CN109252816B - 边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头 - Google Patents

Abstract

本发明公开的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，涉及干热岩钻探钻具技术领域，包括钻头体、冲锤、止流杆、顶部水口、心管、冲击射流流道、钻头体中心通道、环形空间、上喷孔、下喷孔、边齿、中心齿及清洗孔底的钻井液流道，本发明的钻头体上针对边齿冷却降温设置了双束冲击射流喷孔，由于附壁作用，可将高速流体直接喷到边齿表面的高温区域，起到了强力冷却边齿的效果，降低齿面磨损，提高钻头寿命。冲锤下部增设止流杆和带有冲击射流流道的心管，在冲锤往复运动过程中，形成脉冲射流，既可清除岩屑，又能形成高速射流对边齿进行充分冷却。

Description

边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头

技术领域

本发明涉及干热岩钻探钻具技术领域，特别是涉及一种用于提高干热岩钻进速度，延长钻头寿命的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头。

背景技术

干热岩作为一种储量大、分布广的可再生清洁能源，具有极高的利用价值与应用前景。目前，钻井仍是干热岩开发的唯一手段，采用常规回转钻进的方法，碎岩效率低，钻头磨损快，钻井成本高。从碎岩理论来看，潜孔锤钻进技术是当今解决硬岩钻进难题的最有效的方法之一。

干热岩开发过程中，钻井成本占到总成本的70％左右。过高的钻井成本与较长的钻井周期严重制约了干热岩的大规模开发利用。

目前钻井成本居高不下，对干热岩开发有严重制约的原因主要分为两种：一是干热岩地层多为高温高压下形成的火成岩与变质岩，如花岗岩、花岗闪长岩、石英岩、玄武岩等，地层研磨性强、可钻性差，一些岩层单轴抗压强度可达230MPa以上。二是常规回转钻进方法，碎岩效率低，钻头磨损快。运用潜孔锤钻进技术为大幅提高干热岩硬岩钻进效率提供了可能。在潜孔锤钻进干热岩地层中，由于干热岩岩体多为致密的研磨性较大的花岗岩，在凿岩过程中硬质合金齿与岩石之间的撞击和摩擦导致其表面温度大幅升高，加上干热岩钻井深度较大，钻孔深部温度较高，在接触压力、速度和频率都很高的情况下，钻头边齿就会产生热损伤，局部超过1000℃的高温会使岩石侵入硬质合金齿表面，导致粘结剂Co含量降低，WC颗粒脱出，硬质合金齿边缘强度下降，从而产生严重磨损，这种不利的影响会直接降低钻头的使用寿命，增加钻进成本，钻井事故发生的概率也会增大。现有钻头的冷却方式大多为井底流体漫流冷却，但这种方式流速低，换热速度慢，降温性能不佳，对于降低干热岩钻井井底钻头边齿的高温，提高钻进效率，延长钻头寿命还远达不到预期的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有干热岩钻井中干热岩潜孔锤钻头边齿磨损严重导致钻头寿命缩短及干热岩碎岩效率低下等问题，提供一种新型可靠的用于降低边齿磨损，提高钻进速度的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于，包括钻头体、冲锤、止流杆、顶部水口、心管、冲击射流流道、钻头体中心通道、环形空间、上喷孔、下喷孔、边齿、中心齿及清洗孔底的钻井液流道，

所述冲锤位于钻头体上方；所述止流杆设置在冲锤的下部，止流杆形状为圆柱形，止流杆的中心线与冲锤的中心线重合，止流杆的直径与钻头体中心通道的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口设置在钻头体顶部，且呈均匀布置；所述心管设置在钻头体内部并与钻头体同轴；所述钻头体中心通道设置在心管内；所述冲击射流流道设置在心管的外壁上，冲击射流流道的数量与顶部水口的数量相同且一一对应，冲击射流流道的中心线与钻头体的中心线平行，冲击射流流道下部为环形空间；所述环形空间由钻头体内壁与心管外壁包围形成；所述中心齿设置在钻头体底部工作端面上；所述边齿均匀布置在钻头体底部工作端面的边缘部，边齿位于上喷孔和下喷孔之间，边齿、上喷孔及下喷孔数量相同；所述上喷孔和下喷孔的上部均与环形空间连通，上喷孔的轴线、边齿的中心线及钻头体的中心线设置在同一竖直平面内，上喷孔的末端设置在钻头体侧部端面上，上喷孔的末端中心点与其所对应的边齿的中心点及钻头体的底部端面中心点设置在同一弧线上；下喷孔的末端设置在钻头体的底部端面上，下喷孔的末端中心点与其所对应的边齿的中心点及钻头体的底部端面中心点设置在同一弧线上。

