CN106285492A - 串联型脉冲增强式内磨钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联型脉冲增强式内磨钻头。区别于常规PDC钻头，本发明设计了脉冲生成与增强装置、负压抽汲装置和岩屑内磨装置。脉冲生成与增强装置包括进给腔、谐振腔、过渡流道、脉冲增强腔、冲击壁、反馈流道、分流区，基于风琴管结构，通过激发液体共振产生初始脉冲射流，基于赫姆霍兹振荡器，通过形成大尺度的涡环结构增强脉冲射流；负压抽汲装置包括反向高速流道、下喷流道、刀翼、抽汲腔，凭借反向射流高速特性在抽汲腔形成负压，抽汲岩屑上返，减小压持效应，提高机械钻速；岩屑内磨装置包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、扩散腔，基于高压作用力、水楔效应粉碎岩屑，利于钻井液携岩，清除岩屑床。

Description

串联型脉冲增强式内磨钻头

技术领域

本发明属于油气井钻井领域，具体设计一种用于串联型脉冲增强式内磨钻头。

背景技术

风琴管通过激发液体共振产生初始脉冲射流，由于结构简单，产生效率高等优点，其产生的脉冲射流以其非对称、非均匀、不稳定特性，相对常规稳态射流，可极大提高水力辅助破岩效率，同时在钻头附近形成局部低压区，减少环空液体柱压力对井底岩石的压持效应。理论研究和现场试验均证明脉冲射流在钻井领域有着相当广阔的应用前景，而将脉冲射流运用于钻头设计也已经被理论和实验证明其可行性。

脉冲射流容易衰减，如何增强脉冲射流，尤其是阶段性地增强脉冲射流，越来越受到相关技术人员的重视。赫姆霍兹振荡器具有结构简单，无附加驱动源，靠自身结构就能产生脉冲射流等优点，通过形成大尺度的涡环结构，对风琴管产生的脉冲射流进行增强，提高水力破岩、清岩效率。

射流泵在采油、固井等领域已经得到大规模的应用，而如何将射流泵理论应用于岩屑的清岩、携岩却是一个新问题，将基于射流泵的负压抽汲理论应用于新型钻头的设计是一个新方向，也为清除水平井岩屑床提供一种新思路。

水平井钻井中，往往由于携岩不利、清岩不及时导致岩屑堆积，产生岩屑床，严重制约着机械钻速和钻井成本，导致憋泵、蹩钻，甚至卡钻等钻井复杂事故的发生。常规的解决方法多为提高钻速、增大排量、添加润滑剂，通过短距离上提下放钻具，将钻头附近的大颗粒岩屑推回井底重复破碎，虽然有一定的效果，但是降低了机械钻速，不能从根本上清除水平井岩屑床。产生岩屑床一个很重要的原因就是大颗粒岩屑得不到有效地粉碎，理论研究和现场试验都充分证明，小尺寸岩屑的携岩效率明显优于大尺寸岩屑。因此将大颗粒岩屑粉碎为更小粒径可以更好地清除岩屑床。

发明内容

本发明的第一目的在于利用风琴管产生脉冲射流，利用赫姆霍兹振荡器对脉冲射流进行阶段性增强，水力辅助高效破岩。为实现第一目的，本发明设计了脉冲生成与增强装置。

所述的脉冲生成与增强装置包括进给腔、谐振腔、过渡流道、脉冲增强腔、冲击壁、反馈流道、分流区。进给腔、谐振腔、过渡流道、脉冲增强腔、反馈流道、分流区均为共轴圆柱形构造，依次对接连通，其中分流区出口与反向高速流道、下喷流道相连通；进给腔管径与过渡流道管径相同，为反馈流道管径的1.5倍，谐振腔管径与脉冲增强腔管径相同，为反馈流道管径的3倍，分流区管径与谐振腔相同；冲击壁附于脉冲增强腔底部，为150°锥形结构于反馈流道相交。

进给腔是钻井液进入脉冲生成与增强装置的通道；过渡流道：其收缩截面产生初始压力波动，将初始压力波动反馈到谐振腔；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；

