CN106437529A - 一种等流量脉冲射流钻头装置及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等流量脉冲射流钻头装置及其设计方法，钻头本体上端的钻头水腔底壁上分布有多个钻头水眼，各钻头水眼分别向下延伸且分别与钻头本体下端面的喷孔相通，钻头水腔的底壁上安装有静阀盘，静阀盘上设有静阀盘水孔，各静阀盘水孔与钻头水眼的孔径相同且分别一一对应贯通，静阀盘的上方覆盖有动阀盘，动阀盘上设有动阀盘水孔，当动阀盘旋转时，动阀盘水孔与静阀盘水孔沿轴线方向的过流面积为恒定值。静阀盘水孔为圆孔，动阀盘水孔为扇形环孔，扇形环孔的径向距离与静阀盘水孔的孔径相同，扇形环孔的中心圆与静阀盘水孔的圆心位于同一个圆周上。该钻头装置可以提高清洗井底的效果和水力破岩的能力，且可以保证高压泵的运行状态稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻井用钻头，特别涉及一种等流量脉冲射流钻头装置；本发明还涉及一种等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，属于石油天然气钻井设备技术领域。
背景技术
在石油天然气钻井过程中，喷射钻井技术是通过在钻头喷嘴处产生高速射流的方式进行井底岩屑的清洗和辅助机械破岩，以达到提高机械钻速的目的。随着钻头质量和轴承寿命的提高，钻具的机械钻速和行程钻速得到了很大的提高；大量使用的连续射流钻头，每个钻头均匀出流，喷射出来的冲击液流速低，能量少，钻井效率受到严重限制。脉冲射流钻头可以形成不连续的脉冲射流，从而克服了现有连续射流喷嘴能量小的缺点，提高了射流的瞬时打击力。由于动静阀盘配合时喷嘴形成不同的出流面积，每时刻脉冲射流的总流量不断变化，这将导致高压泵运行工况不稳定、钻井工具的水力损失增大。因此，设计等流量脉冲射流钻头装置可进一步提高钻井效率，改善高压泵的运行工况。
公开号为CN202788631U的中国实用新型专利，公开了一种水力喷射钻头，包括空腔钻头体，钻头体上设有喷水孔，喷水孔包括主喷水孔和辅助喷水孔，主喷水孔设在钻头体的前端平面上，在背向钻头体轴线方向上向外倾斜，以钻头体轴线为中心呈辐射状均布排列，分别沿切线方向形成顺时针倾角，辅助喷水孔包括中间孔和后端斜孔，中间孔设在钻头体中部外壁上沿圆周径向均布，与钻头体空腔连通，中间孔轴线与钻头体轴线垂直，后端斜孔均布于钻头体后部同一圆周上，与空腔连通并向空腔中心倾斜。该专利解决了喷水孔眼小，喷孔易发生堵塞的问题。
公开号为CN102667047A的中国发明专利，公开了一种钻井方法，该方法包括：将钻柱设置在井眼中，该钻柱包括磨料喷射钻头，该磨料喷射钻头包括喷射喷嘴，该钻柱为流体提供了通到喷射喷嘴的通道；将供给流体混合物经由钻柱供应到磨料喷射钻头，该供给流体混合物包括供给浓度的磨料颗粒；在喷射喷嘴处产生喷射流体混合物的磨料射流以便将侵蚀动力喷到井眼的冲击区域上，该喷射流体混合物包括喷射浓度的磨料颗粒，其中该喷射浓度取决于供给浓度；以及调整磨料颗粒的喷射浓度；其中，调整供给流体混合物中磨料颗粒的供给浓度以便调整磨料射流中的喷射浓度。该专利采用的喷射钻井系统，可以调整磨料射流中的喷射浓度。
公开号为CN202970480U的中国实用新型专利，公开了一种超高压钻井用单牙轮钻头，包括钻头体、钻井液流道、牙轮、超高压喷嘴、轴颈、超高压钻井液流道。所述钻头体内腔设有钻井液流道，钻头体内腔和牙轮上设有超高压钻井液流道，该超高压钻井液流道上安装有超高压喷嘴。超高压喷嘴距井底近，淹没非自由射流状态下能量损失小，实现了超高压钻井液与常压钻井液的有效隔离，钻柱下部的增压泵提供的超高压钻井液通过超高压钻井液流道到超高压喷嘴，由超高压喷嘴喷出，起到清洗井底和辅助破岩功能。
公开号为US20140054092A1的美国专利，公开了一种喷气式钻井和清洗用旋转射流钻头，固定的环罩来维持喷嘴旋转，透平控制喷嘴及旋转轴的旋转速率，增加喷射钻头实现喷头和不同旋转刀具共同作业。
以上各专利中，钻头井底射流流场匀称，没有实现等流量脉冲射流。
发明内容
本发明的首要目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种等流量脉冲射流钻头装置，可以提高清洗井底的效果和水力破岩的能力，并且可以保证高压泵的运行工况稳定。
为解决以上技术问题，本发明的一种等流量脉冲射流钻头装置，包括共轴线的双母套筒、钻头接头和钻头本体，所述双母套筒的下端与所述钻头接头的上端相旋接，所述钻头接头的下端与所述钻头本体的上端相旋接，所述钻头本体的下端安装有刀翼，所述钻头本体的上端设有沿轴线向下延伸的钻头水腔，所述钻头水腔的底壁上分布有多个钻头水眼，各钻头水眼以轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，各钻头水眼分别向下延伸且分别与钻头本体下端面的喷孔相通；所述双母套筒和所述钻头接头的中心设有与所述钻头水腔相通的中心水道，所述钻头水腔的底壁上安装有与所述钻头本体共轴线的静阀盘，所述静阀盘上分布有静阀盘水孔，各所述静阀盘水孔与所述钻头水眼的孔径相同且分别与所述钻头水眼一一对应贯通，所述静阀盘的上方覆盖有与之共轴线的动阀盘，所述动阀盘可绕自身轴线旋转；所述动阀盘上设有轴向贯通的动阀盘水孔，当所述动阀盘旋转时，所述动阀盘水孔与所述静阀盘水孔沿轴线方向的过流面积为恒定值。