CN108533183B - 一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有PDC齿，水孔或者固定喷嘴，其特征在于：在钻头的刀翼上至少设置有一个被动旋转喷嘴，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，且喷嘴与钻头的切削轮廓线高度差d大于等于0，即d≥0，在钻头体内设置有液压马达与液压泵，这样使水力射流具有更高的瞬时冲击力，同时水力射流的区域随时变化，水力破岩范围拓宽，钻头通过射流剪切拉伸破岩与PDC齿刮切破岩两种方式的耦合破岩，提高钻头的破岩效率，同时提高钻头水力能量的利用率，从而提升钻头的综合性能。

Description

一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头

技术领域

本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文及非开挖等技术设备领域，具体涉及一种刀翼上设置被动旋转喷嘴的PDC钻头。

背景技术

PDC钻头依靠高硬度、耐磨、自锐的聚晶金刚石复合片（简称PDC齿或切削齿）作为切削元件来剪切和破碎岩石。PDC钻头在软到中硬地层中机械钻速高、寿命长，钻进成本低，因此其在油气井的钻进中得到广泛使用。

在油气钻井工程中，地层的地质条件往往很复杂，深部地层的泥页岩和泥质砂岩等在上覆地层压力以及高密度钻井液条件下，不仅密度和硬度增加，而且从常压下的脆性岩石向塑脆性岩石或塑性岩石转化，可钻性很差，加之深部井段的水力能量严重不足，不能有效发挥水力辅助破岩作用，钻进的速度相当低。钻头上的固定喷嘴作用仅仅是冷却PDC齿和携带岩屑离开井底，对井底岩石的辅助破岩能力有限。钻头经常要穿越多种不同岩性的地层，这些地层不仅包括相对比较易钻的软岩层，而且包括可钻性较差的硬地层、高研磨性地层、塑性地层，软硬交错的互层、含砾等严重不均质地层，以及大倾角的高陡地层等。这些复杂的地层条件容易导致PDC钻头的异常失效，或使钻头在特殊钻井工艺条件下的钻进效果变差，仅靠机械式破岩很难满足现在钻井需求。

冠部轮廓形状是金刚石钻头非常重要的结构特征，钻头的冠部轮廓线也称切削轮廓线，既能宏观反映切削元件在钻头上的分布位置特征，也能直接反映钻头切削出的井底的基本形状特征。金刚石钻头的冠部轮廓线通常是一条光滑曲线，呈抛物线状，包括内锥、冠顶（鼻部）、外锥、肩部和保径五部分。

假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面）。当钻头在钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削元件的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削元件的轴面轮廓线，将所有切削元件的轴面轮廓线汇集在一起形成钻头的井底覆盖图，在井底覆盖图中，可以做一条与所有切削单元的轴面轮廓线相切的包络曲线，被称为钻头切削轮廓线，钻头切削轮廓线反映了钻头钻出的井底的基本形状特征。钻头本体轮廓线是井底覆盖图中反映钻头本体的位置曲线，其是金刚石钻头的一条重要特征曲线。值得说明一点是钻头刀翼本体轮廓线与刀翼切削轮廓线就不应该包含钻头保径部分，这是由刀翼切削轮廓线与本体轮廓线定义中得到的，钻头中主切削齿一般是指具有纵向切削能力的切削元件，而保径部分的保径齿是不具备纵向切削能力，所以主切削是不包含保径齿的，这样刀翼的切削轮廓线与本体轮廓线就应该从钻头中心开始，在规径齿结束。钻头布齿面是指以钻头轴线为旋转中心，钻头本体轮廓线为旋转半径旋转一周后与钻头本体相交而成的曲面。

在PDC钻头中，PDC切削齿的轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为PDC切削齿的轴面轮廓线，将所有PDC切削齿的轴面轮廓线汇集在一起形成PDC钻头的井底覆盖图，做一条与所有PDC切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线，为PDC钻头的切削轮廓线。