优选的，所述顶部水口的截面面积总和与钻头体中心通道的截面面积比为0.4～0.8。

进一步，所述心管的上部与钻头体之间设置有卡簧和定位键，卡簧用于限制心管沿钻头体的轴向移动，定位键用于限制心管相对钻头体的转动。

优选的，所述冲击射流流道的横截面积总和与顶部水口的横截面积总和比为0.5～0.8。

优选的，所述钻头体中心通道的直径与整个钻头体的最大径向距离比值为0.2～0.5。

其中，所述上喷孔和下喷孔的形状均为圆形，且直径相等。

优选的，所述上喷孔及下喷孔的直径与边齿的直径比为0.2～0.4。

进一步，所述上喷孔和下喷孔的轴线与钻头体的中心轴线所成角度为30°～60°。

更进一步，所述上喷孔与边齿之间的距离及下喷孔与边齿之间的距离均为整个钻头体的最大径向距离的0.04～0.1。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明钻头体上针对边齿冷却降温设置了双束冲击射流喷孔，由于附壁作用，可将高速流体直接喷到边齿表面的高温区域，起到了强力冷却边齿的效果，降低齿面磨损，提高钻头寿命。

2、本发明冲锤下部增设止流杆和带有冲击射流流道的心管，在冲锤冲程末段和回程初段，止流杆进入钻头体中心通道时，钻头体中心通道被止流杆堵住，高速钻井液通过钻头体顶部水口进入冲击射流流道内，经过环形空间和双喷孔，形成高速射流喷到边齿表面；在冲锤回程末段和冲程初段，止流杆离开钻头体中心通道，由于钻头体中心通道尺寸较大，大部分钻井液会通过钻头体中心通道进入孔底，从底部钻井液流道喷出，清除井底岩屑，在冲锤往复运动过程中，形成脉冲射流，既可清除岩屑，又能形成高速射流对边齿进行充分冷却。

3、本发明中双束冲击射流喷孔沿边齿表面喷射高速流体，可显著提高边齿轮廓区域流体速度，更有利于孔底外缘区域岩屑的运移，解决了边齿周围岩屑滞留的问题；本发明钻头体上冲击射流流道喷孔位置设置在钻头体边齿附近，在保证钻头体强度、携岩效果和中心齿冷却的同时，又能够对周围岩体形成冷裂，降低岩体强度，提高钻进效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：

图1为根据本发明实施例中边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头的剖面图。

图2为图1的A-A线断面图。

图中各标记如下：1-钻头体，2-冲锤，3-止流杆，4-顶部水口，5-卡簧，6-心管，7-冲击射流流道，8-钻头体中心通道，9-环形空间，10-上喷孔，11-下喷孔，12-边齿，13-中心齿，14-清洗孔底的钻井液流道，15-定位键，16-花键套，17-外管。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。

如图1所示，本实施例中边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头包括钻头体1、冲锤2、止流杆3、顶部水口4、心管6、冲击射流流道7、钻头体中心通道8、环形空间9、上喷孔10、下喷孔11、边齿12、中心齿13及清洗孔底的钻井液流道14，

