CN106545298B - 一种振动式旋转射流钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动式旋转射流钻头，属于射流钻头领域。至少包括：扩张段、钻头体、叶轮、偏心马达、挡板、轴承；所述钻头体的右端连接有一扩张段，钻头体内从右到左顺次设置有叶轮、偏心马达、挡板；所述叶轮的左端通过轴承与偏心马达的右端连接，所述偏心马达的左端通过轴承与挡板的右端连接；所述挡板与钻头体螺纹连接；所述钻头体和扩张段的表面均镶嵌有金刚石。通过增设偏心马达，使钻头按圆周震荡，增大了钻孔范围；通过增设叶轮，对高压水流进行加旋，扩大了射流的打击面，提高了钻孔效率；通过增设扩张段，延长了钻头体的使用寿命，增大了射流破岩面积；通过在钻头表面镶嵌金刚石，起到了机械破岩、修整孔壁的作用。

Description

一种振动式旋转射流钻头

技术领域

本发明涉及射流钻头领域，特别涉及一种振动式旋转射流钻头。

背景技术

随着石油的不断开采，底下油层的压力不断减小，为了提高采油效率，通常采用水力喷射径向钻孔技术来增加原井眼的泄油面积。水力喷射径向钻孔技术因其具有较强的破岩钻孔能力，能够在套管内实现由垂直向水平90°转向，利用高压水射流的水力破岩作用，在同一油层中钻出4～6个水平微小井眼，其径向钻孔长度可达100m，直径可达25mm～50mm，克服了以往水力深穿透技术存在的径向孔径较短的缺点，大大增加了原井眼的泄流半径，达到增产、增注的目的，且施工费用低，施工效率高，有效地解决了低渗油藏开发难题。在水力喷射径向钻孔技术中水射流钻头起着决定性的作用。

旋转射流钻头，其基本原理是借助于水射流侧向推力造成钻头自动旋转，即将一组或多组喷嘴斜置于旋转轴上，水射流反冲力因偏心而产生的反冲力矩在克服旋转套与轴之间的摩擦力矩后驱动喷嘴旋转套旋转，使钻头具有旋转动量矩。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有的旋转射流钻头至少存在以下问题：

1、长距离钻孔时钻头推进速度慢；

2、钻头喷射发散角度小，钻孔直径小；

3、钻孔中部容易形成较大凸台，阻碍钻头推进；

4、钻孔过程对钻头磨损较大，钻头使用寿命短，更换频率高。

因此，有必要对现有旋转射流钻头加以改进。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种振动式旋转射流钻头。以高压水为动力具有推进、扩孔、排渣的特点，采用机械和水射流联合破岩的结构，可以提高石油井井下钻孔速度和钻孔直径，延长钻头使用寿命。所述技术方案如下：

一种振动式旋转射流钻头，至少包括：扩张段、钻头体、叶轮、偏心马达、挡板、轴承；所述钻头体的右端连接有一扩张段，钻头体内从右到左顺次设置有叶轮、偏心马达、挡板；所述叶轮的左端通过轴承与偏心马达的右端连接，所述偏心马达的左端通过轴承与挡板的右端连接；所述挡板与钻头体螺纹连接；所述钻头体和扩张段的表面均镶嵌有金刚石。

所述扩张段内腔为圆孔与圆锥孔相接而形成的左右贯通的腔体，所述扩张段右端的圆锥孔内径从左向右由小渐大扩张，所述扩张段左端的圆孔设置有内螺纹，通过内螺纹与钻头体的右端外螺纹联接。

所述扩张段内腔的圆锥孔小端直径为1mm～2mm，圆锥孔总长度L为5mm～10mm，扩张锥角α为50°～90°。

所述钻头体为左端开口、右端具有第一喷嘴孔的筒状结构，钻头体的腔室为阶梯孔形状，钻头体中部设置有多个沿圆周均匀分布，且与腔室贯通的第二喷嘴孔；所述钻头体左端设置有内螺纹。