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：⑴当钻井液通过上部的钻柱、双母套筒和钻头接头到达钻头本体的钻头水腔时，被动阀盘阻挡；由于静阀盘固定不动，当动阀盘转动时，动阀盘上的各动阀盘水孔和静阀盘上的各静阀盘水孔出现周期性的贯通或关闭。⑵当某个动阀盘水孔和某个静阀盘水孔重合时，钻井液流入相应的钻头水眼，从相应钻头喷嘴喷出的射流速度高、冲击力大，射流对井底的清洗效果好；其它不重合的动阀盘水孔和静阀盘水孔，则钻井液无法进入相应的钻头水眼。⑶随着动阀盘的旋转，钻井液被周期性分配到不同的钻头水眼中，形成脉冲射流直接作用于井底；一方面提高清岩破岩能力，另一方面在钻头附近形成低压区，减少环空液柱对井底岩石的压持效应，提高机械钻速。⑷动阀盘旋转一周，则每个喷嘴轮流喷出最强劲的射流且轮流关闭，达到最佳的脉冲效果。由于动阀盘水孔与静阀盘水孔的过流面积为恒定值，每时刻脉冲射流的总流量保持不变，确保了高压泵的运行工况稳定，钻井工具的水力损失小，钻井效率高，大大降低了设备故障率。
作为本发明的优选方案，所述动阀盘的中心固定在阀杆的下端，所述阀杆的上端沿轴线向上延伸至所述双母套筒的中心水道中，所述阀杆的上端安装有桨叶，所述阀杆的中上部通过轴承装置支撑在所述双母套筒的内壁。当钻井液从双母套筒的中心水道中流过时，将驱动桨叶连续旋转，桨叶带动阀杆进而动阀盘转动，无需外部动力即可实现动阀盘上的动阀盘水孔和静阀盘上的静阀盘水孔周期性的贯通或关闭，且可以根据现场钻井液流量需要选择不同规格的桨叶，使动阀盘具有需要的转速，脉冲的发生频率直接由钻井液来控制，无需外来动力；桨叶尺寸小，制造成本低，且更换方便快捷，利用双母套筒原有的内腔空间，对原钻具的改造量小。
作为本发明的优选方案，所述静阀盘水孔为圆孔，所述动阀盘水孔为扇形环孔，所述扇形环孔的圆心落在所述钻头本体的轴线上，所述扇形环孔两圆弧之间的径向距离L与所述静阀盘水孔的孔径相同，且所述扇形环孔的中心圆与所述静阀盘水孔的各圆心位于同一个圆周上。扇形环孔具有两个指向动阀盘圆心的径向边，在动阀盘顺时针旋转的情况下，扇形环孔的第二径向边与静阀盘水孔的第一切线重合时，扇形环孔即将与静阀盘水孔逐步进入重合；随着动阀盘的继续旋转，扇形环孔与静阀盘水孔的重合度越来越大直至静阀盘水孔完全过流，当扇形环孔的第二径向边与静阀盘水孔的第二切线重合时，扇形环孔即将与静阀盘水孔逐步退出重合；当扇形环孔的第一径向边与静阀盘水孔的第二切线重合时，扇形环孔与静阀盘水孔完全不重合；通过扇形环孔与圆孔的配合，动阀盘旋转时可以使静阀盘水孔在最大过流下保持一段时间，使相应钻头喷嘴喷出的射流速度高、冲击力大，提高射流对井底的清洗效果。
作为本发明进一步的优选方案，所述静阀盘水孔在所述静阀盘上设有n个，所述扇形环孔在所述动阀盘上设有m个，且m<n，m与n奇偶搭配。避免多个静阀盘水孔与动阀盘水孔同步进入重合或不重合，引起过流面积的突变，从而导致高压泵波动，且不利于增大某个钻头水眼的脉冲射流冲击力。
作为本发明进一步的优选方案，经过所述静阀盘圆心和某个静阀盘水孔相切的第一切线与第二切线之间的夹角为β，且。使得相邻两静阀盘水孔保留一定的夹角，以便完全容纳未进入重合的扇形环孔，避免扇形环孔的两侧同时与静阀盘水孔出现较大的重合，即多个静阀盘水孔同时出现过流，降低了脉冲射流的冲击力。
作为本发明进一步的优选方案，所述扇形环孔的圆心角大于β且小于360/n。扇形环孔的圆心角大于β可以保证扇形环孔可以满足一个静阀盘水孔的完全过流，扇形环孔的圆心角小于360/n可以避免一个扇形环孔出现超过一个静阀盘水孔全面积的过流，保证脉冲效果及射流的冲击力。
作为本发明进一步的优选方案，所述静阀盘水孔的个数n为3个，所述扇形环孔的个数m为2个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，所述第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与所述第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，所述第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边与所述第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边之间的夹角为τ2；所述第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2和第三静阀盘水孔B3的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，即第一动阀盘扇形环孔A1与第一静阀盘水孔B1刚刚完全脱离重合时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3 的第二切线相内切，即第二动阀盘扇形环孔A2与第三静阀盘水孔B3刚刚完全进入重合，此时，第三静阀盘水孔B3完全过流，第一静阀盘水孔B1与第二静阀盘水孔B2完全不通，该状态继续保持的相位角为θ1。
动阀盘继续旋转θ1后，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线重合，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线重合，第一动阀盘扇形环孔A1与第二静阀盘水孔B2 的过流面积逐步增大，第二动阀盘扇形环孔A2与第三静阀盘水孔B3的过流面积逐步减小，两者的过流总面积始终与一个静阀盘水孔的面积相等，此时第一静阀盘水孔B1仍完全不通。