中国专利“中心旋喷脉冲内磨钻头”（专利号：CN201610921247.6）公开了一种自旋转喷嘴的钻头，利用谐振管将稳定流体转化为脉冲射流，喷嘴上设置有偏移的水孔，钻进液通过有偏移的水孔后，形成反冲，产生一个转动力矩，导致喷嘴旋转，自旋转喷嘴利用射流剪切拉伸破岩，效率高，摩擦阻力小、寿命长、工作稳定，可提高和清岩效率，为钻头钻进提供进给力。这种钻头将连续稳定流体转化为脉冲射流的同时，有一部分能量将转化为内能和热能，无法利用这部分能量，能量利用率降低，同时喷嘴旋转的驱动力来自于脉冲射流，脉冲射流本应该用来破岩或携带岩屑的，其中一部分能量被消耗来趋使喷嘴转动，大大降低井底水力能量的利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种刀翼上设置被动旋转的PDC钻头，使水力射流具有更高的瞬时冲击力，同时水力射流的区域随时变化，水力破岩范围拓宽，钻头通过射流剪切拉伸破岩与PDC齿刮切破岩两种方式的耦合破岩，提高钻头的破岩效率，同时提高钻头水力能量的利用率，从而提升钻头的综合性能。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

现有技术的PDC钻头，通常包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有PDC齿，水孔或者固定喷嘴，本专利的PDC钻头的区别在于：在钻头的刀翼上至少设置有一个被动旋转喷嘴，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，且喷嘴与钻头的切削轮廓线高度差d大于等于0，即d≥0，在钻头体内设置有液压马达与液压泵。

在钻头的径向覆盖图中，喷嘴与钻头切削轮廓线的高度差d是指喷嘴出口的最外端与钻头切削轮廓线之间的距离称为高度差d，如图2所示，规定喷嘴相对于切削轮廓线往外凸时高度差d为正，反之则为负。

本专利中，在钻头体内设置有液压马达与液压泵，液压马达和液压泵能将近钻头的钻井液转化为高压钻井液，为喷嘴破岩提供水力能量,同时根据钻井需求来调整液压马达和液压泵的的工作参数，拓宽该钻头的适用范围；在钻头的刀翼上至少设置有一个被动旋转喷嘴，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，这样的结构相对于常规喷嘴更靠近井底，有效喷距有效提高，使水力射流具有更高的瞬时冲击力，且水力射流不会受到刀翼与水道槽的影响，能量利用率提高；喷嘴与钻头的切削轮廓线高度差d大于等于0，即d≥0，1、喷嘴能够接触井底岩石；2、喷嘴相对于钻头轴线有偏移，存在转矩；同时满足以上两个条件，喷嘴在井底岩石的驱动下能够旋转起来，这样喷嘴水力射流的区域是随时变化，水力破岩范围拓宽，钻头通过射流剪切拉伸破岩与PDC齿刮切破岩两种方式的耦合破岩，提高钻头的破岩效率，同时提高钻头水力能量的利用率，从而提升钻头的综合性能。

作为选择，被动旋转喷嘴上设置有至少3个高压水孔，包括1个高压中心水孔。

上述方案中，旋转喷嘴上设置有至少3个高压水孔，包括1个高压中心水孔，这样多个水孔能够从不同的角度和位置对井底的岩石进行射流剪切拉伸破坏，从而提高钻头的破岩效率。

喷嘴轮廓线是指喷嘴出口最外端在钻头径向覆盖图中的投影组成的曲线，如图2中标识42所示。

作为选择，被动旋转喷嘴轮廓线为圆弧、抛物线。

上述方案中，由于常规钻头的切削轮廓线多为光滑的曲线，喷嘴的轮廓线为圆弧、抛物线，这样能够提高喷嘴的轮廓线与钻头的切削轮廓线的吻合度，保证喷嘴能够与井底岩石接触，从而保证喷嘴能在井底旋转起来。