所述第二喷嘴孔从内到外向左倾斜，第二喷嘴孔的轴线与钻头体的轴线夹角β为20°～40°，各个第二喷嘴孔的内孔口分别位于偏心马达与叶轮之间。

所述第一喷嘴孔与扩张段的圆锥孔小端正对且内径相同。

所述叶轮的圆周上设置有多个呈放射状分布的第一叶轮槽，所述第一叶轮槽从右至左向上倾斜，且贯通于叶轮的两个端面，倾角为30°～50°。

所述叶轮的左侧端面中心设置有左轴承孔，叶轮的右侧端面与钻头体内腔的阶梯孔配合，所述叶轮的右侧端面与钻头体右侧端部的内壁围成腔室。

所述偏心马达上部均布有多个第二叶轮槽，所述第二叶轮槽从左至右向上倾斜，且贯通于偏心马达的两个端面，倾角为30°～50°,所述偏心马达的两端面各设置有一个中心轴承孔，偏心马达的材料为硬质合金或其它高密度材质。

所述挡板上沿圆周均匀分布有多个左右贯通的喷射通孔，挡板的右端面中心设置有右轴承孔，挡板圆周上设置有外螺纹。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、通过增设偏心马达，使钻头按圆周震荡，增大了钻孔范围；

2、通过增设叶轮，对高压水流进行加旋，扩大了射流的打击面，有效减少凸台现象，提高了钻孔效率；

3、通过增设扩张段，有效保护了钻头体上的第一喷嘴孔，延长了钻头体的使用寿命，同时确定了喷嘴与岩石的靶距，增大了射流破岩面积；

4、通过在钻头表面镶嵌金刚石，起到了机械破岩、修整孔壁的作用。

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是本发明实施例提供的一种振动式旋转射流钻头结构示意图；

图2是本发明实施例提供的图1中扩张段的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的图1中钻头体的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的图1中叶轮的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的图4中叶轮结构示意图的左视图；

图6是本发明实施例提供的图1中偏心轮的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的图6中偏心轮结构示意图的左视图；

图8是本发明实施例提供的图1中挡板的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的图8中挡板结构示意图的右视图；

图中各符号表示含义如下：

1扩张段，1a内螺纹；

2钻头体，2a第一喷嘴孔，2b第二喷嘴孔，2c腔室，2d阶梯孔；

3叶轮，3a第一叶轮槽，3b左轴承孔；

4偏心马达，4a第二叶轮槽，4b中心轴承孔；

5挡板，5a喷射通孔，5b右轴承孔；

6轴承。

图中箭头方向为水流旋转方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供了一种振动式旋转射流钻头，至少包括：扩张段1、钻头体2、叶轮3、偏心马达4、挡板5、轴承6等零部件；所述钻头体2的右端连接有一扩张段1，钻头体2内从右到左顺次设置有叶轮3、偏心马达4、挡板5；叶轮3的左端通过轴承6与偏心马达4的右端连接，偏心马达4的左端通过轴承6与挡板5的右端连接；挡板5与钻头体2螺纹连接。本发明实施例相对于现有技术增设了扩张段1、叶轮3和偏心马达4，并在钻头体2和扩张段1的表面均镶嵌有金刚石；本发明振动式旋转射流钻头通过采用机械和水射流联合破岩的优化结构，提高了石油井井下钻孔速度和钻孔直径，延长了钻头的使用寿命。

同时参见图2所示，具体地，所述扩张段1内腔为圆孔与圆锥孔相接而形成的左右贯通的腔体，扩张段1右端的圆锥孔内径从左向右由小渐大扩张，圆锥孔小端直径为1mm～2mm，圆锥孔总长度L为5mm～10mm，扩张锥角α为50°～90°；扩张段1左端的圆孔设置有内螺纹1a，通过内螺纹1a与钻头体2的右端外螺纹联接。

同时参见图3所示，具体地，所述钻头体2为左端开口、右端具有第一喷嘴孔2a的筒状结构，钻头体2的外径为15mm～20mm，长度为20mm～25mm，钻头体2的腔室2c为阶梯孔2d形状，钻头体2中部设置有3～6个沿圆周均匀分布，且与腔室2c贯通的第二喷嘴孔2b，所述第二喷嘴孔2b从内到外向左倾斜，第二喷嘴孔2b的轴线与钻头体2的轴线夹角β为20°～40°，各个第二喷嘴孔2b的内孔口分别位于偏心马达4与叶轮3之间，第二喷嘴孔2b的直径为0.8mm～1.3mm；所述钻头体2的右端中部设置有第一喷嘴孔2a，所述第一喷嘴孔2a的直径为1mm～2mm，长度为1.5mm～3mm；第一喷嘴孔2a与扩张段1的圆锥孔小端正对且内径相同；所述钻头体2左端设置有内螺纹。