动阀盘继续旋转至第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第二切线重合时，第二静阀盘水孔B2完全过流，第一静阀盘水孔B1 与第三静阀盘水孔B3完全不通。
动阀盘继续旋转至第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第一切线重合时，第一静阀盘水孔B1逐步进入过流且过流面积逐步增大，第二静阀盘水孔B2的过流面积逐步减小。
动阀盘继续旋转至第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第二切线重合时，第一静阀盘水孔B1完全过流，第二静阀盘水孔B2及第三静阀盘水孔B3不通；如此循环。
作为本发明进一步的优选方案，所述静阀盘水孔的个数n为4个，所述扇形环孔的个数m为3个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2，第三动阀盘扇形环孔的圆心角为Φ3；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边与第四静阀盘水孔B4的第一切线之间的夹角为θ3，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第一切线之间的夹角为θ4，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边之间的夹角为τ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边之间的夹角为τ3，所述第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2、第三静阀盘水孔B3和第四静阀盘水孔B4的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：
。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边顺时针转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线重合时，第一静阀盘水孔B1完全关闭，第三静阀盘水孔B3完全过流，第二静阀盘水孔B2和第四静阀盘水孔B4合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边继续转动至与第二静阀盘水孔B2的第一切线重合时，第二静阀盘水孔B2 完全过流，第四静阀盘水孔B4关闭，第一静阀盘水孔B1和第三静阀盘水孔B3 合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边继续转动至与第三静阀盘水孔B3的第一切线重合时，第一静阀盘水孔B1 完全过流，第三静阀盘水孔B3完全关闭，第二静阀盘水孔B2和第四静阀盘水孔B4合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边继续转动至与第二静阀盘水孔B2的第二切线重合时，第二静阀盘水孔B2完全关闭，第四静阀盘水孔B4完全过流，第一静阀盘水孔B1和第三静阀盘水孔B3 合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
本发明的另一个目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，设计而成的等流量脉冲射流钻头装置可以提高清洗井底的效果和水力破岩的能力，并且可以保证高压泵的运行工况稳定。
为解决以上技术问题，本发明等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，依次包括如下步骤：⑴确定所述静阀盘水孔在所述静阀盘上设有n个，所述扇形环孔在所述动阀盘上设有m个，且m<n，m与n奇偶搭配；⑵初步确定静阀盘水孔的半径r和静阀盘水孔的圆心与静阀盘圆心之间的距离R，从静阀盘圆心向静阀盘水孔的圆周作两条切线，计算出经过静阀盘圆心和静阀盘水孔相切的第一切线与第二切线之间的夹角为β，验证；不符合则重新确定静阀盘水孔半径r和静阀盘水孔圆心与静阀盘圆心之间的距离R，直至验证β值符合要求；⑶确定扇形环孔两圆弧之间的径向距离L与静阀盘水孔半径r相等，选定动阀盘上扇形环孔的圆心角Φ，该圆心角Φ取值范围为大于β且小于360/n，验证是否符合当所述动阀盘旋转时，所述动阀盘水孔与所述静阀盘水孔沿轴线方向的过流面积为恒定值；如不符合则重新选定半径r、距离R、夹角β和圆心角Φ直至所述过流面积为恒定值。
作为本发明的优选方案，所述静阀盘水孔的个数n为3个，所述扇形环孔的个数m为2个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，所述第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与所述第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，所述第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边与所述第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边之间的夹角为τ2；所述第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2和第三静阀盘水孔B3的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