产生的脉冲射流经过渡流道进入脉冲增强腔。脉冲增强腔：脉冲射流的不稳定剪切层在其中产生压力扰动波，并与冲击壁发生碰撞；反馈流道：上游脉冲射流流经反馈流道，其收缩截面使射流束产生压力瞬变，并将压力瞬变向上传递；上返的压力瞬变与脉冲射流不稳定剪切层产生的压力扰动波在脉冲增强腔碰撞，干涉形成大尺度的涡环结构，增加流体的紊流程度，增强风琴管产生的脉冲射流；分流区与下喷流道、反向高速流道相连通，实现流量分配。

下喷流道与分流区连通，出口在钻头端部，内部可安装脉冲喷嘴，实现水力辅助高效破岩、清岩，冷却润滑钻头和携带岩屑。

本发明的第二目的是在于利用反向射流抽汲井底岩屑，减小压持效应，提高机械钻速。为实现第二目的，本发明设计了反向高速流道和抽汲腔。

反向高速流道与谐振管分流区相连通，出口在混合腔，基于射流泵原理，凭借反向射流的高速特性，在抽汲腔-井底产生负压，抽汲岩屑上返；抽汲腔与钻头端部排屑槽相连通，出口在混合腔，是岩屑抽汲上返的通道。

本发明的第三目的在于减小岩屑粒径，提高水平井携岩效率，清除岩屑床。为实现第三目的，本发明设计了岩屑内磨结构，包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、扩散腔。

混合腔与抽汲腔、反向高速流道相连通，出口与喉道对接连通，实现岩屑与反向高速流体的混合；高压脉冲射流经反向流道高速喷出，压力迅速释放，在混合腔内形成负压，在负压的作用下，岩屑被高速射流束抽汲进入混合腔，形成两相高速紊流。

喉道与加速腔对接连通，设计为圆柱形构造，管径为加速腔管径的0.5倍，以增强反向射流的冲击力，充分加速岩屑。其收缩截面增强反向射流冲击力。

加速腔与内磨腔对接连通，设计为圆柱形构造，凭借钻井液粘滞力加速岩屑，实现主流体与岩屑之间的能量传递，避免附壁流、提高射流能量利用率。

内磨腔与加速腔相连通，为棱柱形构造，横截面为加速腔圆形截面的外接正六边形，内磨腔轴线与加速腔轴线设计呈138°夹角；内磨体附于内磨腔中，正对加速腔，以减小钻井液流动阻力、充分粉碎岩屑，利用颗粒-颗粒和颗粒-内磨体之间的高压作用力、水楔效应粉碎岩屑。

扩散腔与内磨腔相连通，为圆柱形构造，轴线与内磨腔呈138°夹角并接环空，以减小岩屑流对井壁的冲击。当岩屑流速度降下来之后，将粉碎后的岩屑外排入环空。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)风琴管将循环钻进的稳定流体转换为脉冲射流，相对于常规连续射流，脉冲射流非均匀、非对称、非稳定冲击破岩，提高水力辅助破岩和钻井液清洗井底的能力，同时脉冲射流在钻头附近形成局部低压区，减少环空液体柱压力对井底岩石的压持效应；

(2)赫姆霍兹谐振腔结构简单，无附加驱动源，依靠自身结构形成大尺度的涡环结构，增强由风琴管产生的脉冲射流；

(3)反向高速流道产生的反向高速射流在抽汲腔-钻头底部形成负压区，抽汲岩屑，减小压持效应，提高清岩效率；

(4)内磨削结构通过内磨高压作用力、水楔效应粉碎岩屑，减小岩屑粒径，提高钻井液携岩效率，清除水平井岩屑床。

附图说明

图1为一种串联型脉冲增强式内磨钻头示意图。

图2为图1中A-A剖面示意图。

图3为图1中B-B剖面示意图。

图4为图1中C-C剖面示意图。

图5为图1中D-D剖面示意图。

图6为图1中E-E剖面示意图。

图7为图1中F-F剖面示意图。

图8为图1的右视示意图。

图1中：1、扩散腔，2、内磨腔，3、过渡流道，4、冲击壁，5、加速腔，6、分流区，7、混合腔，8、抽汲腔，9、下喷流道，10、进给腔，11、谐振腔，12、内磨体，13脉冲增强腔，14、PDC钻头本体，15、反馈流道，16、喉道，17、反向高速喷嘴，18、刀翼。