同时参见图4、图5所示，具体地，所述叶轮3为圆柱体，直径为8mm～15mm，厚度为3mm～6mm，叶轮3的圆周上设置有3～6个呈放射状分布的第一叶轮槽3a，所述第一叶轮槽3a从右至左向上倾斜，且贯通于叶轮3的两个端面，倾角为30°～50°，第一叶轮槽3a的槽宽度为0.5mm～1mm，叶轮3的左侧端面中心设置有左轴承孔3b，通过轴承6与偏心马达4的右端连接，叶轮3的右侧端面与钻头体2内腔的阶梯孔2d配合，且叶轮3的右侧端面与钻头体2右侧端部的内壁围成一腔室2c。

同时参见图6、图7所示，具体地，所述偏心马达4的直径为8mm～15mm，偏心马达4上部均布有3～6个第二叶轮槽4a，所述第二叶轮槽4a从左至右向上倾斜，且贯通于偏心马达4的两个端面，第二叶轮槽4a槽深为1mm～1.5mm，倾角为30°～50°,所述偏心马达4的两端面各设置有一个中心轴承孔4b，偏心马达4的材料为硬质合金或其它高密度材质。

同时参见图8、图9所示，所述挡板5的直径为8mm～15mm，厚度为3mm～5mm，在挡板5上沿圆周均匀分布有2～4个左右贯通的喷射通孔5a，所述喷射通孔5a直径为1.5mm～2mm，挡板5的右端面中心设置有右轴承孔5b，挡板5圆周上设置有外螺纹。

以上所述叶轮3和偏心马达4可以选用西南油气田分公司工程技术研究院生产的产品。

本发明实施例的工作原理：当泵产生的高压水经过高压软管进入本发明振动式旋转射流钻头，高压水首先经过挡板5上的喷射通孔5a形成高速射流冲击偏心马达4，偏心马达4在射流冲击和压差的双重作用下产生旋转，进而在离心力的作用下产生振动，偏心马达4的转动带动整个射流钻头按圆周振荡，钻头的振动增大了水射流的覆盖面积，即破岩面积，同时钻头表面的金刚石对岩石进行破碎，并修整孔壁，使钻孔更加规则。

然后，射流经过具有一定倾角叶片的叶轮3，形成具有三维速度，即：轴向速度、径向速度和切向速度的旋转水射流进入钻头体2的腔室2c，且大部分流体最终经过第一喷嘴孔2a喷出，旋转射流在扩张段1内产生扩散，使得旋转射流具有较大的破岩面积，扩张段1起到了保护钻头和增大射流与岩石接触面积的作用，扩张段1的扩张角角度应与射流发散角度相匹配，而射流的发散角度主要受叶轮3上的叶片个数及角度、第一喷嘴孔2a的直径及长度的影响，比如通过试验测试得到旋转射流的扩散角为α₁，应该选择扩张角度也为α₁的扩张段1通过螺纹连接与钻头体相配合；剩余的另一部分流体经过钻头体2的第二喷嘴孔2b喷出，形成的射流在轴向上提供钻头和软管前进的推进力，在径向方向上具有扩孔作用。

以下列举利用本发明所述的振动式旋转射流钻头进行破岩钻孔的实例：

将振动式旋转射流钻头与高压软管连接，放置于预先在砂岩中钻好的导向孔中，岩石强度为25MPa，工作时泵压为40Mpa、流量为100L/min；钻头体2的外径为18mm、长度为35mm，第一喷嘴孔2a的直径为1.8mm、长度为1.8mm，第二喷嘴孔2b的直径为1.3mm、个数为3个、β为30°；叶轮3的直径为12mm、厚度为3mm，第一叶轮槽3a的数量为6个、宽度为0.5mm、倾角为30°；偏心马达4的直径为12mm，第二叶轮槽4a的个数为5，槽深为5mm，倾角为30°；挡板5的直径为13.5mm，厚度为3mm，挡板5上的喷孔5a的直径为2mm，数量为4个；扩张段1的锥角α为60°。最终测得数据为：钻孔速度为1m/min，钻孔直径为25mm。