作为本发明的优选方案，所述静阀盘水孔的个数n为4个，所述扇形环孔的个数m为3个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2，第三动阀盘扇形环孔的圆心角为Φ3；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边与第四静阀盘水孔B4的第一切线之间的夹角为θ3，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第一切线之间的夹角为θ4，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边之间的夹角为τ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边之间的夹角为τ3，所述第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2、第三静阀盘水孔B3和第四静阀盘水孔B4的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果如前所述。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本发明。
图1为本发明等流量脉冲射流钻头装置的结构示意图。
图2为图1中E部位的放大图。
图3为图1中导流板及上部花篮的主视图。
图4为图3的俯视图。
图5为图4中沿F-F的剖视图。
图6为动阀盘与静阀盘第一种实施方式的过流示意图。
图7为动阀盘与静阀盘第二种实施方式的过流示意图。
图中：1.双母套筒；2.钻头接头；3.钻头本体；3a.刀翼；3b.钻头水腔；3c.钻头水眼；4a.连接杆；4b.固定圈；5.导流板；5a.导流孔；6.桨叶；7.桨叶锁紧螺母；8.阀杆；9.动阀盘；A.动阀盘水孔；10.静阀盘；B.静阀盘水孔；11.轴承座；12.隔套；13.推力轴承；14.轴承盖；15.油封；16a.上密封套；16b.下密封套；17a.上定位套；17b.下定位套。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明等流量脉冲射流钻头装置包括共轴线的双母套筒1、钻头接头2和钻头本体3，双母套筒1的下端与钻头接头2的上端相旋接，钻头接头2的下端与钻头本体3的上端相旋接，钻头本体3的下端安装有刀翼3a，钻头本体3的上端设有沿轴线向下延伸的钻头水腔3b，钻头水腔3b的底壁上分布有多个钻头水眼3c，各钻头水眼3c以轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，各钻头水眼3c分别向下延伸且分别与钻头本体3下端面的喷孔相通；双母套筒1和钻头接头2的中心设有与钻头水腔3b相通的中心水道，钻头水腔3b的底壁上安装有静阀盘10，静阀盘10上设有静阀盘水孔B，各静阀盘水孔B与钻头水眼3c的孔径相同且分别与钻头水眼3c一一对应贯通，静阀盘10的上方覆盖有可绕轴线转动的动阀盘9，动阀盘9可绕自身轴线旋转；动阀盘9上设有轴向贯通的动阀盘水孔A，当动阀盘9旋转时，动阀盘水孔A与静阀盘水孔B沿轴线方向的过流面积为恒定值。
当钻井液通过上部的钻柱、双母套筒1和钻头接头2到达钻头本体3的钻头水腔3b时，被动阀盘9阻挡；由于静阀盘10固定不动，当动阀盘9转动时，动阀盘9上的动阀盘水孔A和静阀盘10上的静阀盘水孔B出现周期性的贯通或关闭。
当动阀盘水孔A和静阀盘水孔B的重合度高时，钻井液流经静阀盘水孔B进入钻头水眼3c的流量大，从钻头喷嘴喷出的射流速度高、冲击力大，射流对井底的清洗效果好。当动阀盘水孔A和静阀盘水孔B的重合度低时，钻井液流经静阀盘水孔B进入钻头水眼3c的流量小，从钻头喷嘴喷出的射流速度低、冲击力小，射流对井底的清洗效果差。随着动阀盘9的旋转，钻井液被周期性分配到不同的钻头水眼3c中，形成脉冲射流直接作用于井底；一方面提高清岩破岩能力，另一方面在钻头附近形成低压区，减少环空液柱对井底岩石的压持效应，提高机械钻速。
当只有一只动阀盘水孔A和静阀盘水孔B完全重合，其余均不通时，钻头水腔全截面上钻井液的能量全部集中于某一只钻头水眼3c中，从该钻头喷嘴喷出的射流速度最高、冲击力极大；动阀盘9旋转一周，则每个喷嘴轮流喷出最强劲的射流且轮流关闭，达到最佳的脉冲效果。
轴承装置包括固定在双母套筒1的内孔台阶上的轴承座11，轴承座11的内孔轴向中部安装有隔套12，隔套12的上下两端分别安装有推力轴承13，推力轴承13的外侧分别安装有密封套，上密封套16a的顶部与桨叶锁紧螺母7之间支撑有上定位套17a，下密封套16b的底部与阀杆8的轴肩之间支撑有下定位套17b；轴承座11的上下端面的中心分别安装有轴承盖14，上密封套16a和下密封套16b分别从轴承盖14的中心孔中穿过。轴承盖14的法兰边与轴承座11的端面之间分别安装有O形圈，轴承盖14的中心分别设有穹窿形油封腔，油封腔中分别设有油封15。采用双推力轴承13支撑，可以使阀杆8的转动更加灵活稳定；采用隔套12、上定位套17a、下定位套17b、上密封套16a和下密封套16b可以使阀杆8得到很好的轴向定位。O形圈及油封15可以阻止钻井液进入轴承空间，保证轴承润滑良好。