作为选择，被动旋转喷嘴上设置有至少3个凸起结构，且凸起结构均匀分布在喷嘴的圆周上。

上述方案中，喷嘴上设置有至少3个凸起结构，且凸起结构均匀分布喷嘴的圆周上，凸起结构的设置能够明显减小喷嘴与井底岩石的摩擦力，阻力明显降低，使得喷嘴能够快速、平稳的旋转，从而提高喷嘴的水力破岩效率。

作为选择，液压马达为叶片式液压马达，且液压泵为叶片式液压泵。

上述方案中， 叶片式液压马达和液压泵体积小，转动惯量小，动作灵敏，根据钻井需求来调整叶片的工作参数，拓宽该钻头的适用范围。

旋转喷嘴在钻头径向覆盖图中的位置是通过喷嘴的定位点C点到钻头轴线的之间的距离H来确定的，如图2所示。

作为选择，被动旋转喷嘴的位于钻头径向半径的外1/3区域。

上述方案中，常规PDC钻头不同径向位置上的PDC齿的磨损速度差异明显，一般钻头外部（特别是钻头半径的外1/3区域）切削齿的磨损速度明显快于心部区域的齿，是由于钻头外部的PDC齿的切削半径和切削量大大增加，将旋转喷嘴设置在钻头径向半径的外1/3区域，可以分担该区域固定PDC齿的破岩量，同时该区域为射流拉伸破岩与PDC齿刮切破岩两种方式的耦合，从而提高钻头的破岩效率和延长钻头的使用寿命。

作为选择，喷嘴轴线与钻头轴线的夹角θ取值范围为：0≤θ≤90°，喷嘴偏移量S的取值范围为：-D/8≤S≤D/8,其中D为钻头的直径。

喷嘴的轴线与钻头轴线的夹角θ如图1所示，规定夹角θ沿顺时针方向为正方向，反之为负。喷嘴的偏移量S是指当喷嘴轴线与钻头轴向不平行且不重合时，喷嘴轴线与经过钻头轴线且平行于喷嘴轴线的平面之间的距离，如图9所示，且规定：从喷嘴的轮廓面向钻头体看时，喷嘴轴线相对于钻头轴线往右偏移为正偏移，反之则为负偏移，当喷嘴轴线与钻头轴向平行时，喷嘴的偏移量S为两条轴线之间的距离，当喷嘴轴线与钻头轴线重合或相交时，偏移量S为零。

上述方案中，喷嘴的轴线与钻头轴线的夹角θ与喷嘴偏移量S的存在，让水力破岩与PDC齿刮切破岩的相对位置更为灵活，以满足钻头适用于不同地层、岩性的复杂钻井条件，同时旋转喷嘴能够覆盖钻头的全部径向区域，提高钻头的破岩效率，从而提升钻头的综合性能。

作为选择，被动旋转喷嘴通过滚珠实现轴向锁定。

上述方案中，旋转喷嘴通过滚珠来实现轴向锁定，防止旋转喷嘴的轴向串动，从而延长钻头的使用寿命。

本发明的有益效果：

1、在钻头体内设置有液压马达与液压泵，液压马达和液压泵能将近钻头的钻井液转化为高压钻井液，为喷嘴破岩提供水力能量，同时根据钻井需求来调整液压马达和液压泵的工作参数，拓宽该钻头的适用范围。

2、在钻头的刀翼上至少设置有一个被动旋转喷嘴，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，这样的结构相对于常规喷嘴更靠近井底，有效喷距有效提高，使水力射流具有更高的瞬时冲击力，且水力射流不会受到刀翼与水道槽的影响，能量利用率提高。

3、喷嘴与钻头的切削轮廓线高度差d大于等于0，即d≥0，喷嘴能够接触井底岩石；喷嘴相对于钻头轴线有偏移，存在转矩；这样喷嘴在井底岩石的驱动下能够旋转起来，这样喷嘴水力射流的区域是随时变化，破岩范围更为广泛，钻头通过射流剪切拉伸破岩与PDC齿刮切破岩两种方式的耦合破岩，提高钻头的破岩效率，同时提高钻头水力能量的利用率，从而提升钻头的综合性能。