此外，本发明实施例还具有的优点，钻头体上设置的第二喷嘴孔喷出的反向高压水流，起到了推进、排渣、扩孔的作用，采用机械和水射流联合破岩的结构，扩大了地层流体向井筒流动的泄流面积，进而可以有效提高石油和天然气或其它地下资源单井产量和采收率，有效地解决了低渗油藏开发难题。而且施工费用低，施工效率高，在石油天然气和其它地下资源(如盐井、温泉井)等经济高效开发方面都具有非常好的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种振动式旋转射流钻头，其特征在于，至少包括：扩张段(1)、钻头体(2)、叶轮(3)、偏心马达(4)、挡板(5)、轴承(6)；所述钻头体(2)的右端连接有一扩张段(1)，钻头体(2)内从右到左顺次设置有叶轮(3)、偏心马达(4)、挡板(5)；所述叶轮(3)的左端通过轴承(6)与偏心马达(4)的右端连接，所述偏心马达(4)的左端通过轴承(6)与挡板(5)的右端连接；所述挡板(5)与钻头体(2)螺纹连接；所述钻头体(2)和扩张段(1)的表面均镶嵌有金刚石；

在所述偏心马达(4)的径向方向上，所述偏心马达(4)上部均布有多个第二叶轮槽(4a)，所述第二叶轮槽(4a)从左至右向上倾斜，且贯通于偏心马达(4)的两个端面，所述偏心马达(4)的两端面各设置有一个中心轴承孔(4b)；所述挡板(5)上设置有喷射通 孔(5a)。

2.根据权利要求1所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述扩张段(1)内腔为圆孔与圆锥孔相接而形成的左右贯通的腔体，所述扩张段(1)右端的圆锥孔内径从左向右由小渐大扩张，所述扩张段(1)左端的圆孔设置有内螺纹(1a)，通过内螺纹(1a)与钻头体(2)的右端外螺纹联接。

3.根据权利要求2所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述扩张段(1)内腔的圆锥孔小端直径为1mm～2mm，圆锥孔总长度L为5mm～10mm，扩张锥角α为50°～90°。

4.根据权利要求1所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述钻头体(2)为左端开口、右端具有第一喷嘴孔(2a)的筒状结构，钻头体(2)的腔室(2c)为阶梯孔(2d)形状，钻头体(2)中部设置有多个沿圆周均匀分布，且与腔室(2c)贯通的第二喷嘴孔(2b)；所述钻头体(2)左端设置有内螺纹。

5.根据权利要求4所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述第二喷嘴孔(2b)从内到外向左倾斜，第二喷嘴孔(2b)的轴线与钻头体(2)的轴线夹角β为20°～40°，各个第二喷嘴孔(2b)的内孔口分别位于偏心马达(4)与叶轮(3) 之间。

6.根据权利要求4所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述第一喷嘴孔(2a)与扩张段(1)的圆锥孔小端正对且内径相同。

7.根据权利要求1所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述叶轮(3)的圆周上设置有多个呈放射状分布的第一叶轮槽(3a)，所述第一叶轮槽(3a)从右至左向上倾斜，且贯通于叶轮(3)的两个端面，倾角为30°～50°。

8.根据权利要求7所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述叶轮(3)的左侧端面中心设置有左轴承孔(3b)，叶轮(3)的右侧端面与钻头体(2)内腔的阶梯孔(2d)配合，所述叶轮(3)的右侧端面与钻头体(2)右侧端部的内壁围成腔室(2c)。

9.根据权利要求1所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述第二叶轮槽(4a)的倾角为30°～50°,所述偏心马达(4)的材料为硬质合金或其它高密度材质。

10.根据权利要求1所述的振动式旋转射流钻头，其特征在于，所述挡板(5)上沿圆周均匀分布有多个左右贯通的喷射通孔(5a)，挡板(5)的右端面中心设置有右轴承孔(5b)，挡板(5)圆周上设置有外螺纹。