动阀盘9的中心固定在阀杆8的下端，阀杆8的上端沿轴线向上延伸至双母套筒1的中心水道中，阀杆8的上端头设有螺纹且安装有桨叶6，桨叶6的上下两端分别旋接有桨叶锁紧螺母7将桨叶6固定在阀杆8上，阀杆8的中上部通过轴承装置支撑在双母套筒1的内壁。当钻井液从双母套筒1的中心水道中流过时，将驱动桨叶6连续旋转，桨叶6带动阀杆8进而动阀盘9转动，无需外部动力即可实现动阀盘9上的动阀盘水孔A和静阀盘10上的静阀盘水孔B周期性的贯通或关闭，且可以根据现场钻井液流量需要选择不同规格的桨叶6，使动阀盘9具有需要的转速。
如图1、图3至图5所示，桨叶6的上方设有导流板5，导流板5的下端支撑在双母套筒1的内壁台阶上，导流板5的上下端面之间设有斜向的导流孔5a，各导流孔5a以轴线为中心均匀分布。钻井液从导流板5上斜向的导流孔5a流过，将由垂直射流转变为旋转射流，并集中钻井液的水力能量，以较大的射流冲击力冲击在桨叶6上，使桨叶6的旋转更加轻盈灵活。
导流板5的上端面的圆周上均匀连接有至少三根连接杆4a，各连接杆4a相互平行且沿轴向向上延伸，各连接杆4a的上端连接在固定圈4b的下端面上，固定圈4b的上端面设有向外周翻出的凸缘，凸缘压在双母套筒1的上端母螺纹下方的台阶上，连接杆4a、固定圈4b与导流板5连为一体。连接杆4a与固定圈4b形成花篮结构，导流板5固定在花篮下方且抵靠在双母套筒1的内壁台阶上，当双母套筒1的上端母螺纹与钻柱连接时，钻柱可以压住固定圈4b的上端面，使导流板5、连接杆4a与固定圈4b得以固定，防止脉冲压力上返时，波动压力推动导流板5上移。连接杆4a、固定圈4b与导流板5连为一体以使三者之间具有更好的刚性且安装更加方便。
静阀盘水孔B在静阀盘10上设有n个，扇形环孔在动阀盘9上设有m个，且m<n，m与n奇偶搭配。避免多个静阀盘水孔B与动阀盘水孔A同步进入重合或不重合，引起过流面积的突变，从而导致高压泵波动，且不利于增大某个钻头水眼的脉冲射流冲击力。
经过静阀盘圆心和某个静阀盘水孔相切的第一切线与第二切线之间的夹角为β，且。使得相邻两静阀盘水孔保留一定的夹角，以便完全容纳未进入重合的扇形环孔，避免扇形环孔的两侧同时与静阀盘水孔出现较大的重合，即多个静阀盘水孔同时出现过流，降低了脉冲射流的冲击力。
扇形环孔的圆心角大于β且小于360/n。扇形环孔的圆心角大于β可以保证扇形环孔可以满足一个静阀盘水孔的完全过流，扇形环孔的圆心角小于360/n可以避免一个扇形环孔出现超过一个静阀盘水孔全面积的过流，保证脉冲效果及射流的冲击力。
如图6所示，作为本发明的第一种实施方式，静阀盘水孔的个数n为3个，扇形环孔的个数m为2个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边之间的夹角为τ2；第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2和第三静阀盘水孔B3的各切线均经过静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，即第一动阀盘扇形环孔A1与第一静阀盘水孔B1刚刚完全脱离重合时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3 的第二切线相内切，即第二动阀盘扇形环孔A2与第三静阀盘水孔B3刚刚完全进入重合，此时，第三静阀盘水孔B3完全过流，第一静阀盘水孔B1与第二静阀盘水孔B2完全不通，该状态继续保持的相位角为θ1。
动阀盘继续旋转θ1后，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线重合，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线重合，第一动阀盘扇形环孔A1与第二静阀盘水孔B2 的过流面积逐步增大，第二动阀盘扇形环孔A2与第三静阀盘水孔B3的过流面积逐步减小，两者的过流总面积始终与一个静阀盘水孔的面积相等，此时第一静阀盘水孔B1仍完全不通。
动阀盘继续旋转至第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第二切线重合时，第二静阀盘水孔B2完全过流，第一静阀盘水孔B1 与第三静阀盘水孔B3完全不通。
动阀盘继续旋转至第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第一切线重合时，第一静阀盘水孔B1逐步进入过流且过流面积逐步增大，第二静阀盘水孔B2的过流面积逐步减小。
动阀盘继续旋转至第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第二切线重合时，第一静阀盘水孔B1完全过流，第二静阀盘水孔B2及第三静阀盘水孔B3不通；如此循环。
