高速流道与下喷旁支流道有公共流道入口，减小了脉冲流体的流动阻力。
附图说明
图1为一种流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头示意图。
图2为自旋转喷嘴示意图。
图3为图1中A-A剖面示意图。
图4为图1中B-B剖面示意图。
图5为图1中C-C剖面示意图。
图6为图1中D-D剖面示意图。
图7为图1中E-E剖面示意图。
图8为图1的右视示意图。
图1中：1、钻井液流道，2、钻头本体，3、返屑腔，4、分流区，5、混合腔，6、负压抽汲腔，7、下喷旁支流道，8、下喷中心自旋转流道，9、进给腔，10、谐振腔，11、谐振管出口，12、喉道，13、反向高速流道，14、刀翼，15自旋转喷嘴。
图2中：16、自旋转中心轴体，17、侧向喷嘴，18、喷嘴外壳，19、自旋转体，20、正向喷嘴。
具体实施方式
如图1所示，一种用于流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头，包括：1、钻井液流道，2、钻头本体，3、返屑腔，4、分流区，5、混合腔，6、负压抽汲腔，7、下喷旁支流道，8、下喷中心自旋转流道，9、进给腔，10、谐振腔，11、谐振管出口，12、喉道，13、反向高速流道，14、刀翼，15自旋转喷嘴。自旋转喷嘴包括：16、自旋转中心轴体，17、侧向喷嘴，18、喷嘴外壳，19、自旋转体，20、正向喷嘴。主要为三个部分：脉冲生成部分、中心旋喷破岩部分和负压抽汲上返部分。
脉冲生成部分包括钻井液流道1、进给腔9、谐振腔10、谐振管出口11和分流区4，产生脉冲射流。如图1所示，稳态钻井液经钻井液流道10、进给腔11进入谐振管，流经谐振管出口11时，在收缩截面作用下产生初始的压力波动；产生的压力波动被反馈到谐振腔10，当压力波动的频率与谐振腔10固有频率相匹配时，激发液体共振，产生高速涡流，从而在谐振腔10内得到脉冲射流；脉冲射流在分流区4分别流向反向高速流道13、下喷旁支流道7和下喷中心自旋转流道8。
中心旋喷破岩部分包括自旋转喷嘴15、下喷旁支流道7、下喷中心自旋转流道8和刀翼14，刀翼机械破岩，自旋转喷嘴水力辅助破岩。自旋转喷嘴15由自旋转中心轴体16、正向喷嘴20、侧向喷嘴17、喷嘴外壳18、自旋转体19组成。如图1和图2所示，下喷的高速脉冲射流经下喷中心自旋转流道8，经自旋转喷嘴15的正向喷嘴20和侧向喷嘴17喷出，产生正向和侧向射流，正向射流旋转冲击，通过剪切、拉伸作用在井底形成圆形破岩面，而反向射流由于存在反向张角和偏心距，为钻头提供进给力和旋转动力，实现自旋转体19绕自旋转中心轴体16的自旋转。同时下喷的高速脉冲射流经下喷旁支流道7喷出，形成脉冲射流。自旋转喷嘴15产生的不对称、不均匀射流结合下喷旁支流道7的脉冲射流水力辅助高效破岩、搅动和清洁岩屑，并作为主流体携带刀翼14切削的岩屑进入负压抽汲腔6。
负压抽汲上返部分包括反向高速流道13、负压抽汲腔6、混合腔5、喉道12、返屑腔3，抽汲岩屑上返，减小压持效应。如图1所示，上返的脉冲射流经反向高速流道13喷出，形成反向高聚能射流，其高速特性在负压抽汲腔6-钻头底部形成负压，在负压作用下，高浓度岩屑被抽汲脱离井底，在混合腔5实现与上返流体的混合。混合后的钻井液-岩屑流经喉道12进入返屑腔3，其速度降下来之后，经返屑腔3外排入环空。
Claims (3)
1.一种新型流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头。区别于常规PDC钻头，本设计加装了脉冲射流生成装置、中心旋喷破岩装置和负压抽汲装置：
所述的脉冲射流生成装置包括钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区；钻井液流道与进给腔、进给腔与谐振腔、谐振腔与谐振管出口，谐振管出口与分流区依次对接连通，分流区出口与反向高速流道、下喷旁支流道、下喷中心旋喷流道入口相连通；钻井液流道、进给腔、谐振腔、谐振管出口和分流区均为共轴圆柱形构造；进给腔管径是钻井液流道的1.2倍，谐振腔管径是流道的0.8倍，谐振管出口管径是流道的0.5倍，分流区管径是流道的2倍；
所述的中心旋喷破岩装置包括下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道、1个中心自旋转喷嘴和刀翼。下喷旁支流道、下喷中心自旋转流道均与分流区相连通，出口在钻头端部，下喷旁支流道中可非均布安装6个脉冲喷嘴，下喷中心自旋转流道中安装1个自旋转喷嘴；下喷旁支流道绕中心自旋转喷嘴圆周非均布6个；
所述的负压抽汲装置包括反向高速流道、负压抽汲腔、混合腔、喉道、返屑腔。反向高速流道与分流区出口相互连通，出口在混合腔，在钻头内部均布6个；负压抽汲腔与钻头端部排屑槽连接，出口在混合腔，为圆柱形构造，轴线与返屑腔轴线呈150°夹角；混合腔与喉道连通；喉道与返屑腔连通，为弧形圆柱形构造；返屑腔与喉道对接连通，出口在刀翼环空，轴线与井壁呈20°夹角。
2.根据权利要求1所述的流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头，其特征在于返屑腔为锥度5°的渐增式锥形构造。
3.根据权利要求1所述的流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头，其特征在于下喷旁支流道和反向高速流道为交叉式，有公共流道入口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610921225.XA CN106246110A (zh) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | 流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610921225.XA CN106246110A (zh) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | 流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106246110A true CN106246110A (zh) | 2016-12-21 |
Family
ID=57600551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610921225.XA Pending CN106246110A (zh) | 2016-10-24 | 2016-10-24 | 流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106246110A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107386979A (zh) * | 2017-08-23 | 2017-11-24 | 中国石油大学(北京) | 内排屑脉冲射流降压钻头 |
| CN107461163A (zh) * | 2017-08-23 | 2017-12-12 | 中国石油大学(北京) | 内排屑脉冲射流降压钻柱短节 |