4、水力喷射破碎岩石时不产生热量和有害物质，安全、环保，速度较快、效率较高。

附图说明

图1为本发明PDC钻头剖视图；

图2为本发明PDC钻头的径向覆盖图；

图3为本发明PDC钻头示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为喷嘴轮廓线为圆弧钻头示意图；

图6为旋转喷嘴上设置有凸起结构；

图7为A-A截面示意图；

图8为喷嘴设置有滚珠的局部剖视图；

图9为喷嘴有偏移量S钻头示意图。

图中标识：1-钻头体；2-固定刀翼；21- PDC齿；3-水孔或固定喷嘴；4-被动旋转喷嘴；41-高压水孔；411-高压中心水孔；42-喷嘴轮廓线；43-凸起结构；51-钻头体内流道；52-高压流道；6-液压泵；7-液压马达；71-马达外壳；72-马达转轴；73-叶片；8-钻头切削轮廓线；9-钻头本体轮廓线；10-滚珠。

实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

如图1、2所示，一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，包括钻头体1、固定刀翼2，在固定刀翼上设置有PDC齿21，水孔或者固定喷嘴3，其特征在于：在钻头的刀翼2上至少设置有一个被动旋转喷嘴4，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，且喷嘴4与钻头的切削轮廓线8高度差d大于等于0，即d≥0，在钻头体内设置有液压马达7与液压泵6。

作为优选，被动旋转喷嘴4上设置有至少3个高压水孔41，包括1个高压中心水孔411，如图3、4所示。

作为优选，被动旋转喷嘴轮廓线42为圆弧、抛物线，如图5所示。

作为优选，被动旋转喷嘴4上设置有至少3个凸起结构43，且凸起结构43均匀分布在喷嘴的圆周上，如图6所示。

作为优选，液压马达为叶片式液压马达，且液压泵为叶片式液压泵，如图7所示。

作为优选，被动旋转喷嘴4的位于钻头径向半径的外1/3区域，如图2、5所示。

作为优选，喷嘴轴线与钻头轴线的夹角θ取值范围为：0≤θ≤90°，喷嘴偏移量S的取值范围为：-D/8≤S≤D/8,其中D为钻头的直径，如图1、8、9所示。

作为优选，被动旋转喷嘴4通过滚珠10实现轴向锁定，如图8所示。

作为优选，被动旋转喷嘴上凸起结构材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷。

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 (9)

1.一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，包括钻头体、固定刀翼，在固定刀翼上设置有PDC齿，水孔或者固定喷嘴，其特征在于：在钻头的刀翼上至少设置有一个被动旋转喷嘴，所述刀翼上设置有喷嘴孔，被动旋转喷嘴与喷嘴孔形成转动连接，所述被动旋转喷嘴是依靠岩石的驱动力而产生旋转，被动旋转喷嘴与钻头的切削轮廓线高度差d大于等于0，即d≥0，且被动旋转喷嘴轴线与钻头轴线的夹角θ取值范围为：0≤θ≤90°，在钻头体内设置有液压马达与液压泵。

2.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴上设置有至少3个高压水孔，包括1个高压中心水孔。

3.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴轮廓线为圆弧、抛物线。

4.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴上设置有至少3个凸起结构，且凸起结构均匀分布在喷嘴的圆周上。

5.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：液压马达为叶片式液压马达，且液压泵为叶片式液压泵。

6.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴的位于钻头径向半径的外1/3区域。

7.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：喷嘴偏移量S的取值范围为：-D/8≤S≤D/8,其中D为钻头的直径。

8.如权利要求1所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴通过滚珠实现轴向锁定。

9.如权利要求4所述的一种刀翼上设置有被动旋转喷嘴的PDC钻头，其特征在于：被动旋转喷嘴上凸起结构材料包括硬质合金、聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石、人造金刚石孕镶块、天然金刚石孕镶块、立方氮化硼或陶瓷。