如图7所示，作为本发明的第二种实施方式，静阀盘水孔的个数n为4个，扇形环孔的个数m为3个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2，第三动阀盘扇形环孔的圆心角为Φ3；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边与第四静阀盘水孔B4的第一切线之间的夹角为θ3，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第一切线之间的夹角为θ4，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边之间的夹角为τ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边之间的夹角为τ3，第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2、第三静阀盘水孔B3和第四静阀盘水孔B4的各切线均经过静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：
。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边顺时针转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线重合时，第一静阀盘水孔B1完全关闭，第三静阀盘水孔B3完全过流，第二静阀盘水孔B2和第四静阀盘水孔B4合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边继续转动至与第二静阀盘水孔B2的第一切线重合时，第二静阀盘水孔B2 完全过流，第四静阀盘水孔B4关闭，第一静阀盘水孔B1和第三静阀盘水孔B3 合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边继续转动至与第三静阀盘水孔B3的第一切线重合时，第一静阀盘水孔B1 完全过流，第三静阀盘水孔B3完全关闭，第二静阀盘水孔B2和第四静阀盘水孔B4合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
当第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边继续转动至与第二静阀盘水孔B2的第二切线重合时，第二静阀盘水孔B2完全关闭，第四静阀盘水孔B4完全过流，第一静阀盘水孔B1和第三静阀盘水孔B3 合并的过流面积等于一个静阀盘水孔的全面积。
本发明等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，依次包括如下步骤：⑴确定静阀盘水孔在静阀盘上设有n个，扇形环孔在动阀盘上设有m个，且m<n，m与n奇偶搭配；⑵初步确定静阀盘水孔的半径r和静阀盘水孔的圆心与静阀盘圆心之间的距离R，从静阀盘圆心向静阀盘水孔的圆周作两条切线，计算出经过静阀盘圆心和静阀盘水孔相切的第一切线与第二切线之间的夹角为β，验证；不符合则重新确定静阀盘水孔半径r和静阀盘水孔圆心与静阀盘圆心之间的距离R，直至验证β值符合要求；⑶确定扇形环孔两圆弧之间的径向距离L与静阀盘水孔半径r相等，选定动阀盘上扇形环孔的圆心角Φ，该圆心角Φ取值范围为大于β且小于360/n，验证是否符合当动阀盘旋转时，动阀盘水孔与静阀盘水孔沿轴线方向的过流面积为恒定值；如不符合则重新选定半径r、距离R、夹角β和圆心角Φ直至过流面积为恒定值。
按本发明的设计方法设计而成的等流量脉冲射流钻头装置的第一种实施方式如图6，静阀盘水孔的个数n为3个，扇形环孔的个数m为2个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边之间的夹角为τ2；第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2和第三静阀盘水孔B3的各切线均经过静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
按本发明的设计方法设计而成的等流量脉冲射流钻头装置的第一种实施方式如图6，静阀盘水孔的个数n为4个，扇形环孔的个数m为3个，第一动阀盘扇形环孔A1的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔A2的圆心角为Φ2，第三动阀盘扇形环孔的圆心角为Φ3；当第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔B1的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三静阀盘水孔B3的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二静阀盘水孔B2的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边与第三静阀盘水孔B3的第一切线之间的夹角为θ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边与第四静阀盘水孔B4的第一切线之间的夹角为θ3，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一静阀盘水孔B1的第一切线之间的夹角为θ4，第一动阀盘扇形环孔A1的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔A2的第一径向边之间的夹角为τ1，第二动阀盘扇形环孔A2的第二径向边与第三动阀盘扇形环孔A3的第一径向边之间的夹角为τ2，第三动阀盘扇形环孔A3的第二径向边与第一动阀盘扇形环孔A1的第一径向边之间的夹角为τ3，第一静阀盘水孔B1、第二静阀盘水孔B2、第三静阀盘水孔B3和第四静阀盘水孔B4的各切线均经过静阀盘10的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：