具体实施方式

如图1所示，一种用于串联型脉冲增强式内磨钻头，包括：1、扩散腔，2、内磨腔，3、过渡流道，4、冲击壁，5、加速腔，6、分流区，7、混合腔，8、抽汲腔，9、下喷流道，10、进给腔，11、谐振腔，12、内磨体，13脉冲增强腔，14、PDC钻头本体，15、反馈流道，16、喉道，17、反向高速喷嘴，18、刀翼。主要为四个主要部分：脉冲生成与增强部分、机械破岩部分、负压抽汲部分和岩屑内磨部分。

脉冲生成与增强部分包括进给腔10、谐振腔11、过渡流道3、脉冲增强腔13、冲击壁4、反馈流道15、分流区6，通过激发液体共振，产生脉冲射流，通过形成大尺度的涡环结构，增强脉冲射流。稳定的钻井液经进给腔10进入谐振腔11，流经过渡流道3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11；当压力波动的频率与谐振腔11固有频率相符时，激发液体共振，产生高速涡流，从而在谐振腔11内得到脉冲射流；得到的脉冲射流经过渡流道3进入脉冲增强腔13；在脉冲增强腔13中，射流束的不稳定剪切层产生压力扰动波；当射流束到达反馈流道15，经收缩截面作用，产生压力瞬变并以声速向上游反射；同时，上游脉冲射流与冲击壁4发生碰撞反射；经反馈流道15产生的压力瞬变与高速射流束剪切层产生的压力扰动波在脉冲增强腔13中发生干涉，形成大尺度的涡环结构，对脉冲射流进行增强；增强后的脉冲射流经分流区6分别流向反向高速流道17和下喷流道9。

机械破岩部分包括下喷流道9和刀翼18，机械破岩。如图1所示，下喷的高速脉冲射流经下喷流道9喷出，凭借非对称、非均匀的脉冲射流水力辅助高效破岩、搅动和清洁岩屑，并作为主流体携带岩屑进入抽汲腔8。

负压抽汲部分包括反向高速流道17和抽汲腔8，抽汲岩屑上返，减小压持效应。如图1所示，上返的钻井液脉冲射流经反向高速流道17喷出，形成反向高聚能射流，其高速特性在抽汲腔7-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7实现与上返流体的混合。

岩屑内磨部分包括混合腔7、喉道16、加速腔5、内磨腔2、内磨体12、扩散腔1，减小岩屑粒径，高效携岩。如图1所示，混合后的钻井液-岩屑流经喉道16进入加速腔5，由于钻井液粘滞力作用，岩屑获得加速并在内磨腔2与内磨体12产生碰撞；在内磨腔2中，由于颗粒与颗粒、颗粒与内磨体12之间的高压作用力和水楔效应，岩屑被粉碎，其速度降下来之后经扩散腔1排出。

Claims (1)

1.一种新型串联型脉冲增强式内磨钻头，其特征在于设计了脉冲生成与增强装置、负压抽汲装置和岩屑内磨装置：

所述的脉冲生成与增强装置包括进给腔、谐振腔、过渡流道、脉冲增强腔、冲击壁、反馈流道、分流区。进给腔、谐振腔、过渡流道、脉冲增强腔、反馈流道、分流区均为共轴圆柱形构造，依次对接连通，其中分流区出口与反向高速流道、下喷流道相连通；进给腔管径与过渡流道管径相同，为反馈流道管径的1.5倍；谐振腔管径与脉冲增强腔管径相同，为反馈流道管径的3倍；分流区管径与谐振腔相同；冲击壁附于脉冲增强腔底部，为150°锥形结构于反馈流道相交；

所述的负压抽汲装置包括反向高速流道、下喷流道、刀翼、抽汲腔；反向高速流道、下喷流道均与分流区相连通，反向高速流道出口在混合腔，下喷流道出口在钻头本体端部；抽汲腔与钻头端部排屑槽相连通，出口在混合腔；

所述的岩屑内磨装置包括混合腔、喉道、加速腔、内磨腔、内磨体、扩散腔；混合腔与反向高速流道、抽汲腔相连通，内侧与喉道对接连通；喉道与加速腔对接连通，为圆柱形构造，管径为加速腔的0.5倍；加速腔与内磨腔相连通，两者轴线呈138°夹角，为圆柱形构造；内磨腔为棱柱形结构，其横截面为加速腔圆形横截面的外接正六边形；内磨体附于内磨腔内壁，正对加速腔出口；扩散腔与内磨腔相连通，轴线与内磨腔呈138°夹角。