所述冲锤2位于钻头体1上方；所述止流杆3设置在冲锤2的下部，止流杆3形状为圆柱形，止流杆3的中心线与冲锤2的中心线重合，止流杆3的直径与钻头体中心通道8的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口4设置在钻头体1顶部，且呈均匀布置，顶部水口4的截面面积总和与钻头体中心通道8的截面面积比为0.4～0.8；所述心管6设置在钻头体1内部并与钻头体1同轴，心管6的上部与钻头体1之间设置有卡簧5和定位键15，卡簧5用于限制心管6沿钻头体1的轴向移动，定位键15用于限制心管6相对钻头体1的转动；所述钻头体中心通道8设置在心管6内；所述冲击射流流道7设置在心管6的外壁上，冲击射流流道7的数量与顶部水口4的数量相同且一一对应，冲击射流流道7的横截面积总和与顶部水口4的横截面积总和比为0.5～0.8，冲击射流流道7的中心线与钻头体1的中心线平行，冲击射流流道7下部为环形空间9；所述环形空间9由钻头体1内壁与心管6外壁包围形成；所述中心齿13设置在钻头体1底部工作端面上；所述边齿12均匀布置在钻头体1底部工作端面的边缘部，边齿12位于上喷孔10和下喷孔11之间，边齿12、上喷孔10及下喷孔11数量相同；所述上喷孔10和下喷孔11的上部均与环形空间9连通，上喷孔10的轴线、边齿12的中心线及钻头体1的中心线设置在同一竖直平面内，上喷孔10的末端设置在钻头体1侧部端面上，上喷孔10的末端中心点与其所对应的边齿12的中心点及钻头体1的底部端面中心点设置在同一弧线上；下喷孔11的末端设置在钻头体1的底部端面上，下喷孔11的末端中心点与其所对应的边齿12的中心点及钻头体1的底部端面中心点设置在同一弧线上，上喷孔10和下喷孔11的形状均为圆形，且直径相等，便于加工并控制钻头整体成本。

图2为图1的A-A线断面图，即为钻头体1中部断面图，结合图1及图2，心管6与钻头体1相对位置关系如图所示，花键套16套设在钻头体1外部，花键套16与钻头体1采用六筋镶嵌结合方式，外管17设置在花键套16外侧，二者采用螺纹连接。

本发明的工作原理：

在本发明中，冲锤2底部的止流杆3随着冲锤2的冲击循环过程，在冲锤2冲程末段和回程初段，止流杆3进入钻头体中心通道8时，钻头体中心通道8被堵住，钻井液从钻头体1的顶部水口4进入冲击射流流道7，形成高速射流，并沿上喷孔10及下喷孔11喷到边齿12高温区域，强力射流冷却边齿12；在冲锤2回程末段和冲程初段，止流杆3离开钻头体中心通道8时，由于钻头体中心通道8的直径较大，大部分钻井液会流进钻头体中心通道8，并沿位于钻头体中心通道8下部的清洗孔底的钻井液流道14喷出，并携带井底岩屑沿外管17与岩石壁形成的环状间隙上返。故钻井液可依靠冲锤2的循环冲击过程形成脉冲射流交替冷却边齿12和清除井底岩屑。

在本发明中，止流杆3长度可根据需要调节，以调整脉冲射流的时间长短。

高速射流从上喷孔10及下喷孔11中喷出，由于流体的附壁效应，会更倾向于朝边齿12方向流动，直接高速喷射到边齿12和高温岩石接触部分，从而更高效的降低边齿12表面温度，延长钻头寿命。同时高速喷射流体也可显著提高边齿12轮廓区域流体速度，更有利于孔底外缘区域岩屑的运移，解决了边齿12周围岩屑滞留的问题。高速射流也会对钻头体1周围高温岩体产生冷裂作用，降低岩石强度，提高钻进效率。

本实施例提供的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，位于钻头体1中部的钻头体中心通道8的直径与钻头体1的径向直径最大处比值为0.2～0.5，上喷孔10及下喷孔11的直径与边齿12的直径比为0.2～0.4，既保证钻头体1的强度和刚度，又保证钻井液顺畅流至射流喷射端，钻头体中心通道8被止流杆3堵住时，冲击射流流道7内的钻井液速度急剧增加，以一定的角度从上喷孔10及下喷孔11喷出向边齿12的方向喷射，在钻进过程中能够在边齿12周围形成局部低温区，持续冷却边齿12，同时高速流钻井液还可以对边齿12周围干热岩体形成冷裂，提高钻进效率。