。
以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述。
Claims (11)
1.一种等流量脉冲射流钻头装置，包括共轴线的双母套筒、钻头接头和钻头本体，所述双母套筒的下端与所述钻头接头的上端相旋接，所述钻头接头的下端与所述钻头本体的上端相旋接，所述钻头本体的下端安装有刀翼，所述钻头本体的上端设有沿轴线向下延伸的钻头水腔，所述钻头水腔的底壁上分布有多个钻头水眼，各钻头水眼以轴线为中心均匀分布在同一个圆周上，各钻头水眼分别向下延伸且分别与钻头本体下端面的喷孔相通；所述双母套筒和所述钻头接头的中心设有与所述钻头水腔相通的中心水道，其特征在于：所述钻头水腔的底壁上安装有与所述钻头本体共轴线的静阀盘，所述静阀盘上分布有静阀盘水孔，各所述静阀盘水孔与所述钻头水眼的孔径相同且分别与所述钻头水眼一一对应贯通，所述静阀盘的上方覆盖有与之共轴线的动阀盘，所述动阀盘可绕自身轴线旋转；所述动阀盘上设有轴向贯通的动阀盘水孔，当所述动阀盘旋转时，所述动阀盘水孔与所述静阀盘水孔沿轴线方向的过流面积为恒定值。
2.根据权利要求1所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：所述动阀盘的中心固定在阀杆的下端，所述阀杆的上端沿轴线向上延伸至所述双母套筒的中心水道中，所述阀杆的上端安装有桨叶，所述阀杆的中上部通过轴承装置支撑在所述双母套筒的内壁。
3.根据权利要求1所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：所述静阀盘水孔为圆孔，所述动阀盘水孔为扇形环孔，所述扇形环孔的圆心落在所述钻头本体的轴线上，所述扇形环孔两圆弧之间的径向距离L与所述静阀盘水孔的孔径相同，且所述扇形环孔的中心圆与所述静阀盘水孔的各圆心位于同一个圆周上。
4.根据权利要求3所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：所述静阀盘水孔在所述静阀盘上设有n个，所述扇形环孔在所述动阀盘上设有m个，且m<n，m与n奇偶搭配。
5.根据权利要求4所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：经过所述静阀盘圆心和某个静阀盘水孔相切的第一切线与第二切线之间的夹角为β，且。
6.根据权利要求5所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：所述扇形环孔的圆心角大于β且小于360/n。
7.根据权利要求6所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：所述静阀盘水孔的个数n为3个，所述扇形环孔的个数m为2个，第一动阀盘扇形环孔(A1)的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的圆心角为Φ2；当第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔(B1)的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与第二静阀盘水孔(B2)的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第一切线之间的夹角为θ2，所述第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与所述第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边之间的夹角为τ1，所述第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边与所述第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边之间的夹角为τ2；所述第一静阀盘水孔(B1)、第二静阀盘水孔(B2)和第三静阀盘水孔(B3)的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
8.根据权利要求6所述的等流量脉冲射流钻头装置，其特征在于：所述静阀盘水孔的个数n为4个，所述扇形环孔的个数m为3个，第一动阀盘扇形环孔(A1)的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的圆心角为Φ2，第三动阀盘扇形环孔的圆心角为Φ3；当第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔(B1)的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与第二静阀盘水孔(B2)的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第一切线之间的夹角为θ2，第三动阀盘扇形环孔(A3)的第一径向边与第四静阀盘水孔(B4)的第一切线之间的夹角为θ3，第三动阀盘扇形环孔(A3)的