| WO2018121815A1 (de) * | 2016-12-30 | 2018-07-05 | Hochschule Bochum | Bohrvorrichtung |
| CN111911118A (zh) * | 2020-09-17 | 2020-11-10 | 西南石油大学 | 一种直切混合射流自旋转式水射流组合喷嘴装置 |
| CN113404423A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-09-17 | 四川深远石油钻井工具股份有限公司 | 一种防卡结构及具有该防卡结构的防卡钻具 |
-
2016
- 2016-10-24 CN CN201610921225.XA patent/CN106246110A/zh active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018121815A1 (de) * | 2016-12-30 | 2018-07-05 | Hochschule Bochum | Bohrvorrichtung |
| CN107386979A (zh) * | 2017-08-23 | 2017-11-24 | 中国石油大学(北京) | 内排屑脉冲射流降压钻头 |
| CN107461163A (zh) * | 2017-08-23 | 2017-12-12 | 中国石油大学(北京) | 内排屑脉冲射流降压钻柱短节 |
| CN107386979B (zh) * | 2017-08-23 | 2023-09-26 | 中国石油大学(北京) | 内排屑脉冲射流降压钻头 |
| CN107461163B (zh) * | 2017-08-23 | 2023-10-20 | 中国石油大学(北京) | 内排屑脉冲射流降压钻柱短节 |
| CN111911118A (zh) * | 2020-09-17 | 2020-11-10 | 西南石油大学 | 一种直切混合射流自旋转式水射流组合喷嘴装置 |
| CN113404423A (zh) * | 2021-08-20 | 2021-09-17 | 四川深远石油钻井工具股份有限公司 | 一种防卡结构及具有该防卡结构的防卡钻具 |
| CN113404423B (zh) * | 2021-08-20 | 2021-11-09 | 四川深远石油钻井工具股份有限公司 | 一种防卡结构及具有该防卡结构的防卡钻具 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106246110A (zh) | 流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 | |
| CN106285493A (zh) | 水平井自旋转脉冲内磨钻头 | |
| CN101105115B (zh) | 水力脉冲空化射流钻井装置及钻头 | |
| CN200989162Y (zh) | 水力脉冲空化射流钻井装置及钻头 | |
| WO2016150113A1 (zh) | 螺杆钻具及其破岩钻井方法 | |
| CN105464638A (zh) | 煤层气井脉冲径向钻孔与双脉动水力压裂方法 | |
| CN106285482A (zh) | 自激振荡脉冲增强式内磨钻头 | |
| CN101446187B (zh) | 双封隔器水力喷射压裂工艺 | |
| CN206111093U (zh) | 中心旋喷脉冲内磨钻头 | |
| CN106246114A (zh) | 水平井脉冲内磨钻杆短节 | |
| CN111577235A (zh) | 一种自激震荡式脉冲水力压裂工具及方法 | |
| CN104405292A (zh) | 一种双壁钻杆反循环钻井固定导向叶轮式旋流射流泵钻头 | |
| CN202832206U (zh) | 井底自激振荡脉冲粒子射流钻井提速工具 | |
| CN102953719A (zh) | 拖动式无封隔器水力喷射脉动酸压装置及方法 | |
| CN206205793U (zh) | 流道交叉式中心旋喷负压脉冲钻头 | |
| CN204386484U (zh) | 一种双壁钻杆反循环钻井切向注入式旋流射流泵钻头 | |
| CN103774991B (zh) | 井底粒子引射钻井提速工具 | |
| CN104373045A (zh) | 一种双壁钻杆反循环钻井切向注入式旋流射流泵钻头 | |
| CN111701740A (zh) | 一种用于天然气井泡排采气的泡沫雾化器、井筒结构和采气方法 | |
| CN206111095U (zh) | 水平井自旋转脉冲内磨钻头 | |
| CN107461163B (zh) | 内排屑脉冲射流降压钻柱短节 | |
| CN109812232A (zh) | 一种带支撑板的自进式多孔射流钻头 | |
| CN206111094U (zh) | 串联型脉冲增强式内磨钻头 | |
| CN107386987B (zh) | 内排屑射流降压钻头 | |
| CN106285491A (zh) | 中心旋喷脉冲内磨钻头 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gao Deli Inventor after: Zhang Hui Inventor after: Wei Zheng Inventor after: Liu Yongsheng Inventor after: Zhao Mingkun Inventor after: Xu Xiang Inventor after: Tan Congwen Inventor before: Gao Deli Inventor before: Wei Zheng Inventor before: Liu Yongsheng |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20180816 Address after: 408014 517 Jiao Shi Town, Fuling District, Chongqing Applicant after: Sinopec Chongqing Fuling Shale Gas Exploration and Development Co., Ltd. Applicant after: China University of Petroleum (Beijing) Address before: 102249 18 Fu Xue Road, Changping District, Beijing Applicant before: China University of Petroleum (Beijing) |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20161221 |
|
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Wei Zheng Document name: Notification that Application Deemed to be Withdrawn |