所述止流杆3和钻头体中心通道8之间留有一定间隙，即止流杆3的直径与钻头体中心通道8的直径比为0.8～0.95，在保持射流速度和止流杆3顺利进入和离开钻头体中心通道8的基础上，可平稳井底压力，降低钻具不规则震动。

所述上喷孔10及下喷孔11设置在钻头体1的侧部和底部，数量和角度根据钻头体1上边齿12的排布而设定，保证每个上喷孔10及下喷孔11设置于边齿12附近，上喷孔10与边齿12之间的距离及下喷孔11与边齿12之间的距离为整个钻头体1的最大径向距离的0.04～0.1，以保证对边齿12形成有效降温，降低边齿12磨损，提高钻头寿命。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于，包括钻头体(1)、冲锤(2)、止流杆(3)、顶部水口(4)、心管(6)、冲击射流流道(7)、钻头体中心通道(8)、环形空间(9)、上喷孔(10)、下喷孔(11)、边齿(12)、中心齿(13)及清洗孔底的钻井液流道(14)，

所述冲锤(2)位于钻头体(1)上方；所述止流杆(3)设置在冲锤(2)的下部，止流杆(3)形状为圆柱形，止流杆(3)的中心线与冲锤(2)的中心线重合，止流杆(3)的直径与钻头体中心通道(8)的直径比为0.8～0.95；所述顶部水口(4)设置在钻头体(1)顶部，且呈均匀布置；所述心管(6)设置在钻头体(1)内部并与钻头体(1)同轴；所述钻头体中心通道(8)设置在心管(6)内；所述冲击射流流道(7)设置在心管(6)的外壁上，冲击射流流道(7)的数量与顶部水口(4)的数量相同且一一对应，冲击射流流道(7)的中心线与钻头体(1)的中心线平行，冲击射流流道(7)下部为环形空间(9)；所述环形空间(9)由钻头体(1)内壁与心管(6)外壁包围形成；所述中心齿(13)设置在钻头体(1)底部工作端面上；所述边齿(12)均匀布置在钻头体(1)底部工作端面的边缘部，边齿(12)位于上喷孔(10)和下喷孔(11)之间，边齿(12)、上喷孔(10)及下喷孔(11)数量相同；所述上喷孔(10)和下喷孔(11)的上部均与环形空间(9)连通，上喷孔(10)的轴线、边齿(12)的中心线及钻头体(1)的中心线设置在同一竖直平面内，上喷孔(10)的末端设置在钻头体(1)侧部端面上，上喷孔(10)的末端中心点与其所对应的边齿(12)的中心点及钻头体(1)的底部端面中心点设置在同一弧线上；下喷孔(11)的末端设置在钻头体(1)的底部端面上，下喷孔(11)的末端中心点与其所对应的边齿(12)的中心点及钻头体(1)的底部端面中心点设置在同一弧线上。

2.根据权利要求1所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述顶部水口(4)的截面面积总和与钻头体中心通道(8)的截面面积比为0.4～0.8。

3.根据权利要求1或2所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述心管(6)的上部与钻头体(1)之间设置有卡簧(5)和定位键(15)，卡簧(5)用于限制心管(6)沿钻头体(1)的轴向移动，定位键(15)用于限制心管(6)相对钻头体(1)的转动。

4.根据权利要求3所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述冲击射流流道(7)的横截面积总和与顶部水口(4)的横截面积总和比为0.5～0.8。

5.根据权利要求3所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述钻头体中心通道(8)的直径与整个钻头体(1)的最大径向距离比值为0.2～0.5。

6.根据权利要求5所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述上喷孔(10)和下喷孔(11)的形状均为圆形，且直径相等。

7.根据权利要求6所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述上喷孔(10)及下喷孔(11)的直径与边齿(12)的直径比为0.2～0.4。

8.根据权利要求1所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述上喷孔(10)和下喷孔(11)的轴线与钻头体(1)的中心轴线所成角度为30°～60°。

9.根据权利要求8所述的边齿双束附壁射流冲击强冷式干热岩潜孔锤钻头，其特征在于：所述上喷孔(10)与边齿(12)之间的距离及下喷孔(11)与边齿(12)之间的距离均为整个钻头体(1)的最大径向距离的0.04～0.1。