第二径向边与第一静阀盘水孔(B1)的第一切线之间的夹角为θ4，第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边之间的夹角为τ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边与第三动阀盘扇形环孔(A3)的第一径向边之间的夹角为τ2，第三动阀盘扇形环孔(A3)的第二径向边与第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边之间的夹角为τ3，所述第一静阀盘水孔(B1)、第二静阀盘水孔(B2)、第三静阀盘水孔(B3)和第四静阀盘水孔(B4)的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：
。
9.一种权利要求3中所述的等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
⑴确定所述静阀盘水孔在所述静阀盘上设有n个，所述扇形环孔在所述动阀盘上设有m个，且m<n，m与n奇偶搭配；
⑵初步确定静阀盘水孔的半径r和静阀盘水孔的圆心与静阀盘圆心之间的距离R，从静阀盘圆心向静阀盘水孔的圆周作两条切线，计算出经过静阀盘圆心和静阀盘水孔相切的第一切线与第二切线之间的夹角为β，验证；不符合则重新确定静阀盘水孔半径r和静阀盘水孔圆心与静阀盘圆心之间的距离R，直至验证β值符合要求；
⑶确定扇形环孔两圆弧之间的径向距离L与静阀盘水孔半径r相等，选定动阀盘上扇形环孔的圆心角Φ，该圆心角Φ取值范围为大于β且小于360/n，验证是否符合当所述动阀盘旋转时，所述动阀盘水孔与所述静阀盘水孔沿轴线方向的过流面积为恒定值；如不符合则重新选定半径r、距离R、夹角β和圆心角Φ直至所述过流面积为恒定值。
10.根据权利要求9所述的等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，其特征在于：所述静阀盘水孔的个数n为3个，所述扇形环孔的个数m为2个，第一动阀盘扇形环孔(A1)的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的圆心角为Φ2；当第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔(B1)的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与第二静阀盘水孔(B2)的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第一切线之间的夹角为θ2，所述第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与所述第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边之间的夹角为τ1，所述第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边与所述第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边之间的夹角为τ2；所述第一静阀盘水孔(B1)、第二静阀盘水孔(B2)和第三静阀盘水孔(B3)的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：
。
11.根据权利要求9所述的等流量脉冲射流钻头装置的设计方法，其特征在于：所述静阀盘水孔的个数n为4个，所述扇形环孔的个数m为3个，第一动阀盘扇形环孔(A1)的圆心角为Φ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的圆心角为Φ2，第三动阀盘扇形环孔的圆心角为Φ3；当第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边转动至与第一静阀盘水孔(B1)的第二切线相外切时，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第二切线相内切，此时第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与第二静阀盘水孔(B2)的第一切线之间的夹角为θ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边与第三静阀盘水孔(B3)的第一切线之间的夹角为θ2，第三动阀盘扇形环孔(A3)的第一径向边与第四静阀盘水孔(B4)的第一切线之间的夹角为θ3，第三动阀盘扇形环孔(A3)的第二径向边与第一静阀盘水孔(B1)的第一切线之间的夹角为θ4，第一动阀盘扇形环孔(A1)的第二径向边与第二动阀盘扇形环孔(A2)的第一径向边之间的夹角为τ1，第二动阀盘扇形环孔(A2)的第二径向边与第三动阀盘扇形环孔(A3)的第一径向边之间的夹角为τ2，第三动阀盘扇形环孔(A3)的第二径向边与第一动阀盘扇形环孔(A1)的第一径向边之间的夹角为τ3，所述第一静阀盘水孔(B1)、第二静阀盘水孔(B2)、第三静阀盘水孔(B3)和第四静阀盘水孔(B4)的各切线均经过所述静阀盘的圆心；以上各夹角之间满足如下关系：。
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